De relatief recente ontdekking van grafeen, een tweedimensionaal gelaagd materiaal met ongewone en aantrekkelijke elektronische, optische en thermische eigenschappen, leidde ertoe dat wetenschappers op zoek gingen naar andere atomair dunne materialen met unieke eigenschappen.

Molybdeendisulfide (MoS ₂ ) is een van de meest veelbelovende gebleken. Er zijn enkellaags en enkellaags molybdeendisulfide-apparaten voorgesteld voor elektronische, opto-elektronische en energietoepassingen. Een team van onderzoekers, geleid door ingenieurs aan de Universiteit van Californië, Riverside's Bourns College of Engineering, hebben een andere mogelijke toepassing ontwikkeld:sensoren.

"De sensoren zijn nu overal, ook in smartphones en andere draagbare elektronische apparaten, " zei Alexander Balandin, UC Presidential Chair en professor in elektrische en computertechniek aan UC Riverside, wie is de hoofdauteur van het artikel. "De sensoren die we hebben ontwikkeld zijn klein, dun, zeer gevoelig en selectief, waardoor ze potentieel ideaal zijn voor veel toepassingen."

Balandin en de afgestudeerde studenten in zijn laboratorium bouwden de atomair dunne gas- en chemische dampsensoren van molybdeendisulfide en testten ze in samenwerking met onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, N.Y. De apparaten hebben tweedimensionale kanalen, die geweldig zijn voor sensortoepassingen vanwege de hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding en de breed afstembare concentratie van elektronen.

De onderzoekers toonden aan dat de sensoren, die ze molybdeendisulfide dunne-film veldeffecttransistoren (TF-FET) noemen, kan selectief ethanol detecteren, acetonitril, tolueen, chloroform- en methanoldampen.

De bevindingen zijn gepubliceerd in een recent artikel, "Selectieve chemische dampdetectie met MoS2-dunne-filmtransistors met weinig lagen:vergelijking met grafeenapparaten, " in het journaal Technische Natuurkunde Brieven . Naast Balandin, co-auteurs waren Rameez Samnakay en Chenglong Jiang, zowel Ph.D. studenten in het lab van Balandin, en Michael Shur en Sergey Rumyantsev, beide van het Rensselaer Polytechnisch Instituut.

De selectieve detectie vereiste geen voorafgaande functionalisering van het oppervlak tot specifieke dampen. De tests werden uitgevoerd met de als gefabriceerde apparaten en opzettelijk verouderde apparaten. De molybdeendisulfidesensoren die in het onderzoek werden gebruikt, waren twee maanden verouderd omdat praktische toepassingen vereisen dat sensoren minstens een maand stabiel en operationeel blijven.

Sensoren gemaakt met atomair dunne lagen MoS2 onthulden een betere selectiviteit voor bepaalde gassen dankzij de bandafstand van de elektronenenergie in dit materiaal, wat resulteerde in een sterke onderdrukking van elektrische stroom bij blootstelling aan sommige gassen. grafeen apparaten, van de andere kant, aangetoonde selectiviteit wanneer men stroomfluctuaties als meetparameter gebruikte.

"Sensoren geïmplementeerd met atomair dunne MoS2-lagen zijn complementair aan grafeenapparaten, wat goed nieuws is, " zei Balandin. "Grafeen heeft een zeer hoge elektronenmobiliteit, terwijl MoS2 de energiebandkloof heeft."

Het unieke van de door UC Riverside gebouwde atomair dunne gassensoren - zowel grafeen als MoS2 - zit in het gebruik van de laagfrequente stroomfluctuaties als extra detectiesignaal. Conventioneel gebruiken dergelijke chemische sensoren alleen de verandering in de elektrische stroom door het apparaat of een verandering in de weerstand van het actieve kanaal van het apparaat.

In een apart blad, dezelfde onderzoekers demonstreerden werking bij hoge temperatuur van de molybdeendisulfide atomair dunne-filmtransistoren. Het werk werd beschreven in een paper, Prestaties bij hoge temperaturen van MoS2-dunne-filmtransistors:gelijkstroom- en pulsstroom-spanningskarakteristieken, " dat zojuist is gepubliceerd in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde .

Veel elektronische componenten voor besturingssystemen en sensoren moeten werken bij temperaturen boven 200 graden Celsius. Voorbeelden van toepassingen bij hoge temperaturen zijn onder meer de regeling van turbinemotoren in de lucht- en ruimtevaart en energieopwekking en olieveldinstrumenten.

De beschikbaarheid van transistors en circuits om te werken bij temperaturen boven 200 graden Celsius is beperkt. Apparaten gemaakt van siliciumcarbide en galliumnitride - conventionele halfgeleiders - zijn veelbelovend voor langdurig gebruik bij hoge temperaturen, maar zijn nog steeds niet kosteneffectief voor toepassingen met een hoog volume. Er is behoefte aan nieuwe materiaalsystemen die kunnen worden gebruikt om veldeffecttransistorssensoren te maken die bij hoge temperaturen werken.