p A Fujitsu Laboratories anunciou hoje o primeiro desenvolvimento bem-sucedido do mundo de um sensor de gás extremamente sensível baseado em um novo princípio que tira proveito do grafeno, um material no qual os átomos de carbono estão dispostos em uma folha de um átomo de espessura. Este desenvolvimento abre caminho para instrumentos compactos que podem medir componentes de gás específicos com velocidade e sensibilidade, para detectar poluição atmosférica ou testar gases de origem orgânica na respiração de uma pessoa. A Fujitsu Laboratories desenvolveu um sensor de gás que opera em um novo princípio, em que a parte do portão de um transistor de silício é substituída por grafeno. Este sensor pode detectar concentrações inferiores a dezenas de partes por bilhão (ppb) de dióxido de nitrogênio (NO2) e amônia (NH3); com dióxido de nitrogênio em particular, a sensibilidade melhorou mais de dez vezes, para menos de 1 ppb. Espera-se que esta tecnologia permita medições em tempo real da qualidade do ar, o que pode ter levado dezenas de horas, dependendo do gás sendo medido. Também simplificará a detecção de componentes de gás na respiração, que pode ser usado para descobrir rapidamente doenças relacionadas ao estilo de vida. p Os detalhes desta tecnologia serão apresentados no IEEE International Electron Devices Meeting 2016, que foi inaugurado em 3 de dezembro em San Francisco.

p Fundo

p Grafeno, uma folha bidimensional de carbono com apenas um átomo de espessura, tem propriedades elétricas notáveis, muito além dos limites dos circuitos de integração de muito grande escala (VLSI) usando silício, que está chegando ao limite da miniaturização. Isso atraiu a atenção como um material para dispositivos eletrônicos de última geração. Fujitsu Laboratories está desenvolvendo ultrarrápido, transistores de baixa potência e dispositivos revolucionários usando grafeno, e também está desenvolvendo dispositivos funcionais, como sensores de alta sensibilidade usando grafeno.

p Sensores de gás têm sido propostos como um tipo de dispositivo funcional que pode ser feito com grafeno. A esperança é que ele permita sensores que possam medir certos componentes de gás com alta sensibilidade (em uma escala de ppb) para detectar poluição do ar ou gases contidos na respiração humana. Embora seja possível realizar medições extremamente sensíveis usando equipamentos especializados, como cromatógrafos a gás, este equipamento é grande e as medições demoram. Existem sensores de gás semicondutor que são compactos e funcionam em tempo real, mas estes geralmente operam com uma sensibilidade da ordem de partes por milhão, portanto, seu desempenho não é suficiente para detectar certos componentes de gás. Têm havido propostas para sensores que usam grafeno que funcionariam detectando a mudança na resistência através do grafeno ao qual um gás adere, mas a resistência varia apenas em vários por cento na presença de concentrações de gases de 1 parte por milhão (ppm), que não atinge o nível necessário para uso no mundo real.

p Sobre a Tecnologia

p A Fujitsu Laboratories desenvolveu agora um sensor de gás baseado em um novo princípio. Em tal sensor, uma folha de grafeno com apenas uma única camada de átomos substitui a parte da porta de um transistor de silício convencional (Figura 2). Quando uma molécula de gás adere ao grafeno, a função de trabalho do grafeno muda, e o resultado é que há uma grande mudança nas características de chaveamento do transistor de silício. É este princípio que permite que um gás seja detectado. Quando a molécula de gás se separa do grafeno, o grafeno retorna ao seu estado original.

p Foi criado um sensor baseado neste princípio que mede algumas dezenas de ppb de amônia e menos de 1 ppb de NO2 em um ambiente de nitrogênio. Entre os gases que se espera encontrar nas análises do ar ou da respiração humana, os resultados dos testes demonstraram que reage apenas a NO2 e NH3, o que significa que ele pode detectar apenas gases específicos (Figura 3).

p A sensibilidade desta tecnologia ao NO2 é uma ordem de magnitude maior do que os sensores convencionais de grafeno baseados em resistividade, a menos de 1 ppb, e os sensores eletroquímicos disponíveis comercialmente, que têm sensibilidade de mais de dezenas de ppb.

p Resultados

p Este sensor é compacto, com uma área de detecção de apenas algumas centenas de micrômetros, mas pode ser ainda menor (menos de um micrômetro). A sensibilidade é maior do que as tecnologias existentes, e porque seu mecanismo não depende de reações químicas, o sensor retorna ao seu estado original por meio de métodos como a aplicação de calor ao dispositivo. Este sensor pode ser usado em um dispositivo compacto que pode medir NO2 em qualquer lugar, em tempo real, no nível de referência ambiental de sensibilidade de 40-60 ppb, que é um índice de poluição do ar.

p Fujitsu Laboratories testou a validade do princípio por trás do sensor de porta de grafeno, e visa colocá-lo em uso prático como sensor ambiental após verificar suas características e estudar sua durabilidade. A empresa também planeja encontrar maneiras de detectar outros gases além do dióxido de nitrogênio e amônia, combinando o grafeno com outras moléculas. Além disso, combinando este sensor com um sensor anunciado em abril de 2016 que pode medir a amônia com um alto grau de sensibilidade, A Fujitsu Laboratories planeja desenvolver um sensor portátil e altamente sensível que pode ser usado tão convenientemente como um termômetro para medir gases na respiração humana para detecção precoce de doenças relacionadas ao estilo de vida.