Investigadores del Instituto de Investigación de Estándares y Ciencias de Corea desarrollaron un sensor de gases tóxicos con la mayor sensibilidad del mundo. Este sensor puede monitorear con precisión el dióxido de nitrógeno (NO2 ), un gas tóxico en la atmósfera, a temperatura ambiente con bajo consumo de energía y sensibilidad ultra alta. Puede aplicarse a diversos campos, como la detección de gases residuales durante el proceso de fabricación de semiconductores y la investigación sobre catalizadores de electrólisis.
NO2 , producido por la combustión a alta temperatura de combustibles fósiles y emitido principalmente a través de los gases de escape de los automóviles o el humo de las fábricas, contribuye a un aumento de la mortalidad debido a la contaminación del aire. En Corea del Sur, la concentración media anual de NO2 en el aire está regulado en 30 ppb o menos por decreto presidencial. Por lo tanto, se requieren sensores altamente sensibles para detectar con precisión gases en concentraciones extremadamente bajas.
En los últimos tiempos, el uso de gases tóxicos que son potencialmente mortales para los seres humanos ha ido en aumento debido al desarrollo de industrias de alta tecnología, incluida la fabricación de semiconductores. Si bien algunos laboratorios y fábricas han adoptado sensores de tipo semiconductor por motivos de seguridad, el desafío radica en su baja sensibilidad de respuesta, lo que los hace incapaces de detectar gases tóxicos que incluso pueden ser perceptibles para el olfato humano. Para aumentar la sensibilidad, al final consumen mucha energía porque deben funcionar a altas temperaturas.
El sensor recientemente desarrollado, un sensor de gases tóxicos de tipo semiconductor de próxima generación basado en materiales avanzados, presenta un rendimiento y una usabilidad significativamente mejorados en comparación con los sensores convencionales. Con su extraordinaria sensibilidad a las reacciones químicas, el nuevo sensor puede detectar NO2 mucho más sensible que los sensores de tipo semiconductor previamente informados, una sensibilidad que es 60 veces mayor. Además, el novedoso sensor consume una energía mínima al funcionar a temperatura ambiente y su proceso óptimo de fabricación de semiconductores permite la síntesis de áreas grandes a bajas temperaturas, lo que reduce los costos de fabricación.
La clave de esta tecnología está en el MoS2 Material de nanobranquias desarrollado por KRISS. A diferencia de la estructura plana 2D convencional de MoS2 , este material se sintetiza en una estructura 3D que se asemeja a las ramas de los árboles, mejorando así la sensibilidad. Además de su fuerza de síntesis uniforme de material en un área grande, puede crear una estructura 3D ajustando la proporción de carbono en la materia prima sin procesos adicionales.
El equipo de metrología integrada de KRISS Semiconductor ha demostrado experimentalmente que su sensor de gas puede detectar NO2 en la atmósfera en concentraciones tan bajas como 5 ppb. El límite de detección calculado del sensor es de 1,58 ppt, lo que marca el nivel de sensibilidad más alto del mundo.
Este logro permite un seguimiento preciso del NO2 en la atmósfera con bajo consumo de energía. El sensor no sólo ahorra tiempo y costes sino que también ofrece una resolución excelente. Se espera contribuir a la investigación sobre la mejora de las condiciones atmosféricas mediante la detección de concentraciones medias anuales de NO2 y monitorear los cambios en tiempo real.
Otra característica de esta tecnología es su capacidad para ajustar el contenido de carbono en la materia prima durante la etapa de síntesis del material, alterando así las propiedades electroquímicas. Esto se puede utilizar para desarrollar sensores capaces de detectar gases distintos del NO2. , como los gases residuales producidos durante los procesos de fabricación de semiconductores. La excelente reactividad química del material también se puede aprovechar para mejorar el rendimiento de los catalizadores de electrólisis para la producción de hidrógeno.
El Dr. Jihun Mun, investigador principal del Equipo de Metrología Integrada de Semiconductores de KRISS, dijo:"Esta tecnología, que supera las limitaciones de los sensores de gas convencionales, no sólo cumplirá con las regulaciones gubernamentales sino que también facilitará el monitoreo preciso de las condiciones atmosféricas domésticas. Continuaremos realizar un seguimiento de la investigación para que esta tecnología pueda aplicarse al desarrollo de diversos sensores y catalizadores de gases tóxicos, yendo más allá de la monitorización de NO2 en la atmósfera."
Más información: Jeongin Song et al, MOCVD de nanoramas jerárquicas de C-MoS2 para la detección de NO2 a nivel ppt, Estructuras pequeñas (2023). DOI:10.1002/sstr.202200392
Proporcionado por el Consejo Nacional de Investigación de Ciencia y Tecnología
