Forskere udvikler nye monolagsmaterialer til kemiske dampsensorer

(Phys.org) – Forskere ved Naval Research Laboratory har udviklet en dampsensor baseret på nye monolagsmaterialer, der viser et stort potentiale for fremtidige elektroniske enheder i nanoskala.

NRL-forskere har fremstillet denne sensor ved hjælp af et enkelt monolag af molybdændisulfid (MoS ₂ ) på en siliciumdioxidwafer. De viser, at den fungerer effektivt som en kemisk dampsensor, udviser meget selektiv reaktivitet over for en række analytter, og tilvejebringelse af følsom transduktion af transiente overfladefysiskorptionshændelser til konduktansen af ​​monolagskanalen. Det høje forhold mellem overflade og volumen af ​​sådanne nye todimensionelle materialer er et betydeligt aktiv for dampsensorapplikationer - disse materialer skal udvise en hurtig og selektiv respons på en række analytter (bestemt af karakteren af ​​overfladeatomare steder), følsom transduktion af forstyrrelsen til kanalens elektriske modstand, og hurtig genopretning efter fjernelse af dampen. En fuldstændig rapport om dette arbejde er offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver .

Der er tidligere blevet arbejdet meget med at udvikle kulstofnanorør som sensorer. Kulstof nanorørene er meget lydhøre, men ikke så selektive, som de behøver at være, medmindre de er kemisk funktionaliserede, hvilket tilføjer kompleksitet og omkostninger til fremstillingsprocessen. Forskere har også set på grafen, et enkelt lag af kulstofatomer i et bikagegitter, som dampsensor. Imidlertid, grafen viser en relativt svag respons på de forskellige analytter og er ikke særlig selektiv. Det reagerer også på vanddamp, hvilket gør den mindre ønskværdig som sensor, da vanddamp findes overalt. NRL's Dr. Berry Jonker bemærker, "Du ved ikke, om den føler vanddamp eller nervegas. Skal jeg løbe, fordi luftfugtigheden er høj, eller fordi der har været en frigivelse af sarin?" The MoS ₂ sensorer udviklet hos NRL tilbyder fremragende potentiale, fordi de både er meget lydhøre og meget selektive.

NRL-forskerholdet testede deres todimensionelle MoS ₂ sensorer ved at udsætte dem for en række analytdampe, herunder almindelige industrielle kemikalier og opløsningsmidler, samt biprodukter, simulatorer eller forstadier til sprængstoffer og nervestoffer. Deres mål var at se, hvordan eksponering for disse analytter påvirkede sensorens evne til at lede elektrisk ladning. De opdagede, at tilstedeværelsen af ​​nogle få specifikke analytter ændrede ledningsevnen af ​​MoS markant ₂ kanal. Interaktionen er forbigående, Dr. Jonker forklarer - molekylet klæber ikke permanent til overfladen, men kortvarigt opholder sig eller interagerer med overfladen for at ændre kanalens ledningsevne, som vist på figuren. Stoffet er meget svagt bundet gennem en proces kaldet fysisorption. Når koncentrationen i luften ændres, det samme gør mængden på overfladen, og ledningsevnen ændres i overensstemmelse hermed. Dette kan være nyttigt til at lokalisere kilden til en damp.

I særdeleshed, MoS ₂ sensoren er følsom over for triethylamin (TEA), et kemikalie forbundet med V-seriens nervegasmidler. Men den NRL-udviklede sensor reagerer ikke på en masse almindelige ikke-skadelige kemikalier, som ellers ville give en masse falske alarmer.

NRL-forskerholdet har også bemærket, at polariteten af ​​monolaget MoS ₂ sensorens respons er typisk modsat af en kulstof nanorørsensor. De præsenterer en model for analyt/sensor-interaktion, hvor analytten tjener som enten en elektrondonor eller -acceptor, frembringelse af en midlertidig ladningsforstyrrelse af sensormaterialet. Så hvis de to typer sensorer blev brugt i kombination, så kunne læsningens konfidensniveau øges markant. Sikkerhedsofficerer eller krigskæmpere ved hjælp af en sensor, der kombinerede de to (kulstof nanorør og MoS ₂ ) kunne arbejde med øget tillid til, at sensoren virkelig detekterer en given analyt, såsom TEA, frem for noget andet.

Andre 2D monolag materialer (MoSe ₂ , TaS ₂ , WSe ₂ , NbSe ₂ , MgB ₂ , BN, osv.) vil sandsynligvis tilbyde komplementære følsomheder på grund af forskellig kemisk sammensætning og binding. NRL-forskerteamet forestiller sig udvikling af suiter af disse 2D-materialesensorer og kulstofnanorør med komplementære ansvarsområder, integreret med transistorforstærkere fremstillet af de samme materialer, muliggør entydig identifikation af en bred vifte af analytter i en meget kompakt og laveffektpakke.