(Phys.org) — Wetenschappers van het Naval Research Laboratory hebben een dampsensor ontwikkeld op basis van nieuwe monolaagmaterialen die een groot potentieel bieden voor toekomstige elektronische apparaten op nanoschaal.

NRL-wetenschappers hebben deze sensor gefabriceerd met behulp van een enkele monolaag van molybdeendisulfide (MoS ₂ ) op een siliciumdioxidewafel. Ze laten zien dat het effectief functioneert als een chemische dampsensor, vertonen een zeer selectieve reactiviteit op een reeks analyten, en het verschaffen van gevoelige transductie van tijdelijke oppervlaktefysisorptiegebeurtenissen naar de conductantie van het monolaagkanaal. De hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding van dergelijke nieuwe tweedimensionale materialen is een belangrijke troef voor toepassingen met dampsensoren - deze materialen moeten een snelle en selectieve respons vertonen op een reeks analyten (bepaald door het karakter van atomaire locaties aan het oppervlak), gevoelige transductie van de verstoring naar de elektrische weerstand van het kanaal, en snel herstel na verwijdering van de damp. Een volledig verslag van dit werk is gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

Er is al veel werk verzet bij de ontwikkeling van koolstofnanobuisjes als sensoren. De koolstof nanobuisjes zijn zeer responsief, maar niet zo selectief als ze zouden moeten zijn, tenzij ze chemisch gefunctionaliseerd zijn, wat complexiteit en kosten toevoegt aan het fabricageproces. Onderzoekers hebben ook gekeken naar grafeen, een enkele laag koolstofatomen in een honingraatrooster, als dampsensor. Echter, grafeen reageert relatief zwak op de verschillende analyten en is niet erg selectief. Het reageert ook op waterdamp, waardoor het minder wenselijk is als sensor, omdat waterdamp overal te vinden is. Dr. Berry Jonker van NRL merkt op:"Je weet niet of het waterdamp of zenuwgas waarneemt. Moet ik rennen omdat de luchtvochtigheid hoog is, of omdat er een release van sarin is geweest?" De MoS ₂ sensoren die bij het NRL zijn ontwikkeld, bieden uitstekende mogelijkheden omdat ze zowel zeer responsief als zeer selectief zijn.

Het NRL-onderzoeksteam testte hun tweedimensionale MoS ₂ sensoren door ze bloot te stellen aan een verscheidenheid aan analytdampen, waaronder gewone industriële chemicaliën en oplosmiddelen, evenals bijproducten, simulanten of voorlopers van explosieven en zenuwgassen. Hun doel was om te zien hoe blootstelling aan deze analyten het vermogen van de sensor om elektrische lading te geleiden beïnvloedde. Ze ontdekten dat de aanwezigheid van een paar specifieke analyten de geleidbaarheid van de MoS . aanzienlijk veranderde ₂ kanaal. De interactie is van voorbijgaande aard, Dr. Jonker legt uit:het molecuul plakt niet permanent aan het oppervlak, maar kort verblijft of interageert met het oppervlak om de geleidbaarheid van het kanaal te veranderen, zoals geïllustreerd in de afbeelding. De stof is zeer zwak gebonden door een proces dat fysisorptie wordt genoemd. Naarmate de concentratie in de lucht verandert, dat geldt ook voor de hoeveelheid op het oppervlak, en de geleidbaarheid verandert dienovereenkomstig. Dit kan handig zijn bij het lokaliseren van de bron van een damp.

Vooral, de MoS ₂ sensor is gevoelig voor triethylamine (TEA), een chemische stof geassocieerd met de V-serie zenuwgas agenten. Maar de door NRL ontwikkelde sensor reageert niet op veel voorkomende niet-schadelijke chemicaliën die anders veel valse alarmen zouden geven.

Het NRL-onderzoeksteam heeft ook opgemerkt dat de polariteit van de monolaag MoS ₂ de reactie van de sensor is typisch tegengesteld aan die van een koolstofnanobuissensor. Ze presenteren een model voor interactie tussen analyt en sensor waarbij de analyt dient als elektronendonor of -acceptor, het veroorzaken van een tijdelijke ladingsverstoring van het sensormateriaal. Dus als de twee soorten sensoren in combinatie werden gebruikt, dan kan het betrouwbaarheidsniveau van de meting aanzienlijk worden verhoogd. Veiligheidsbeambten of strijders die een sensor gebruiken die de twee combineert (koolstofnanobuisjes en MoS ₂ ) zou kunnen werken met een groter vertrouwen dat de sensor een bepaalde analyt zoals TEA echt detecteert, in plaats van iets anders.

Andere 2D-monolaagmaterialen (MoSe ₂ , TaS ₂ , WSe ₂ , NbSe ₂ , MgB ₂ , BN, enz.) zullen waarschijnlijk complementaire gevoeligheden bieden vanwege de verschillende chemische samenstelling en binding. Het NRL-onderzoeksteam voorziet de ontwikkeling van suites van deze 2D-materiaalsensoren en koolstofnanobuisjes met complementaire verantwoordelijkheden, geïntegreerd met transistorversterkers vervaardigd uit dezelfde materialen, waardoor ondubbelzinnige identificatie van een breed scala aan analyten mogelijk is in een zeer compact en energiezuinig pakket.