Verdens første gassensor, der anvender et nyt princip til brug af grafen

Fujitsu Laboratories annoncerede i dag verdens første succesfulde udvikling af en udsøgt følsom gassensor baseret på et nyt princip, der udnytter grafen, et materiale, hvori carbonatomer er arrangeret i et ark, der er et atom tykt. Denne udvikling baner vejen for kompakte instrumenter, der kan måle specifikke gaskomponenter med hastighed og følsomhed, til påvisning af atmosfærisk forurening eller test for organisk afledte gasser i en persons ånde. Fujitsu Laboratories har udviklet en gassensor, der fungerer efter et nyt princip, hvor gate-delen af ​​en siliciumtransistor er erstattet af grafen. Denne sensor kan detektere koncentrationer lavere end titusinder af milliarddele (ppb) af nitrogendioxid (NO2) og ammoniak (NH3); med især nitrogendioxid, følsomheden er blevet mere end tidoblet, til mindre end 1 ppb. Denne teknologi forventes at muliggøre realtidsmålinger af luftkvalitet, hvilket kan have taget snesevis af timer afhængig af gassen, der måles. Det vil også forenkle detektion af gaskomponenter i åndedrættet, som kan bruges til hurtigt at opdage livsstilssygdomme.

Detaljer om denne teknologi skal præsenteres på 2016 IEEE International Electron Devices Meeting, som åbnede 3. december i San Francisco.

Baggrund

grafen, en todimensional plade af kulstof kun et atom tyk, har bemærkelsesværdige elektriske egenskaber langt ud over grænserne for meget storskala integration (VLSI) kredsløb, der anvender silicium, som er ved at nå grænserne for miniaturisering. Dette har fået opmærksomhed som materiale til næste generations elektroniske enheder. Fujitsu Laboratories udvikler ultrahurtigt, laveffekttransistorer og revolutionerende enheder, der bruger grafen, og udvikler også funktionelle enheder såsom højfølsomme sensorer, der bruger grafen.

Gassensorer er blevet foreslået som en slags funktionel enhed, der kan fremstilles ved hjælp af grafen. Håbet er, at det vil give mulighed for sensorer, der kan måle visse gaskomponenter med høj følsomhed (på en ppb-skala) til at detektere luftforurening eller gasser indeholdt i menneskelig ånde. Selvom det er muligt at udføre ekstremt følsomme målinger ved hjælp af specialudstyr, såsom gaskromatografer, dette udstyr er stort, og målingerne tager tid. Der er halvledergassensorer, der er kompakte og fungerer i realtid, men disse opererer generelt med en følsomhed i størrelsesordenen dele pr. million, så deres ydeevne er ikke tilstrækkelig til at detektere visse gaskomponenter. Der har været forslag til sensorer, der bruger grafen, der ville fungere ved at detektere ændringen i modstand på tværs af grafenen, som en gas klæber til, men modstanden varierer kun med adskillige procent i nærværelse af 1-parts per million (ppm) koncentrationer af gasser, som ikke når det nødvendige niveau til brug i den virkelige verden.

Om teknologien

Fujitsu Laboratories har nu udviklet en gassensor baseret på et nyt princip. I en sådan sensor, et grafenark med kun et enkelt lag atomer erstatter gatedelen af ​​en konventionel siliciumtransistor (figur 2). Når et gasmolekyle klæber til grafen, grafenens arbejdsfunktion ændres, og resultatet er, at der er en stor ændring i siliciumtransistorens koblingskarakteristika. Det er dette princip, der gør det muligt at detektere en gas. Når gasmolekylet adskilles fra grafen, grafen vender tilbage til sin oprindelige tilstand.

En sensor baseret på dette princip er blevet skabt, som måler nogle få tiere ppb ammoniak og mindre end 1 ppb NO2 i et nitrogenmiljø. Blandt de gasser, der forventes at blive fundet i analyser af luften eller menneskets åndedræt, resultaterne af forsøg har vist, at det kun reagerer på NO2 og NH3, hvilket betyder, at den kun kan detektere specifikke gasser (figur 3).

Denne teknologis følsomhed over for NO2 er en størrelsesorden større end konventionelle resistivitetsbaserede grafensensorer, ved mindre end 1 ppb, og de kommercielt tilgængelige elektrokemiske sensorer, som har en følsomhed på over snesevis af ppb.

Resultater

Denne sensor er kompakt, med et detektionsområde på kun et par hundrede mikrometer, men kunne gøres endnu mindre (mindre end en mikrometer). Følsomheden er større end eksisterende teknologier, og fordi dens mekanisme ikke er afhængig af kemiske reaktioner, sensoren vender tilbage til sin oprindelige tilstand gennem metoder såsom tilførsel af varme til enheden. Denne sensor kan bruges i en kompakt enhed, der kan måle NO2 hvor som helst, i realtid, ved det miljømæssige benchmark-følsomhedsniveau på 40-60 ppb, som er et indeks for luftforurening.

Fujitsu Laboratories har testet gyldigheden af ​​princippet bag graphene gate sensoren, og har til formål at tage den i praktisk brug som en miljøsensor efter at have verificeret dens egenskaber og studeret dens holdbarhed. Virksomheden planlægger også at finde måder at detektere andre gasser end nitrogendioxid og ammoniak ved at kombinere grafen med andre molekyler. Desuden, ved at kombinere denne sensor med en sensor annonceret i april 2016, der kan måle ammoniak med en høj grad af følsomhed, Fujitsu Laboratories planlægger at udvikle en meget følsom og bærbar sensor, der kan bruges lige så bekvemt som et termometer til at måle gasser i menneskets ånde til tidlig påvisning af livsstilssygdomme.