Detta är ett schema över en ångsensor tillverkad av ett enda monolager av MoS2. MoS2-kanalens ledningsförmåga förändras när specifika typer av ångmolekyler kortvarigt interagerar med ytan. Molekyler av trietylamin visas som en kemikalie som är associerad med nervgasämnen i V-serien. Kredit:U.S. Naval Research Laboratory
(Phys.org) – Forskare vid Naval Research Laboratory har utvecklat en ångsensor baserad på nya monolagermaterial som visar stor potential för framtida elektroniska enheter i nanoskala.
NRL-forskare har tillverkat denna sensor med ett enda monolager av molybdendisulfid (MoS 2 ) på en kiseldioxidskiva. De visar att den fungerar effektivt som en kemisk ångsensor, uppvisar mycket selektiv reaktivitet mot en rad analyter, och tillhandahållande av känslig transduktion av transienta ytfysisorptionshändelser till konduktansen hos monolagerkanalen. Det höga förhållandet mellan yta och volym hos sådana nya tvådimensionella material är en betydande tillgång för ångsensortillämpningar – dessa material måste uppvisa ett snabbt och selektivt svar på en rad analyter (bestäms av karaktären hos ytatomära platser), känslig omvandling av störningen till kanalens elektriska motstånd, och snabb återhämtning vid avlägsnande av ångan. En fullständig rapport om detta arbete publiceras i tidskriften Nanobokstäver .
Mycket arbete har tidigare gjorts med att utveckla kolnanorör som sensorer. Kolnanorören är mycket lyhörda, men inte så selektiva som de behöver vara om de inte är kemiskt funktionaliserade, vilket lägger till komplexitet och kostnad för tillverkningsprocessen. Forskare har också tittat på grafen, ett enda lager kolatomer i ett bikakegitter, som ångsensor. Dock, grafen visar ett relativt svagt svar på de olika analyterna och är inte särskilt selektivt. Den reagerar också på vattenånga, vilket gör den mindre önskvärd som sensor, eftersom vattenånga finns överallt. NRL:s Dr Berry Jonker noterar, "Du vet inte om det känner av vattenånga eller nervgas. Ska jag springa för att luftfuktigheten är hög, eller för att det har släppts sarin?" The MoS 2 sensorer utvecklade på NRL erbjuder utmärkt potential eftersom de är både mycket lyhörda och mycket selektiva.
NRL-forskargruppen testade deras tvådimensionella MoS 2 sensorer genom att utsätta dem för en mängd olika analytångor inklusive vanliga industriella kemikalier och lösningsmedel, såväl som biprodukter, simulanter eller prekursorer för sprängämnen och nervämnen. Deras mål var att se hur exponering för dessa analyter påverkade sensorns förmåga att leda elektrisk laddning. De upptäckte att närvaron av några specifika analyter avsevärt förändrade ledningsförmågan hos MoS 2 kanal. Interaktionen är övergående, Dr Jonker förklarar - molekylen fastnar inte permanent på ytan, men kortvarigt vistas eller interagerar med ytan för att ändra konduktiviteten hos kanalen, som illustreras i figuren. Ämnet är mycket svagt bundet genom en process som kallas fysisorption. När koncentrationen i luften förändras, så gör mängden på ytan, och konduktiviteten ändras därefter. Detta kan vara till hjälp för att hitta källan till en ånga.
Särskilt, MoS 2 sensorn är känslig för trietylamin (TEA), en kemikalie associerad med nervgaserna i V-serien. Men den NRL-utvecklade sensorn reagerar inte på en massa vanliga icke-skadliga kemikalier som annars skulle ge en hel del falsklarm.
NRL-forskargruppen har också noterat att polariteten hos monoskiktet MoS 2 sensorns svar är vanligtvis motsatt det för en kolnanorörssensor. De presenterar en modell för analyt/sensorinteraktion där analyten fungerar antingen som elektrondonator eller acceptor, producerar en temporär laddningsstörning av sensormaterialet. Så om de två typerna av sensorer användes i kombination, då kan konfidensnivån för avläsningen ökas avsevärt. Säkerhetsofficerare eller krigskämpar som använder en sensor som kombinerade de två (kolnanorör och MoS 2 ) skulle kunna arbeta med ökat förtroende för att sensorn verkligen detekterar en given analyt som TEA, snarare än något annat.
Andra 2D enskiktsmaterial (MoSe 2 , TaS 2 , WSe 2 , NbSe 2 , MgB 2 , BN, etc) kommer sannolikt att erbjuda komplementära känsligheter på grund av olika kemisk sammansättning och bindning. NRL-forskarteamet tänker sig utveckling av sviter av dessa 2D-materialsensorer och kolnanorör med kompletterande ansvarsområden, integrerad med transistorförstärkare tillverkade av samma material, möjliggör entydig identifiering av ett brett spektrum av analyter i ett mycket kompakt och lågeffektpaket.
