Un nouveau capteur de gaz toxiques améliore la limite de détection

(Actualités Nanowerk) The Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) developed a toxic gas sensor with the world’s highest sensitivity. This sensor can precisely monitor nitrogen dioxide (NO2), un gaz toxique dans l'atmosphère, à température ambiante avec une faible consommation électrique et une sensibilité ultra élevée. Elle peut être appliquée à divers domaines, tels que la détection de gaz résiduels lors du processus de fabrication de semi-conducteurs et la recherche sur les catalyseurs d'électrolyse. Les résultats ont été publiés dans Petits Ouvrages (“MOCVD of Hierarchical C-MoS2 Nanobranches pour ppt-Niveau NO2 Detection”). Processus de marée pour créer du MoS 3D2 nano-branches. La transformation structurelle du MoS2 en forme de branche d'arbre 3D peut être observée au cours du temps de synthèse. (Image : Institut coréen de recherche sur les normes et la science) NON2, produit par la combustion à haute température de combustibles fossiles et principalement émis par les gaz d’échappement des automobiles ou la fumée des usines, contribue à une augmentation de la mortalité due à la pollution atmosphérique. En Corée du Sud, la concentration moyenne annuelle de NO2 dans l'air est réglementé à 30 ppb (parties par milliard) ou moins par décret présidentiel. Des capteurs très sensibles sont donc nécessaires pour détecter avec précision les gaz à des concentrations extrêmement faibles. Ces derniers temps, l’utilisation de gaz toxiques potentiellement mortels pour l’homme a augmenté en raison du développement des industries de haute technologie, notamment la fabrication de semi-conducteurs. Même si certains laboratoires et usines ont adopté des capteurs de type semi-conducteur pour des raisons de sécurité, le défi réside dans leur faible sensibilité de réponse, les rendant incapables de détecter des gaz toxiques pouvant même être perceptibles par le nez humain. Pour augmenter la sensibilité, ils consomment au final beaucoup d'énergie car ils doivent fonctionner à des températures élevées. Le capteur nouvellement développé, un capteur de gaz toxiques de type semi-conducteur de nouvelle génération basé sur des matériaux avancés, présente des performances et une convivialité considérablement améliorées par rapport aux capteurs conventionnels. Grâce à sa sensibilité exceptionnelle aux réactions chimiques, le nouveau capteur peut détecter le NO2 beaucoup plus sensible que les capteurs de type semi-conducteur précédemment rapportés, une sensibilité 60 fois supérieure. De plus, le nouveau capteur consomme une énergie minimale lorsqu'il fonctionne à température ambiante et son processus de fabrication optimal de semi-conducteurs permet une synthèse sur une grande surface à basse température, réduisant ainsi les coûts de fabrication. La clé de la technologie réside dans le MoS2 matériau nanobranche développé par KRISS. Contrairement à la structure plate 2D conventionnelle de MoS2, ce matériau est synthétisé dans une structure 3D ressemblant à des branches d'arbres, améliorant ainsi la sensibilité. Outre sa force de synthèse uniforme de matériaux sur une grande surface, il peut créer une structure 3D en ajustant le taux de carbone dans la matière première sans processus supplémentaires. L'équipe de métrologie intégrée de KRISS Semiconductor a démontré expérimentalement que son capteur de gaz peut détecter le NO.2 in the atmosphere at concentrations as low as 5 ppb. The calculated detection limit of the sensor is 1.58 ppt (parts per trillion), marking the world’s highest level of sensitivity. This achievement enables precise monitoring of NO2 dans l'atmosphère avec une faible consommation d'énergie. Le capteur permet non seulement d'économiser du temps et de l'argent, mais offre également une excellente résolution. Il devrait contribuer à la recherche sur l'amélioration des conditions atmosphériques en détectant les concentrations moyennes annuelles de NO.2 et surveiller les changements en temps réel. Résultats de l'évaluation des performances du capteur de gaz ultra-sensible développé par KRISS. (a), (b) : Résultats de mesure du NO2 avec différentes concentrations démontrent une excellente résolution de mesure. (c) : Des résultats de mesure cohérents ont été observés lors de la mesure du NO2 avec la même concentration a été répétée, ce qui indique une reproductibilité et une fiabilité de mesure élevées. (d) : Le capteur a montré une excellente capacité à détecter sélectivement le NO.2 parmi plusieurs gaz interférents. (Image : Institut coréen de recherche sur les normes et les sciences) Une autre caractéristique de cette technologie est sa capacité à ajuster la teneur en carbone de la matière première pendant l'étape de synthèse du matériau, modifiant ainsi les propriétés électrochimiques. Cela peut être utilisé pour développer des capteurs capables de détecter des gaz autres que le NO.2, tels que les gaz résiduels produits lors des processus de fabrication des semi-conducteurs. L’excellente réactivité chimique du matériau peut également être exploitée pour améliorer les performances des catalyseurs d’électrolyse pour la production d’hydrogène. Le Dr Jihun Mun, chercheur principal de l'équipe de métrologie intégrée des semi-conducteurs KRISS, a déclaré : « Cette technologie, qui surmonte les limites des capteurs de gaz conventionnels, répondra non seulement aux réglementations gouvernementales, mais facilitera également une surveillance précise des conditions atmosphériques nationales. Nous poursuivrons les recherches de suivi afin que cette technologie puisse être appliquée au développement de divers capteurs et catalyseurs de gaz toxiques, allant au-delà de la surveillance du NO.2 dans l’atmosphère.

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