炭素系二次元材料の最近の開発：電気化学センサーのための合成と修飾の側面

Recent developments in carbon-based two-dimensional materials: synthesis and modification aspects for electrochemical sensors.

• Eva-Maria Kirchner
• Thomas Hirsch

抄録

本レビュー（162 件）では、電気化学センサーへの応用を目的として、グラフェンを含む二次元炭素材料に焦点を当てています。多くの調製法が知られているが、それらは単にグラフェンとして扱われることが多いが、それらの物理的・化学的特性に大きなばらつきを示し、その結果、センシング性能に大きな影響を与える二次元炭素材料が得られる。第一章では、化学的気相成長法、超音波法や機械的力による液相剥離法、化学的剥離から電気化学的剥離までの酸化的手法など、成長・剥離技術に基づくグラフェン合成の最新の成果と有望性について簡単に紹介する。二次元炭素材料は、幅広い分野のセンシングアプリケーションに組み込むことができ、非常に魅力的である。ここでは、電界効果トランジスタ、ケミレジスター、インピーダンスベースのデバイス、ボルタンメトリーセンサーやアンペロメトリックセンサーなどの電気化学センサーの認識層としてグラフェンを検討している。センサの性能を材料の観点から評価するとともに、2次元炭素材料の構造や欠陥が異なる伝送技術に与える影響を明らかにした。その結果、2次元炭素系センサの性能は、電気的な伝送技術と組み合わせた調製法に強く関係していると結論づけた。今後の展望として、2Dカーボンベースのセンサーを研究室から市場に移転するための課題に取り組む。グラフィカルアブストラクト 二次元炭素材料の合成と修飾からセンサー応用までの概略的な概要

This review (162 references) focuses on two-dimensional carbon materials, which include graphene as well as its allotropes varying in size, number of layers, and defects, for their application in electrochemical sensors. Many preparation methods are known to yield two-dimensional carbon materials which are often simply addressed as graphene, but which show huge variations in their physical and chemical properties and therefore on their sensing performance. The first section briefly reviews the most promising as well as the latest achievements in graphene synthesis based on growth and delamination techniques, such as chemical vapor deposition, liquid phase exfoliation via sonication or mechanical forces, as well as oxidative procedures ranging from chemical to electrochemical exfoliation. Two-dimensional carbon materials are highly attractive to be integrated in a wide field of sensing applications. Here, graphene is examined as recognition layer in electrochemical sensors like field-effect transistors, chemiresistors, impedance-based devices as well as voltammetric and amperometric sensors. The sensor performance is evaluated from the material's perspective of view and revealed the impact of structure and defects of the 2D carbon materials in different transducing technologies. It is concluded that the performance of 2D carbon-based sensors is strongly related to the preparation method in combination with the electrical transduction technique. Future perspectives address challenges to transfer 2D carbon-based sensors from the lab to the market. Graphical abstract Schematic overview from synthesis and modification of two-dimensional carbon materials to sensor application.