Figura 1. Schema del dispositivo del sensore di grafene funzionalizzato con carbone attivo con l'inserto che mostra l'interfaccia porosa carbone attivo-grafene. Credito:Japan Advanced Institute of Science and Technology
Il grafene, un foglio di carbonio di spessore atomico, ha trovato immense applicazioni nei sensori di gas grazie alla sua sensibilità a singola molecola, ai bassi livelli di rumore e all'elevata densità del vettore. Tuttavia, la tanto annunciata sensibilità del grafene significa anche che è intrinsecamente non selettivo per qualsiasi gas. Quindi, ottiene facilmente un enorme p-doping (riduzione della densità elettronica del grafene) quando esposto all'aria atmosferica che limita le dimostrazioni della sua selettività ai soli ambienti inerti come l'aria secca o l'azoto.
Tuttavia, per l'effettiva commercializzazione del grafene in applicazioni come il monitoraggio ambientale o i sensori clinici del respiro/gas cutaneo, è necessaria l'esposizione atmosferica. Ciò ha reso necessario il desiderio di ottenere la passivazione atmosferica simultanea e il rilevamento selettivo del gas ad alta velocità nel grafene. I metodi comuni per indurre la selettività in genere coinvolgono rivestimenti polimerici su grafene. Tuttavia, questo approccio modifica le caratteristiche intrinseche del grafene, pur esponendo sezioni significative del canale del grafene al doping atmosferico.
Per ottenere la passivazione atmosferica simultanea e il rilevamento selettivo del gas nel grafene, un team di ricerca guidato dal dottor Manoharan Muruganathan (Senior Lecturer) e dal professor Hiroshi Mizuta del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) ha sviluppato un nano-poroso attivato- canale di grafene funzionalizzato con carbonio in collaborazione con partner industriali, Mr. Hisashi Maki, Mr. Masashi Hattori, Mr. Kenichi Shimomai.
Il canale del grafene (CVD)-graphene funzionalizzato con carbone attivo (Figura 1) è stato ottenuto tramite la pirolisi di un polimero di resina Novolac post-litografica, affermano i ricercatori Dr. A. Osazuwa Gabriel e Dr. R. Sankar Ganesh. A causa della simile funzione di lavoro tra carbone attivo e grafene, le caratteristiche elettroniche del CVD-grafene vengono mantenute nel sensore, con drogaggio atmosferico trascurabile anche dopo 40 minuti di esposizione atmosferica. Inoltre, l'interfaccia ossidata carbone attivo-grafene definisce i siti di adsorbimento selettivo dell'ammoniaca, determinando una sensibilità all'ammoniaca a temperatura ambiente di parti a una cifra per miliardo (ppb) nell'aria atmosferica con un tempo di risposta di pochi secondi. Di conseguenza, è stata realizzata la funzionalità del setaccio molecolare nell'aria atmosferica.
Utilizzando lo stesso sensore, hanno anche dimostrato una nuova tecnica di identificazione molecolare, il metodo della disparità del punto di neutralità della carica, che utilizza le caratteristiche di trasferimento di carica dipendenti dal campo elettrico dei gas adsorbiti sul canale del grafene. L'estrema selettività dell'ammoniaca, la passivazione atmosferica e la fabbricazione litografica facile e scalabile di questo sensore lo rendono adatto per applicazioni di sensori clinici e ambientali. "Questi risultati portano i sensori di gas al grafene dalle dimostrazioni in ambienti controllati alle applicazioni atmosferiche reali, aprendo una nuova prospettiva nel rilevamento del gas basato sul grafene", afferma il collaboratore di ricerca Masashi Hattori. + Esplora ulteriormente
