Fujitsu Laboratories meddelade idag världens första framgångsrika utveckling av en utsökt känslig gassensor baserad på en ny princip som drar nytta av grafen, ett material i vilket kolatomer är anordnade i ett ark med en atomtjocklek. Denna utveckling banar väg för kompakta instrument som kan mäta specifika gaskomponenter med hastighet och känslighet, för att upptäcka luftföroreningar eller testa för organiskt härledda gaser i en persons andedräkt. Fujitsu Laboratories har utvecklat en gassensor som fungerar på en ny princip, i vilken portdelen av en kiseltransistor ersätts av grafen. Denna sensor kan detektera koncentrationer som är lägre än tiotals delar per miljard (ppb) kvävedioxid (NO2) och ammoniak (NH3); särskilt med kvävedioxid, känsligheten har förbättrats mer än tiofaldigt, till mindre än 1 ppb. Denna teknik förväntas möjliggöra realtidsmätningar av luftkvalitet, som kan ha tagit tiotals timmar beroende på vilken gas som mäts. Det kommer också att förenkla detektering av gaskomponenter i andningen, som kan användas för att snabbt upptäcka livsstilssjukdomar.

Detaljer om denna teknik ska presenteras vid IEEE International Electron Devices Meeting 2016, som öppnade den 3 december i San Francisco.

Bakgrund

Grafen, ett tvådimensionellt kolark bara en atom tjockt, har anmärkningsvärda elektriska egenskaper långt bortom gränserna för mycket storskalig integration (VLSI) kretsar med kisel, som når gränserna för miniatyrisering. Detta har fått uppmärksamhet som material för nästa generations elektroniska enheter. Fujitsu Laboratories utvecklar supersnabbt, lågeffekttransistorer och revolutionerande enheter som använder grafen, och utvecklar också funktionella enheter som högkänsliga sensorer som använder grafen.

Gassensorer har föreslagits som en typ av funktionell enhet som kan tillverkas med hjälp av grafen. Förhoppningen är att det kommer att möjliggöra sensorer som kan mäta vissa gaskomponenter med hög känslighet (på en ppb -skala) för att detektera luftföroreningar eller gaser som finns i mänskligt andetag. Även om det är möjligt att utföra extremt känsliga mätningar med hjälp av specialutrustning, såsom gaskromatografer, denna utrustning är stor och mätningarna tar tid. Det finns halvledargassensorer som är kompakta och fungerar i realtid, men dessa fungerar i allmänhet med en känslighet i storleksordningen delar per miljon, så deras prestanda är inte tillräcklig för att detektera vissa gaskomponenter. Det har funnits förslag på sensorer som använder grafen som skulle fungera genom att detektera förändringen i motstånd över grafen som en gas vidhäftar till, men motståndet varierar bara med flera procent i närvaro av 1-delar per miljon (ppm) koncentrationer av gaser, som inte når den nivå som behövs för verklig användning.

Om tekniken

Fujitsu Laboratories har nu utvecklat en gassensor baserad på en ny princip. I en sådan sensor, ett grafenark med bara ett enda lager av atomer ersätter portdelen av en konventionell kiseltransistor (figur 2). När en gasmolekyl ansluter sig till grafen, grafenens arbetsfunktion ändras, och resultatet är att det sker en stor förändring i omkopplingsegenskaperna hos kiseltransistorn. Det är denna princip som gör det möjligt att detektera en gas. När gasmolekylen separerar från grafen, grafen återgår till sitt ursprungliga tillstånd.

En sensor baserad på denna princip har skapats som mäter några tiotals ppb ammoniak och mindre än 1 ppb NO2 i en kvävemiljö. Bland de gaser som förväntas finnas i analyser av luften eller människans andetag, resultaten av tester har visat att det endast reagerar på NO2 och NH3, vilket innebär att den endast kan detektera specifika gaser (figur 3).

Denna teknik känslighet för NO2 är en storleksordning större än konventionella resistivitetsbaserade grafensensorer, på mindre än 1 ppb, och de kommersiellt tillgängliga elektrokemiska sensorerna, som har känslighet över tiotals ppb.

Resultat

Denna sensor är kompakt, med ett detekteringsområde på bara några hundra mikrometer, men kan göras ännu mindre (mindre än en mikrometer). Känsligheten är större än befintlig teknik, och eftersom dess mekanism inte är beroende av kemiska reaktioner, sensorn återgår till sitt ursprungliga tillstånd genom metoder såsom applicering av värme på enheten. Denna sensor kan användas i en kompakt enhet som kan mäta NO2 var som helst, i realtid, på miljömärkningsnivån för känslighet på 40-60 ppb, som är ett index för luftföroreningar.

Fujitsu Laboratories har testat giltigheten av principen bakom grafenportsensorn, och syftar till att använda den som en miljösensor i praktiken efter att ha kontrollerat dess egenskaper och studerat dess hållbarhet. Företaget planerar också att hitta sätt att upptäcka andra gaser än kvävedioxid och ammoniak genom att kombinera grafen med andra molekyler. Vidare, genom att kombinera denna sensor med en sensor som meddelades i april 2016 som kan mäta ammoniak med hög känslighet, Fujitsu Laboratories planerar att utveckla en mycket känslig och bärbar sensor som kan användas lika bekvämt som en termometer för att mäta gaser i mänskligt andetag för tidig upptäckt av livsstilssjukdomar.