Fujitsu Laboratories ha annunciato oggi il primo sviluppo di successo al mondo di un sensore di gas estremamente sensibile basato su un nuovo principio che sfrutta il grafene, un materiale in cui gli atomi di carbonio sono disposti in un foglio dello spessore di un atomo. Questo sviluppo apre la strada a strumenti compatti in grado di misurare componenti di gas specifici con velocità e sensibilità, per rilevare l'inquinamento atmosferico o testare i gas di origine organica nel respiro di una persona. Fujitsu Laboratories ha sviluppato un sensore di gas che funziona secondo un nuovo principio, in cui la parte di gate di un transistor al silicio è sostituita dal grafene. Questo sensore può rilevare concentrazioni inferiori a decine di parti per miliardo (ppb) di biossido di azoto (NO2) e ammoniaca (NH3); con biossido di azoto in particolare, la sensibilità è migliorata di oltre dieci volte, a meno di 1 ppb. Questa tecnologia dovrebbe consentire misurazioni in tempo reale della qualità dell'aria, che potrebbero aver impiegato decine di ore a seconda del gas misurato. Semplificherà anche il rilevamento dei componenti del gas nel respiro, che può essere utilizzato per scoprire rapidamente le malattie dello stile di vita.

I dettagli di questa tecnologia saranno presentati all'IEEE International Electron Devices Meeting 2016, che ha aperto il 3 dicembre a San Francisco.

Sfondo

Grafene, un foglio di carbonio bidimensionale dello spessore di un solo atomo, ha notevoli proprietà elettriche ben oltre i limiti dei circuiti di integrazione su larga scala (VLSI) che utilizzano silicio, che sta raggiungendo i limiti della miniaturizzazione. Questo ha attirato l'attenzione come materiale per i dispositivi elettronici di prossima generazione. Fujitsu Laboratories sta sviluppando ultraveloci, transistor a bassa potenza e dispositivi rivoluzionari che utilizzano grafene, e sta anche sviluppando dispositivi funzionali come sensori ad alta sensibilità che utilizzano il grafene.

I sensori di gas sono stati proposti come un tipo di dispositivo funzionale che può essere realizzato utilizzando il grafene. La speranza è che consentirà sensori in grado di misurare determinati componenti del gas con un'elevata sensibilità (su una scala ppb) per rilevare l'inquinamento atmosferico o i gas contenuti nel respiro umano. Sebbene sia possibile eseguire misurazioni estremamente sensibili utilizzando apparecchiature specializzate, quali gascromatografi, questa apparecchiatura è grande e le misurazioni richiedono tempo. Esistono sensori di gas a semiconduttore che sono compatti e funzionano in tempo reale, ma questi generalmente operano con una sensibilità dell'ordine di parti per milione, quindi le loro prestazioni non sono sufficienti per rilevare determinati componenti del gas. Ci sono state proposte per sensori che utilizzano il grafene che funzionerebbero rilevando il cambiamento di resistenza attraverso il grafene a cui aderisce un gas, ma la resistenza varia solo di parecchi percento in presenza di concentrazioni di 1 parti per milione (ppm) di gas, che non raggiunge il livello necessario per l'uso nel mondo reale.

Informazioni sulla tecnologia

Fujitsu Laboratories ha ora sviluppato un sensore di gas basato su un nuovo principio. In un tale sensore, un foglio di grafene con un solo strato di atomi sostituisce la parte di gate di un convenzionale transistor al silicio (Figura 2). Quando una molecola di gas aderisce al grafene, la funzione di lavoro del grafene cambia, e il risultato è che c'è un cambiamento importante nelle caratteristiche di commutazione del transistor al silicio. È questo principio che consente di rilevare un gas. Quando la molecola del gas si separa dal grafene, il grafene ritorna al suo stato originale.

È stato creato un sensore basato su questo principio che misura poche decine di ppb di ammoniaca e meno di 1 ppb di NO2 in un ambiente di azoto. Tra i gas che dovrebbero essere trovati nelle analisi dell'aria o del respiro umano, i risultati dei test hanno dimostrato che reagisce solo a NO2 e NH3, il che significa che può rilevare solo gas specifici (Figura 3).

La sensibilità di questa tecnologia all'NO2 è di un ordine di grandezza maggiore rispetto ai tradizionali sensori di grafene basati sulla resistività, a meno di 1 ppb, e i sensori elettrochimici disponibili in commercio, che hanno una sensibilità di oltre decine di ppb.

Risultati

Questo sensore è compatto, con un'area di rilevamento di poche centinaia di micrometri, ma potrebbe essere reso ancora più piccolo (meno di un micrometro). La sensibilità è maggiore delle tecnologie esistenti, e poiché il suo meccanismo non si basa su reazioni chimiche, il sensore ritorna al suo stato originale attraverso metodi come l'applicazione di calore al dispositivo. Questo sensore potrebbe essere utilizzato in un dispositivo compatto in grado di misurare NO2 ovunque, in tempo reale, al livello di sensibilità del benchmark ambientale di 40-60 ppb, che è un indice di inquinamento atmosferico.

Fujitsu Laboratories ha testato la validità del principio alla base del sensore di gate al grafene, e si propone di metterlo in pratica come sensore ambientale dopo averne verificato le caratteristiche e averne studiato la durabilità. La società prevede inoltre di trovare modi per rilevare gas diversi dal biossido di azoto e dall'ammoniaca combinando il grafene con altre molecole. Per di più, combinando questo sensore con un sensore annunciato nell'aprile 2016 in grado di misurare l'ammoniaca con un alto grado di sensibilità, Fujitsu Laboratories prevede di sviluppare un sensore altamente sensibile e portatile che può essere utilizzato comodamente come termometro per misurare i gas nel respiro umano per la diagnosi precoce delle malattie legate allo stile di vita.