Fujitsu Laboratories heeft vandaag de eerste succesvolle ontwikkeling ter wereld aangekondigd van een uiterst gevoelige gassensor op basis van een nieuw principe dat gebruikmaakt van grafeen, een materiaal waarin koolstofatomen zijn gerangschikt in een vel van één atoom dik. Deze ontwikkeling maakt de weg vrij voor compacte instrumenten die met snelheid en gevoeligheid specifieke gascomponenten kunnen meten, voor het detecteren van luchtverontreiniging of het testen op organisch afgeleide gassen in de adem van een persoon. Fujitsu Laboratories heeft een gassensor ontwikkeld die werkt volgens een nieuw principe, waarbij het poortgedeelte van een siliciumtransistor is vervangen door grafeen. Deze sensor kan concentraties van minder dan tientallen delen per miljard (ppb) stikstofdioxide (NO2) en ammoniak (NH3) detecteren; met stikstofdioxide in het bijzonder, gevoeligheid is meer dan vertienvoudigd, tot minder dan 1 ppb. Deze technologie zal naar verwachting realtime metingen van de luchtkwaliteit mogelijk maken, die tientallen uren kan hebben geduurd, afhankelijk van het gas dat wordt gemeten. Het vereenvoudigt ook de detectie van gascomponenten in de adem, waarmee snel leefstijlziekten kunnen worden ontdekt.

Details van deze technologie zullen worden gepresenteerd op de 2016 IEEE International Electron Devices Meeting, die op 3 december in San Francisco opende.

Achtergrond

grafeen, een tweedimensionale laag koolstof van slechts één atoom dik, heeft opmerkelijke elektrische eigenschappen die ver buiten de grenzen van VLSI-schakelingen (zeer grootschalige integratie) met silicium liggen, die de grenzen van de miniaturisering bereikt. Dit heeft de aandacht getrokken als materiaal voor elektronische apparaten van de volgende generatie. Fujitsu Laboratories ontwikkelt ultrasnelle, laagvermogentransistors en revolutionaire apparaten die grafeen gebruiken, en ontwikkelt ook functionele apparaten zoals hooggevoelige sensoren die grafeen gebruiken.

Gassensoren zijn voorgesteld als een soort functioneel apparaat dat kan worden gemaakt met behulp van grafeen. De hoop is dat het sensoren mogelijk zal maken die bepaalde gascomponenten met een hoge gevoeligheid (op een ppb-schaal) kunnen meten voor het detecteren van luchtvervuiling of gassen in de menselijke adem. Hoewel het mogelijk is om uiterst gevoelige metingen uit te voeren met behulp van gespecialiseerde apparatuur, zoals gaschromatografen, deze apparatuur is groot en de metingen kosten tijd. Er zijn halfgeleidergassensoren die compact zijn en in realtime werken, maar deze werken over het algemeen met een gevoeligheid in de orde van grootte van delen per miljoen, dus hun prestaties zijn niet voldoende om bepaalde gascomponenten te detecteren. Er zijn voorstellen gedaan voor sensoren die grafeen gebruiken die zouden werken door de verandering in weerstand te detecteren over het grafeen waaraan een gas hecht, maar de weerstand varieert slechts met enkele procenten in de aanwezigheid van gasconcentraties van 1 deel per miljoen (ppm), die niet het niveau bereikt dat nodig is voor gebruik in de echte wereld.

Over de technologie

Fujitsu Laboratories heeft nu een gassensor ontwikkeld op basis van een nieuw principe. Bij zo'n sensor een grafeenvel met slechts een enkele laag atomen vervangt het poortgedeelte van een conventionele siliciumtransistor (Figuur 2). Wanneer een gasmolecuul aan het grafeen hecht, de werkfunctie van het grafeen verandert, en het resultaat is dat er een grote verandering is in de schakelkarakteristieken van de siliciumtransistor. Door dit principe kan een gas worden gedetecteerd. Wanneer het gasmolecuul scheidt van het grafeen, het grafeen keert terug naar zijn oorspronkelijke staat.

Op basis van dit principe is een sensor gemaakt die in een stikstofomgeving enkele tientallen ppb ammoniak en minder dan 1 ppb NO2 meet. Van de gassen die naar verwachting zullen worden aangetroffen in analyses van de lucht of de menselijke adem, de resultaten van tests hebben aangetoond dat het alleen reageert op NO2 en NH3, wat betekent dat het alleen specifieke gassen kan detecteren (Figuur 3).

De gevoeligheid van deze technologie voor NO2 is een orde van grootte groter dan die van conventionele op weerstand gebaseerde grafeensensoren, bij minder dan 1 ppb, en de in de handel verkrijgbare elektrochemische sensoren, die een gevoeligheid hebben van meer dan tientallen ppb.

Resultaten

Deze sensor is compact, met een detectiegebied van slechts enkele honderden micrometers, maar kan nog kleiner worden gemaakt (minder dan een micrometer). Gevoeligheid is groter dan bestaande technologieën, en omdat het mechanisme niet afhankelijk is van chemische reacties, de sensor keert terug naar zijn oorspronkelijke staat door methoden zoals het toepassen van warmte op het apparaat. Deze sensor zou kunnen worden gebruikt in een compact apparaat dat overal NO2 kan meten, live, op het milieubenchmarkniveau van gevoeligheid van 40-60 ppb, dat is een index van luchtvervuiling.

Fujitsu Laboratories heeft de geldigheid van het principe achter de grafeenpoortsensor getest, en heeft tot doel het in de praktijk te gebruiken als een omgevingssensor na het verifiëren van de kenmerken en het bestuderen van de duurzaamheid. Het bedrijf is ook van plan om manieren te vinden om andere gassen dan stikstofdioxide en ammoniak te detecteren door grafeen te combineren met andere moleculen. Verder, door deze sensor te combineren met een in april 2016 aangekondigde sensor die ammoniak met een hoge mate van gevoeligheid kan meten, Fujitsu Laboratories is van plan een zeer gevoelige en draagbare sensor te ontwikkelen die net zo gemakkelijk kan worden gebruikt als een thermometer om gassen in de menselijke adem te meten voor vroege detectie van levensstijlziekten.