Forskare vid Korea Research Institute of Standards and Science utvecklade en giftig gassensor med världens högsta känslighet. Denna sensor kan exakt övervaka kvävedioxid (NO2). ), en giftig gas i atmosfären, vid rumstemperatur med låg strömförbrukning och ultrahög känslighet. Det kan tillämpas på olika områden, såsom detektion av restgaser under halvledartillverkningsprocessen och forskning om elektrolyskatalysatorer.
NEJ2 , som produceras genom högtemperaturförbränning av fossila bränslen och främst släpps ut genom bilavgaser eller fabriksrök, bidrar till en ökning av dödligheten på grund av luftföroreningar. I Sydkorea är den årliga genomsnittliga koncentrationen av NO2 i luften regleras till 30 ppb eller lägre genom presidentdekret. Mycket känsliga sensorer krävs därför för att exakt detektera gaser vid extremt låga koncentrationer.
På senare tid har användningen av giftiga gaser som är potentiellt dödliga för människor ökat på grund av utvecklingen av högteknologiska industrier, inklusive halvledartillverkning. Medan vissa laboratorier och fabriker har antagit sensorer av halvledartyp för säkerheten, ligger utmaningen i deras låga responskänslighet, vilket gör dem oförmögna att upptäcka giftiga gaser som till och med kan vara märkbara för den mänskliga näsan. För att öka känsligheten förbrukar de mycket energi i slutändan eftersom de måste arbeta vid höga temperaturer.
Den nyutvecklade sensorn, en nästa generations giftig gassensor av halvledartyp baserad på avancerade material, uppvisar avsevärt förbättrad prestanda och användbarhet jämfört med konventionella sensorer. Med sin enastående känslighet för kemiska reaktioner kan den nya sensorn detektera NO2 mycket känsligare än tidigare rapporterade sensorer av halvledartyp, en känslighet som är 60 gånger högre. Dessutom förbrukar den nya sensorn minimal energi vid rumstemperatur, och dess optimala halvledartillverkningsprocess möjliggör syntes av stora ytor vid låga temperaturer, vilket minskar tillverkningskostnaderna.
Nyckeln till tekniken ligger i MoS2 nanobranch material utvecklat av KRISS. Till skillnad från den konventionella platta 2D-strukturen för MoS2 , är detta material syntetiserat i en 3D-struktur som liknar trädgrenar, vilket ökar känsligheten. Förutom sin styrka av enhetlig materialsyntes på en stor yta, kan den skapa en 3D-struktur genom att justera kolkvoten i råmaterialet utan ytterligare processer.
KRISS Semiconductor Integrated Metrology Team har experimentellt visat att deras gassensor kan detektera NO2 i atmosfären vid koncentrationer så låga som 5 ppb. Den beräknade detektionsgränsen för sensorn är 1,58 ppt, vilket markerar världens högsta känslighetsnivå.
Denna prestation möjliggör exakt övervakning av NO2 i atmosfären med låg strömförbrukning. Sensorn sparar inte bara tid och kostnader utan erbjuder också utmärkt upplösning. Det förväntas bidra till forskning om att förbättra atmosfäriska förhållanden genom att detektera årliga medelkoncentrationer av NO2 och övervaka förändringar i realtid.
Ett annat kännetecken för denna teknik är dess förmåga att justera kolhalten i råmaterialet under materialsyntessteget, och därigenom förändra de elektrokemiska egenskaperna. Detta kan användas för att utveckla sensorer som kan detektera andra gaser än NO2 , såsom restgaser som produceras under halvledartillverkningsprocesserna. Materialets utmärkta kemiska reaktivitet kan också utnyttjas för att förbättra prestandan hos elektrolyskatalysatorer för väteproduktion.
Dr. Jihun Mun, en senior forskare i KRISS Semiconductor Integrated Metrology Team, sa:"Denna teknik, som övervinner begränsningarna hos konventionella gassensorer, kommer inte bara att uppfylla statliga föreskrifter utan också underlätta exakt övervakning av inhemska atmosfäriska förhållanden. Vi kommer att fortsätta uppföljningsforskning så att denna teknik kan tillämpas på utvecklingen av olika giftiga gassensorer och katalysatorer, som sträcker sig bortom övervakningen av NO2 i atmosfären."
Mer information: Jeongin Song et al, MOCVD of Hierarchical C-MoS2 Nanobranches for ppt-Level NO2 Detection, Small Structures (2023). DOI:10.1002/sstr.202200392
Tillhandahålls av National Research Council of Science and Technology
