Forskere bygger atomisk tynd gas og kemiske sensorer

Den relativt nylige opdagelse af grafen, et todimensionalt lagdelt materiale med usædvanligt og attraktivt elektronisk, optiske og termiske egenskaber, førte forskere til at søge efter andre atom tynde materialer med unikke egenskaber.

Molybdendisulfid (MoS ₂ ) har vist sig at være en af ​​de mest lovende. Enkeltlag og få-lags molybdendisulfidindretninger er blevet foreslået til elektroniske, optoelektroniske og energimæssige applikationer. Et team af forskere, ledet af ingeniører ved University of California, Riversides Bourns College of Engineering, har udviklet en anden potentiel applikation:sensorer.

"Sensorerne er overalt nu, herunder i smartphones og andre bærbare elektroniske enheder, sagde Alexander Balandin, UC præsidentformand og professor i elektrisk og computerteknik ved UC Riverside, hvem er hovedforfatter af papiret. "De sensorer, vi udviklede, er små, tynd, yderst følsom og selektiv, hvilket gør dem potentielt ideelle til mange applikationer. "

Balandin og kandidatstuderende i hans laboratorium byggede atomartynde gas- og kemiske dampsensorer fra molybdendisulfid og testede dem i samarbejde med forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute i Troy, N.Y. Enhederne har todimensionale kanaler, som er gode til sensorapplikationer på grund af det høje overflade-til-volumen-forhold og bredt indstillelige elektronkoncentration.

Forskerne demonstrerede, at sensorerne, som de kalder molybdæn disulfid tyndfilm felt-effekt transistorer (TF-FET), selektivt kan opdage ethanol, acetonitril, toluen, chloroform og methanol dampe.

Resultaterne blev offentliggjort i en nylig artikel, "Selektiv kemisk dampmåling med få lag MoS2 tyndfilmstransistorer:Sammenligning med grafenenheder, "i journalen Anvendt fysik bogstaver . Ud over Balandin, medforfattere var Rameez Samnakay og Chenglong Jiang, både ph.d. studerende i Balandins laboratorium, og Michael Shur og Sergey Rumyantsev, begge af Rensselaer Polytechnic Institute.

Den selektive påvisning krævede ikke forudgående funktionalisering af overfladen til specifikke dampe. Testene blev udført med fabrikaterede enheder og forsætligt ældede enheder. Molybdendisulfidsensorerne, der blev anvendt i undersøgelsen, blev ældet i to måneder, fordi praktiske anvendelser kræver, at sensorer forbliver stabile og operationelle i mindst en måned.

Sensorer fremstillet med atomtynde lag af MoS2 afslørede bedre selektivitet for visse gasser på grund af elektronenergibåndsgabet i dette materiale, hvilket resulterede i stærk undertrykkelse af elektrisk strøm ved udsættelse for nogle af gasserne. Graphene -enheder, fra den anden side, demonstreret selektivitet, når man brugte aktuelle udsving som en sanseparameter.

"Sensorer implementeret med atomtynde MoS2 -lag supplerer grafen -enheder, hvilket er gode nyheder, "Sagde Balandin." Graphen har meget høj elektronmobilitet, mens MoS2 har energibåndsgabet. "

Det unikke ved UC Riverside bygget atomisk tynde gassensorer - både grafen og MoS2 - er i brugen af ​​lavfrekvente strømudsving som et ekstra følesignal. Konventionelt anvender sådanne kemiske sensorer kun ændringen i den elektriske strøm gennem enheden eller en ændring i modstanden for enhedens aktive kanal.

I et separat papir, de samme forskere demonstrerede høj temperatur drift af molybdæn disulfid atomisk tynde film transistorer. Værket blev beskrevet i et papir, "Højtemperaturydelse af MoS2 tyndfilmstransistorer:Jævnstrøm og pulsstrømspændingsegenskaber, ", der netop blev offentliggjort i Journal of Applied Physics .

Mange elektroniske komponenter til kontrolsystemer og sensorer skal fungere ved temperaturer over 200 grader Celsius. Eksempler på applikationer med høj temperatur omfatter styring af turbinemotorer inden for rum- og energiproduktion og oliefeltinstrumenter.

Tilgængeligheden af ​​transistorer og kredsløb til drift ved temperaturer over 200 grader Celsius er begrænset. Enheder fremstillet af siliciumcarbid og galliumnitrid - konventionelle halvledere - lover godt for forlænget drift ved høje temperaturer, men er stadig ikke omkostningseffektive til applikationer med store mængder. Der er behov for nye materialesystemer, der kan bruges til at lave felt-effekt transistorsensorer, der arbejder ved høje temperaturer.