Fujitsu Laboratories anunció hoy el primer desarrollo exitoso del mundo de un sensor de gas exquisitamente sensible basado en un nuevo principio que aprovecha el grafeno. un material en el que los átomos de carbono están dispuestos en una hoja de un átomo de espesor. Este desarrollo allana el camino para instrumentos compactos que pueden medir componentes específicos del gas con velocidad y sensibilidad, para detectar la contaminación atmosférica o realizar pruebas de gases de origen orgánico en el aliento de una persona. Fujitsu Laboratories ha desarrollado un sensor de gas que funciona según un nuevo principio, en el que la parte de la puerta de un transistor de silicio se reemplaza por grafeno. Este sensor puede detectar concentraciones inferiores a decenas de partes por mil millones (ppb) de dióxido de nitrógeno (NO2) y amoníaco (NH3); con dióxido de nitrógeno en particular, la sensibilidad ha mejorado más de diez veces, a menos de 1 ppb. Se espera que esta tecnología permita mediciones en tiempo real de la calidad del aire, lo que puede haber tomado decenas de horas dependiendo del gas que se esté midiendo. También simplificará la detección de componentes de gas en la respiración, que se puede utilizar para descubrir rápidamente enfermedades relacionadas con el estilo de vida.

Los detalles de esta tecnología se presentarán en la Reunión Internacional de Dispositivos Electrónicos IEEE 2016, que abrió el 3 de diciembre en San Francisco.

Fondo

Grafeno una hoja bidimensional de carbono de solo un átomo de espesor, tiene propiedades eléctricas notables mucho más allá de los límites de los circuitos de integración a muy gran escala (VLSI) que utilizan silicio, que está llegando a los límites de la miniaturización. Esto ha llamado la atención como material para dispositivos electrónicos de próxima generación. Fujitsu Laboratories está desarrollando ultrarrápidos, transistores de baja potencia y dispositivos revolucionarios que utilizan grafeno, y también está desarrollando dispositivos funcionales como sensores de alta sensibilidad que utilizan grafeno.

Los sensores de gas se han propuesto como un tipo de dispositivo funcional que se puede fabricar con grafeno. La esperanza es que permita sensores que puedan medir ciertos componentes de gas con alta sensibilidad (en una escala de ppb) para detectar la contaminación del aire o los gases contenidos en el aliento humano. Si bien es posible realizar mediciones extremadamente sensibles utilizando equipos especializados, como cromatógrafos de gases, este equipo es grande y las medidas toman tiempo. Hay sensores de gas semiconductores que son compactos y funcionan en tiempo real, pero estos generalmente operan a una sensibilidad del orden de partes por millón, por lo que su rendimiento no es suficiente para detectar ciertos componentes gaseosos. Ha habido propuestas de sensores que usan grafeno que funcionarían detectando el cambio en la resistencia a través del grafeno al que se adhiere un gas. pero la resistencia solo varía en varios por ciento en presencia de concentraciones de gases de 1 parte por millón (ppm), que no alcanza el nivel necesario para el uso en el mundo real.

Sobre la tecnología

Fujitsu Laboratories ha desarrollado ahora un sensor de gas basado en un nuevo principio. En tal sensor, una hoja de grafeno con una sola capa de átomos reemplaza la puerta de un transistor de silicio convencional (Figura 2). Cuando una molécula de gas se adhiere al grafeno, la función de trabajo del grafeno cambia, y el resultado es que hay un cambio importante en las características de conmutación del transistor de silicio. Es este principio el que permite detectar un gas. Cuando la molécula de gas se separa del grafeno, el grafeno vuelve a su estado original.

Se ha creado un sensor basado en este principio que mide unas pocas decenas de ppb de amoníaco y menos de 1 ppb de NO2 en un entorno de nitrógeno. Entre los gases que se espera encontrar en los análisis del aire o el aliento humano, los resultados de las pruebas han demostrado que reacciona solo al NO2 y al NH3, lo que significa que solo puede detectar gases específicos (Figura 3).

La sensibilidad de esta tecnología al NO2 es un orden de magnitud mayor que la de los sensores de grafeno convencionales basados ​​en resistividad. a menos de 1 ppb, y los sensores electroquímicos disponibles comercialmente, que tienen una sensibilidad de más de decenas de ppb.

Resultados

Este sensor es compacto, con un área de detección de solo unos pocos cientos de micrómetros, pero podría hacerse aún más pequeño (menos de un micrómetro). La sensibilidad es mayor que las tecnologías existentes, y debido a que su mecanismo no depende de reacciones químicas, el sensor vuelve a su estado original mediante métodos como la aplicación de calor al dispositivo. Este sensor podría usarse en un dispositivo compacto que podría medir NO2 en cualquier lugar, en tiempo real, en el nivel de sensibilidad de referencia ambiental de 40-60 ppb, que es un índice de contaminación del aire.

Fujitsu Laboratories ha probado la validez del principio detrás del sensor de puerta de grafeno, y tiene como objetivo ponerlo en práctica como sensor ambiental después de verificar sus características y estudiar su durabilidad. La compañía también planea encontrar formas de detectar gases distintos del dióxido de nitrógeno y el amoníaco combinando grafeno con otras moléculas. Es más, al combinar este sensor con un sensor anunciado en abril de 2016 que puede medir el amoníaco con un alto grado de sensibilidad, Fujitsu Laboratories planea desarrollar un sensor portátil y de alta sensibilidad que pueda usarse tan convenientemente como un termómetro para medir gases en el aliento humano para la detección temprana de enfermedades relacionadas con el estilo de vida.