sensore a base di grafene

Molecole di gas individuali rilevate dal grafene

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Il Grafene continua a stupire grazie alle sue eccezionali proprietà elettriche a basso rumore che lo rendono particolarmente indicato in applicazioni sensoristiche dove una variazione di corrente è associata ad una variazione di concentrazione delle molecole di gas. Questo è stato dimostrato recentemente  da M. I. Katsnelson & K. S. Novoselov e pubblicato sulla rivista Nature Materials.

Nella ricerca sui sensori, uno dei traguardi necessari è quello di raggiungere un elevato livello di sensibilità, che nel caso dei sensori chimici risulta essere la capacità di poter rilevare la presenza della singola molecola. Fino ad oggi, i sensori più altamente tecnologici sono stati realizzati a stato solido, ma non sono in grado di raggiungere tale traguardo, nonostante l’elevata sensibilità raggiunta.  Questo limite è probabilmente attribuito a fluttuazioni termiche e alla presenza di difetti all’interno del semiconduttore.

 Recentemente è stato dimostrato che l’uso del grafene può dar luogo alla realizzazione di sensori di dimensioni micrometriche, in grado di rilevare eventi individuali quantizzati quando una molecola viene assorbita o desorbita dalla superficie del grafene.

Durante la fase di assorbimento e desorbimento, localmente avviene una modifica della corrente elettrica che darà luogo ad una variazione di resistenza.

Nella figura è mostrato il cambio in resistività in seguito ad un cambio di assorbimento e desorbimento di una molecola individuale di NO2. Le molecole vengono fortemente diluite tale da avere un valore di resistività quasi costante per diversi minuti.

Riferimento dell’ immagine: https://doi.org/10.1038/nmat1967

In questo regime, la variazione della resistività indotta dalle molecole non avviene più linearmente, ma in step, cioè in modo quantizzato.
 
 Inoltre se si blocca il passaggio di gas e di inizia la fase di desorbimento si ottiene un comportamento simile, cioè quantizzato (curva rossa in figura), ma con una pendenza opposta rispetto all’assorbimento (curva blu in figura).

L’andamento mostrato da questi esperimenti, suggerisce l’assorbimento e il desorbimento quantizzato di una singola molecola di NO2. Il passo verso un processo di realizzazione di un dispositivo elettronico è quello di capire statisticamente la ripetibilità di questo risultato. Diversi esperimenti sono stati eseguiti assorbendo e desorbendo gas di molecole su un tempo di 100 ore. Inoltre questo esperimento è stato ripetuto con altre molecole, per esempio l’NH3 mostrando un comportamento simile.

 

Maggiori informazioni: M. I. Katsnelson & K. S. Novoselov, Detection of Individual Gas Molecules Adsorbed on Graphene, Nature Materials 6, 652 (2007).  https://doi.org/10.1038/nmat1967

Rivista: Nature Materials

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