Sensor de grafeno integrado en el tamiz molecular de carbono

El grafeno, una lámina de carbono de grosor atómico, ha encontrado inmensas aplicaciones en los sensores de gas debido a su sensibilidad de una sola molécula, sus bajos niveles de ruido y su alta densidad de portadores. Sin embargo, la tan anunciada sensibilidad del grafeno también significa que es intrínsecamente no selectivo con ningún gas. Por ello, es fácil que se produzca un enorme dopaje p (reducción de la densidad de electrones del grafeno) cuando se expone al aire atmosférico, lo que limita las demostraciones de su selectividad únicamente a entornos inertes como el aire seco o el nitrógeno. Sin embargo, para la comercialización real del grafeno en aplicaciones como la monitorización medioambiental o los sensores clínicos de gases en el aliento o la piel, es necesaria la exposición atmosférica. Esto ha hecho necesario el deseo de conseguir una pasivación atmosférica simultánea y una detección de gases selectiva y de alta velocidad en el grafeno. Los métodos habituales para inducir la selectividad suelen consistir en recubrimientos de polímeros sobre el grafeno. Sin embargo, este método modifica las características intrínsecas del grafeno, al tiempo que expone secciones significativas del canal de grafeno al dopaje atmosférico.

Para conseguir simultáneamente la pasivación atmosférica y la detección selectiva de gases en el grafeno, un equipo de investigación dirigido por el Dr. Manoharan Muruganathan (profesor titular) y el profesor Hiroshi Mizuta del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST) desarrolló un canal de grafeno funcionalizado con carbono activado nanoporoso en colaboración con los socios industriales Hisashi Maki, Masashi Hattori y Kenichi Shimomai.

El canal de grafeno funcionalizado con carbono activado por deposición química de vapor (CVD) se obtuvo mediante la pirólisis de un polímero de resina Novolac post-litográfico, según los investigadores Dr. A. Osazuwa Gabriel y Dr. R. Sankar Ganesh. Debido a la función de trabajo similar entre el carbono activado y el grafeno, las características electrónicas del CVD-grafeno se mantienen en el sensor, con un dopaje atmosférico insignificante incluso después de 40 minutos de exposición atmosférica. Además, la interfaz carbono activado-grafeno oxidado define sitios de adsorción selectiva de amoníaco, lo que da como resultado una sensibilidad al amoníaco a temperatura ambiente de un dígito de partes por billón (ppb) en aire atmosférico con un tiempo de respuesta de unos pocos segundos. Por consiguiente, se logró la funcionalidad del tamiz molecular en el aire atmosférico.

Utilizando el mismo sensor, también demostraron una nueva técnica de identificación molecular, el método de disparidad de puntos de neutralidad de carga, que utiliza las características de transferencia de carga dependientes del campo eléctrico de los gases adsorbidos en el canal de grafeno. La extrema selectividad del amoníaco, la pasivación atmosférica y la fabricación litográfica fácil y escalable de este sensor lo hacen adecuado para aplicaciones de sensores clínicos y medioambientales. "Estos resultados hacen que los sensores de gas de grafeno pasen de las demostraciones en entornos controlados a las aplicaciones atmosféricas reales, lo que abre un nuevo panorama en la detección de gases basada en el grafeno", afirma el colaborador de la investigación, Masashi Hattori, director de TAIYO YUDEN CO.