I rilevatori di gas in grado di rilevare piccole quantità di inquinanti potrebbero aiutare a monitorare meglio la qualità dell'aria. I ricercatori della King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) dell'Arabia Saudita hanno scoperto un materiale elettronico bidimensionale che mostra un'elevata sensibilità alle molecole di gas, come l'anidride carbonica (CO2), ossidi di azoto (NOx) e ammoniaca (NH3).

Fogli atomicamente sottili costituiti da metalli di transizione associati ad atomi di calcogeno, come lo zolfo, selenio e tellurio, sono alternative versatili ai semiconduttori a base di silicio più convenzionali. A seconda della loro componente metallica, questi monostrati di dicalcogenuro di metallo di transizione hanno band gap, barriere energetiche che limitano il flusso di elettroni attraverso un materiale, che possono essere sintonizzati per alterare le loro proprietà elettroniche.

Le proprietà elettroniche uniche di questi monostrati hanno il potenziale per migliorare una pletora di dispositivi, compresi i transistor ad effetto di campo, fotorivelatori e sensori di gas.

I monostrati semiconduttori si sono dimostrati candidati ideali come materiali per il rilevamento di gas perché hanno un elevato rapporto superficie-volume. Per esempio, MoS2 è stato incorporato nei transistor ad effetto di campo per rilevare il monossido di azoto. Però, le sue prestazioni sono limitate dalla sua mobilità del vettore relativamente bassa o dalla velocità con cui i suoi elettroni (o lacune) si muovono quando sottoposti a un campo elettrico.

Per superare queste carenze, Il team del professor Udo Schwingenschlögl della KAUST ha valutato il potenziale del dichalcogenuro di platino PtSe2 per l'uso nei rilevatori di gas tramite sofisticate tecniche computazionali.

"Monostrato PtSe2 mostra sperimentalmente un'elevata mobilità dei portatori, che può essere vantaggioso per il rilevamento del gas, " ha detto Schwingenschlögl, aggiungendo che tale materiale non era stato precedentemente considerato a tale scopo. Questo approccio mostra l'interazione tra il monostrato e le molecole di gas sia a livello strutturale che elettronico.

Primo, i ricercatori hanno costruito un modello monostrato composto da atomi di selenio che hanno formato disposizioni ottaedriche con un atomo di platino al centro. Prossimo, hanno determinato la geometria ottimale adottata dalle singole molecole di gas, come NOx, NH3, H2O, CO2 e CO, all'adsorbimento. Hanno valutato la capacità di queste molecole adsorbite di trasferire la carica al monostrato esaminando i cambiamenti indotti dall'adsorbimento nelle proprietà elettroniche.

Questi calcoli hanno fornito energie di adsorbimento elevate, indicando una forte affinità tra il monostrato e le molecole di gas. Tutte le molecole adsorbite hanno alterato la carica del monostrato (vedi immagine), che è fondamentale per la capacità di rilevamento del gas del monostrato PtSe2.

Per di più, le loro interazioni erano più efficaci con PtSe2 monostrato rispetto ai suoi analoghi MoS2 o grafene a base di carbonio. "È stato emozionante spiegare questa differenza a livello dell'orbitale molecolare, " ha affermato Schwingenschlögl. I calcoli del trasporto di elettroni hanno rivelato l'elevata sensibilità del monostrato PtSe2 come sensore di gas.