I ricercatori del Korea Research Institute of Standards and Science hanno sviluppato un sensore di gas tossici con la sensibilità più alta al mondo. Questo sensore può monitorare con precisione il biossido di azoto (NO2 ), un gas tossico nell'atmosfera, a temperatura ambiente con un basso consumo energetico e una sensibilità elevatissima. Può essere applicato a diversi campi, come il rilevamento di gas residui durante il processo di produzione dei semiconduttori e la ricerca sui catalizzatori di elettrolisi.
NO2 , prodotto dalla combustione ad alta temperatura di combustibili fossili ed emesso principalmente attraverso gli scarichi delle automobili o i fumi delle fabbriche, contribuisce ad aumentare la mortalità dovuta all'inquinamento atmosferico. In Corea del Sud, la concentrazione media annuale di NO2 nell'aria è regolato a 30 ppb o meno dal decreto presidenziale. Sono quindi necessari sensori altamente sensibili per rilevare con precisione gas a concentrazioni estremamente basse.
Negli ultimi tempi, l’uso di gas tossici potenzialmente letali per l’uomo è in aumento a causa dello sviluppo delle industrie ad alta tecnologia, compresa la produzione di semiconduttori. Sebbene alcuni laboratori e fabbriche abbiano adottato sensori a semiconduttore per motivi di sicurezza, la sfida risiede nella loro bassa sensibilità di risposta, che li rende incapaci di rilevare gas tossici che potrebbero essere percepibili anche dal naso umano. Per aumentare la sensibilità, alla fine consumano molta energia perché devono funzionare a temperature elevate.
Il sensore di nuova concezione, un sensore di gas tossici di tipo semiconduttore di nuova generazione basato su materiali avanzati, presenta prestazioni e usabilità significativamente migliorate rispetto ai sensori convenzionali. Grazie alla sua eccezionale sensibilità alle reazioni chimiche, il nuovo sensore è in grado di rilevare NO2 molto più sensibile rispetto ai sensori a semiconduttore precedentemente riportati, una sensibilità che è 60 volte superiore. Inoltre, il nuovo sensore consuma una potenza minima quando funziona a temperatura ambiente e il suo processo di produzione ottimale dei semiconduttori consente la sintesi su vasta area a basse temperature, riducendo così i costi di fabbricazione.
La chiave della tecnologia risiede nel MoS2 materiale nanobranch sviluppato da KRISS. A differenza della struttura piatta 2D convenzionale di MoS2 , questo materiale è sintetizzato in una struttura 3D che ricorda i rami degli alberi, migliorando così la sensibilità. Oltre alla sua forza di sintesi materiale uniforme su una vasta area, può creare una struttura 3D regolando il rapporto di carbonio nella materia prima senza processi aggiuntivi.
Il team di metrologia integrata di KRISS Semiconductor ha dimostrato sperimentalmente che il loro sensore di gas è in grado di rilevare NO2 nell'atmosfera a concentrazioni fino a 5 ppb. Il limite di rilevamento calcolato del sensore è di 1,58 ppt, segnando il livello di sensibilità più alto al mondo.
Questo risultato consente un monitoraggio preciso di NO2 nell'atmosfera con un basso consumo energetico. Il sensore non solo consente di risparmiare tempo e costi, ma offre anche un'eccellente risoluzione. Si prevede che contribuirà alla ricerca sul miglioramento delle condizioni atmosferiche rilevando le concentrazioni medie annuali di NO2 e monitorare i cambiamenti in tempo reale.
Un'altra caratteristica di questa tecnologia è la capacità di regolare il contenuto di carbonio nella materia prima durante la fase di sintesi del materiale, alterandone così le proprietà elettrochimiche. Questo può essere utilizzato per sviluppare sensori in grado di rilevare gas diversi da NO2 , come i gas residui prodotti durante i processi di fabbricazione dei semiconduttori. L'eccellente reattività chimica del materiale può essere sfruttata anche per migliorare le prestazioni dei catalizzatori di elettrolisi per la produzione di idrogeno.
Il dottor Jihun Mun, ricercatore senior del team di metrologia integrata di KRISS Semiconductor, ha dichiarato:"Questa tecnologia, che supera i limiti dei sensori di gas convenzionali, non solo rispetterà le normative governative ma faciliterà anche il monitoraggio preciso delle condizioni atmosferiche domestiche. Continueremo ricerca di follow-up in modo che questa tecnologia possa essere applicata allo sviluppo di vari sensori e catalizzatori di gas tossici, andando oltre il monitoraggio di NO2 nell'atmosfera."
Ulteriori informazioni: Jeongin Song et al, MOCVD di Hierarchical C-MoS2 Nanobranches for ppt-Level NO2 Detection, Piccole strutture (2023). DOI:10.1002/sstr.202200392
Fornito dal Consiglio Nazionale delle Ricerche di Scienza e Tecnologia
