Fujitsu Laboratories säger sig ha utvecklat världens första gassensor som tillämpar en ny princip där grafen används i en traditionell kiseltransistor och som är tio gånger känsligare för NO2 än dagens teknik. Sensorn kan komma att användas för att övervaka miljön i realtid och även mäta utandningsluft hos människor som lider av sjukdom.
Till vänster visas en schematisk skiss och till höger en svepelektronmikroskopbild på sensorn.
Fujitsu Laboratories Ltd meddelar att de lyckats ta fram världens första framgångsrika utveckling av en mycket känslig gassensor baserad på en ny princip som drar nytta av grafen, ett material där kolatomer ordnas i ett ark som ofta är endast en atom tjockt.
Enligt företaget banar denna utveckling vägen för kompakta instrument som snabbt kan mäta specifika gaskomponenter och samtidigt med en känslighet som kan detektera luftföroreningar eller testa organiska gaser i en persons andedräkt.
Den gassensor som Fujitsu Laboratories har utvecklat fungerar enligt en ny princip där styrelektroden hos en kiseltransistor ersatts av grafen. Sensorn kan detektera koncentrationer som är lägre än tiotals delar av en miljard (ppb) när det gäller kvävedioxid (NO2) och ammoniak (NH3); där i synnerhet känsligheten för kvävedioxid har förbättras mer än tio gånger till mindre än 1 ppb.
Tekniken förväntas möjliggöra realtidsmätningar av luftkvalitet som annars kan ha tagit tiotals timmar att genomföra, beroende på vilken gas som mäts. Sensorn uppges även kunna underlätta detektering av gaskomponenter i utandningsluft, något som kan komma att användas för att snabbt upptäcka livsstilssjukdomar.
Detaljer om tekniken presenterades vid 2016 IEEE International Electron Devices Meeting den 3 December i San Francisco.
Även om det idag är möjligt att utföra extremt känsliga mätningar genom att använda specialiserad utrustning, såsom gaskromatografer, är den typen av instrument stora och mätningarna ta tid. Det finns gassensorer som är baserade på halvledarteknik och som är kompakta och arbetar i realtid, men dessa fungerar i allmänhet vid en känslighet i storleksordningen miljondelar, så deras prestanda är inte tillräcklig för att upptäcka vissa gaskomponenter. Det har funnits förslag på sensorer som använder grafen och som skulle kunna fungera genom att detektera förändringar i motståndet över grafenskiktet till vilken en gas vidhäftar, men motståndet varierar bara med ett antal procent i närvaro av 1 miljondels (ppm)-koncentrationer av gaser, och som inte når den nivå som krävs för en reell användning.
Fujitsu Laboratories gassensor baserad på en ny princip. Sensorn har ett grafenlager bestående av ett enda atomskikt atomer som ersatt styrelektroden som en del av en konventionell kiseltransistor. När en gasmolekyl häftar vid grafenet förändras materialets arbetsfunktion med resultatet att det sker en stor förändring i omslagsegenskaperna hos kiseltransistorn. När gasmolekylen sedan separerats från grafenmaterialet återgår skiktet till dess ursprungliga skick.
Fujitsu Laboratories har testat validiteten hos principen bakom grafensensorn och avser att få den i praktisk användning som en miljösensor efter kontroller av dess egenskaper och studier på dess hållbarhet. Företaget planerar också att hitta sätt att upptäcka andra användningsområden än kvävedioxid och ammoniakgaser genom att använda grafen för detektering av förekomsten av andra molekyler.
