Ny faseændringsmekanisme kan føre til en ny klasse af kemiske dampsensorer

Et tværfagligt hold af videnskabsmænd ved U.S. Naval Research Laboratory (NRL) demonstrerede, at monolag 2-D Transition Metal Dichalcogenides (TMD'er) - atomisk tynde halvledere - gennemgår en ændring fra halvleder- til metallisk fase, når de udsættes for luftbårne kemiske dampe.

Holdet validerede optiske og elektroniske beviser for faseovergangen, og hvordan adfærden kan bruges til at skabe en helt ny klasse af kemiske dampsensorer. Denne nye klasse af instrumenter er potentielt mere følsomme end nuværende avancerede modeller, og selektiv over for specifikke nervestoffer og eksplosive forbindelser, som er til stor bekymring på nutidens slagmarker.

Siden opdagelsen i 2004-2005, at enkeltlagsfilm af TMD'er kan isoleres fra bulkmaterialer på grund af den svage mellemlagsbinding af atomer, kendt som van der Waals bonding, disse materialer fortsætter med at afsløre nye og bemærkelsesværdige adfærd og egenskaber.

"Disse materialer er ekstremt lovende til anvendelser med kemisk dampregistrering, fordi materialets iboende få-atom-tykkelse i høj grad øger deres følsomhed over for selv den mindste overfladeforstyrrelse, " sagde Dr. Adam L. Friedman, forskningsfysiker, Materialevidenskab og teknologiafdeling. "Udover den umiddelbare interesse for grundforskning, da denne særlige metode til at skabe faseovergang i TMD'er aldrig er blevet observeret eller udforsket før, det har et stort potentiale for anvendelse i en ny type fasebaseret, multifunktionel kemisk dampsensor."

Monolayer TMD'er tilbyder mulige fremskridt inden for teknologi i forhold til nuværende materialemodeller, som baner vejen for billige, fleksibel, højtydende enheder, der udnytter deres unikke overfladedominerede funktionalitet.

Kemisk forkortet til MX2, hvor M er et overgangsmetal og X er et chalokogen, monolag TMD'erne inkluderer isolatorer, halvledere, metaller og andre typer materialer, og omfatter en række egenskaber, der ikke er observeret i deres bulkmaterialeækvivalenter. Visse film reagerer selektivt gennem en ladningsoverførselsproces på en klasse af analytter, der inkluderer nervemidler, såsom giftstof X (VX), En mikroskopisk mængde analyt, der ligger på overfladen af ​​TMD, fungerer som en elektrondonor og lokalt reduktionsmiddel, hvilket målbart påvirker filmens ledningsevne.

NRL-holdet antog, at visse stærke elektrondonorkemiske analytter, som dem, der er relevante for sansning af visse nervestoffer og sprængstoffer, kan også give tilstrækkelig ladningsoverførsel til TMD til at opnå en faseændring. For at teste deres hypotese, forskerne udsatte monolag TMD-film for stærke elektrondonorkemiske dampanalytter og overvågede dem for deres ledningsevne og optiske respons. De fandt ud af, at deres enheders konduktansrespons ophørte efter moderat eksponering, og den samlede størrelse af konduktansen steg pludseligt betydeligt i det øjeblik, hvilket signalerede en faseændring. Den optiske respons bekræftede også en faseændring.

Friedman sagde, "Vi samlede et usædvanligt stort datasæt, der omfattede flere metoder til at måle disse typer film og konkluderede, at den adfærd, vi observerede, ikke skyldes doping og højst sandsynligt skyldes delvis, lokaliserede faseændringer i de områder af TMD-filmen, hvor svagt adsorberet analyt overfører ladning til gitteret."

Denne nyopdagede adfærd åbner en helt ny mulighed for lavt strømforbrug, fleksibel, alsidige kemiske dampsensorer. Hvis faseovergangen kan udnyttes til direkte at registrere stærke elektrondonoranalytter, vil det skabe en helt ny kemisk dampfølende model. Det vil gøre det muligt at kombinere passive optiske målinger med, eller bruges separat fra, aktiv konduktansmålinger til at identificere analytdampe alle med den samme enhed og bruges som driftsmekanisme for en ny metode til at identificere kemiske forbindelser og tilstedeværelsen af ​​farlige dampe.

Tidligere undersøgelser af lignende diffusionsfri faseændringer har vist hastigheder i nanosekundområdet, og de påtænkte enheder vil også være hurtige, hvilket vil overskride det nyeste inden for detektionshastighed. Fordi mængden af ​​ladning, der er nødvendig for at inducere en faseændring i hvert TMD-materiale, er forskellig, en række samtidig sensing TMD-materialer vil tillade forskellige styrke elektrondonorer/acceptorer at blive opdaget og endda identificeret med den nødvendige redundans for at minimere fejl. På grund af deres lave pladsbehov og udgifter, disse sensorer kan også nemt kombineres med strømsensorer for at skabe et endnu mere alsidigt instrument til nuværende Department of Defense (DoD) platforme.

Resultaterne er rapporteret i juni 2017-udgaven af Natur Publishing Groups Videnskabelige rapporter .