La scoperta relativamente recente del grafene, un materiale stratificato bidimensionale con elettronica insolita e attraente, proprietà ottiche e termiche, ha portato gli scienziati a cercare altri materiali atomicamente sottili con proprietà uniche.

Bisolfuro di molibdeno (MoS ₂ ) si è rivelato uno dei più promettenti. Sono stati proposti dispositivi al bisolfuro di molibdeno a strato singolo e a pochi strati per applicazioni elettroniche, applicazioni optoelettroniche ed energetiche. Un team di ricercatori, guidato da ingegneri dell'Università della California, Bourns College of Engineering di Riverside, hanno sviluppato un'altra potenziale applicazione:i sensori.

"I sensori sono ovunque ora, anche in smartphone e altri dispositivi elettronici portatili, " ha detto Alexander Balandin, Presidente della UC e professore di ingegneria elettrica e informatica presso la UC Riverside, chi è l'autore principale dell'articolo. "I sensori che abbiamo sviluppato sono piccoli, magro, altamente sensibile e selettivo, rendendoli potenzialmente ideali per molte applicazioni."

Balandin e gli studenti laureati nel suo laboratorio hanno costruito i sensori atomicamente sottili di gas e vapore chimico dal bisolfuro di molibdeno e li hanno testati in collaborazione con i ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute di Troy, N.Y. I dispositivi hanno canali bidimensionali, che sono ottimi per le applicazioni dei sensori a causa dell'elevato rapporto superficie-volume e della concentrazione di elettroni ampiamente sintonizzabile.

I ricercatori hanno dimostrato che i sensori, che chiamano transistor ad effetto di campo a film sottile di solfuro di molibdeno (TF-FET), può rilevare selettivamente l'etanolo, acetonitrile, toluene, vapori di cloroformio e metanolo.

I risultati sono stati pubblicati in un recente articolo, "Rilevamento selettivo del vapore chimico con transistor a film sottile MoS2 a pochi strati:confronto con dispositivi al grafene, " nel diario Lettere di fisica applicata . Oltre a Balandin, coautori erano Rameez Samnakay e Chenglong Jiang, entrambi Ph.D. studenti nel laboratorio di Balandin, e Michael Shur e Sergey Rumyantsev, entrambi del Rensselaer Polytechnic Institute.

La rivelazione selettiva non ha richiesto una preventiva funzionalizzazione della superficie a vapori specifici. I test sono stati condotti con dispositivi fabbricati e dispositivi intenzionalmente invecchiati. I sensori di bisolfuro di molibdeno utilizzati nello studio sono stati invecchiati per due mesi perché le applicazioni pratiche richiedono che i sensori rimangano stabili e operativi per almeno un mese.

I sensori realizzati con strati atomicamente sottili di MoS2 hanno rivelato una migliore selettività a determinati gas a causa del gap di banda di energia degli elettroni in questo materiale, che ha provocato una forte soppressione della corrente elettrica in seguito all'esposizione ad alcuni dei gas. dispositivi al grafene, Dall'altra parte, ha dimostrato selettività quando si usavano le fluttuazioni di corrente come parametro di rilevamento.

"I sensori implementati con strati di MoS2 atomicamente sottili sono complementari ai dispositivi al grafene, che è una buona notizia, " Ha detto Balandin. "Il grafene ha una mobilità degli elettroni molto elevata mentre il MoS2 ha il band gap energetico".

L'unicità dei sensori di gas atomicamente sottili costruiti dall'UC Riverside - sia grafene che MoS2 - sta nell'uso delle fluttuazioni di corrente a bassa frequenza come segnale di rilevamento aggiuntivo. Convenzionalmente tali sensori chimici utilizzano solo la variazione della corrente elettrica attraverso il dispositivo o una variazione della resistenza del canale attivo del dispositivo.

In un documento separato, gli stessi ricercatori hanno dimostrato il funzionamento ad alta temperatura dei transistor a film sottile atomico al bisolfuro di molibdeno. Il lavoro è stato descritto in un documento, "Prestazioni ad alta temperatura dei transistor a film sottile MoS2:caratteristiche di corrente continua e corrente di impulso-tensione, " che è stato appena pubblicato nel Rivista di fisica applicata .

Molti componenti elettronici per sistemi di controllo e sensori devono funzionare a temperature superiori a 200 gradi Celsius. Esempi di applicazioni ad alta temperatura includono il controllo dei motori a turbina nel settore aerospaziale e la generazione di energia e gli strumenti per i giacimenti petroliferi.

La disponibilità di transistor e circuiti per funzionare a temperature superiori a 200 gradi Celsius è limitata. I dispositivi in ​​carburo di silicio e nitruro di gallio - semiconduttori convenzionali - promettono un funzionamento prolungato ad alta temperatura, ma non sono ancora convenienti per applicazioni ad alto volume. C'è bisogno di nuovi sistemi di materiali che possano essere usati per realizzare sensori a transistor ad effetto di campo che funzionino ad alte temperature.