Questo è uno schema di un sensore di vapore fabbricato da un singolo monostrato di MoS2. La conduttività del canale MoS2 cambia quando tipi specifici di molecole di vapore interagiscono brevemente con la superficie. Le molecole di trietilammina sono mostrate come una sostanza chimica associata agli agenti di gas nervino della serie V. Credito:Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti
(Phys.org) —Gli scienziati del Naval Research Laboratory hanno sviluppato un sensore di vapore basato su nuovi materiali monostrato che mostrano un grande potenziale per futuri dispositivi elettronici su nanoscala.
Gli scienziati dell'NRL hanno fabbricato questo sensore utilizzando un singolo monostrato di bisolfuro di molibdeno (MoS 2 ) su un wafer di biossido di silicio. Mostrano che funziona efficacemente come un sensore di vapore chimico, esibendo una reattività altamente selettiva a una gamma di analiti, e fornire una trasduzione sensibile di eventi transitori di fisisorbimento superficiale alla conduttanza del canale monostrato. L'elevato rapporto superficie-volume di questi nuovi materiali bidimensionali è un vantaggio significativo per le applicazioni dei sensori di vapore:questi materiali devono mostrare una risposta rapida e selettiva a una gamma di analiti (determinata dal carattere dei siti atomici di superficie), trasduzione sensibile della perturbazione alla resistenza elettrica del canale, e rapido recupero alla rimozione del vapore. Un rapporto completo di questo lavoro è pubblicato sulla rivista Nano lettere .
Molto lavoro è stato svolto in precedenza nello sviluppo di nanotubi di carbonio come sensori. I nanotubi di carbonio sono molto reattivi, ma non così selettivi come dovrebbero essere a meno che non siano chimicamente funzionalizzati, che aggiunge complessità e costi al processo di produzione. I ricercatori hanno anche esaminato il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio in un reticolo a nido d'ape, come sensore di vapore. Però, il grafene mostra una risposta relativamente debole ai vari analiti ed è poco selettivo. Risponde anche al vapore acqueo, che lo rende meno desiderabile come sensore, poiché il vapore acqueo si trova ovunque. Il Dr. Berry Jonker della NRL osserva, "Non sai se sta rilevando vapore acqueo o gas nervino. Dovrei correre perché l'umidità è alta, o perché c'è stato un rilascio di Sarin?" Il MoS 2 i sensori sviluppati in NRL offrono un ottimo potenziale perché sono entrambi molto reattivi e altamente selettivi.
Il team di ricerca dell'NRL ha testato il loro MoS . bidimensionale 2 sensori esponendoli a una varietà di vapori di analiti compresi i comuni prodotti chimici industriali e solventi, così come sottoprodotti, simulanti o precursori di esplosivi e agenti nervini. Il loro obiettivo era vedere come l'esposizione a questi analiti influisse sulla capacità del sensore di condurre la carica elettrica. Hanno scoperto che la presenza di alcuni analiti specifici modificava significativamente la conduttività del MoS 2 canale. L'interazione è transitoria, Il dottor Jonker spiega:la molecola non si attacca permanentemente alla superficie, ma risiede brevemente o interagisce con la superficie per modificare la conduttività del canale, come illustrato in figura. La sostanza è molto debolmente legata attraverso un processo chiamato fisisorbimento. Al variare della concentrazione nell'aria, così fa la quantità sulla superficie, e la conduttività cambia di conseguenza. Questo può essere utile per localizzare la fonte di un vapore.
In particolare, il MoS 2 il sensore è sensibile alla trietilammina (TEA), una sostanza chimica associata agli agenti del gas nervino della serie V. Ma il sensore sviluppato dall'NRL non risponde a molte sostanze chimiche comuni non dannose che altrimenti darebbero molti falsi allarmi.
Il team di ricerca dell'NRL ha anche notato che la polarità del monostrato MoS 2 la risposta del sensore è tipicamente opposta a quella di un sensore a nanotubi di carbonio. Presentano un modello per l'interazione analita/sensore in cui l'analita funge da donatore o accettore di elettroni, producendo una temporanea perturbazione di carica del materiale del sensore. Quindi, se i due tipi di sensori fossero usati in combinazione, quindi il livello di confidenza della lettura potrebbe essere notevolmente aumentato. Agenti di sicurezza o combattenti di guerra che utilizzano un sensore che combina i due (nanotubi di carbonio e MoS 2 ) potrebbe funzionare con maggiore sicurezza che il sensore rilevi davvero un determinato analita come TEA, piuttosto che qualcos'altro.
Altri materiali monostrato 2D (MoSe 2 , TaS 2 , WSe 2 , NbSe 2 , MgB 2 , BN, ecc) possono offrire sensibilità complementari a causa della diversa composizione chimica e legame. Il team di ricerca dell'NRL prevede lo sviluppo di suite di questi sensori di materiale 2D e nanotubi di carbonio con responsabilità complementari, integrato con amplificatori a transistor fabbricati con gli stessi materiali, consentendo l'identificazione univoca di un'ampia gamma di analiti in un pacchetto molto compatto ea bassa potenza.
