Os detectores de gás capazes de detectar pequenas quantidades de poluentes podem ajudar a monitorar melhor a qualidade do ar. Pesquisadores da King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) da Arábia Saudita descobriram um material eletrônico bidimensional que exibe alta sensibilidade a moléculas de gás, como dióxido de carbono (CO2), óxidos de nitrogênio (NOx) e amônia (NH3).

Lâminas atomicamente finas que consistem em metais de transição associados a átomos de calcogênio, como enxofre, selênio e telúrio, são alternativas versáteis aos semicondutores mais convencionais à base de silício. Dependendo do seu componente de metal, essas monocamadas de dichalcogeneto de metal de transição têm lacunas de banda - barreiras de energia que limitam o fluxo de elétrons através de um material - que podem ser ajustadas para alterar suas propriedades eletrônicas.

As propriedades eletrônicas exclusivas dessas monocamadas têm potencial para melhorar uma infinidade de dispositivos, incluindo transistores de efeito de campo, fotodetectores e sensores de gás.

As monocamadas semicondutoras são comprovadamente candidatas ideais como materiais de detecção de gás porque têm uma alta relação superfície-volume. Por exemplo, MoS2 foi incorporado em transistores de efeito de campo para detectar monóxido de nitrogênio. Contudo, seu desempenho é limitado por sua mobilidade relativamente baixa de portadores ou pela velocidade com que seus elétrons (ou buracos) se movem quando submetidos a um campo elétrico.

Para superar essas deficiências, A equipe do professor Udo Schwingenschlögl da KAUST avaliou o potencial do dichalcogeneto de platina PtSe2 para uso em detectores de gás por meio de técnicas computacionais sofisticadas.

"A monocamada PtSe2 mostra experimentalmente uma alta mobilidade de portadora, o que pode ser vantajoso para detecção de gás, "disse Schwingenschlögl, acrescentando que este material não havia sido previamente considerado para este fim. Esta abordagem mostra a interação entre a monocamada e as moléculas de gás nos níveis estrutural e eletrônico.

Primeiro, os pesquisadores construíram um modelo de monocamada composta de átomos de selênio que formaram arranjos octaédricos com um átomo de platina no centro. Próximo, eles determinaram a geometria ideal adotada por moléculas de gás individuais, como NOx, NH3, H2O, CO2 e CO, após a adsorção. Eles avaliaram a capacidade dessas moléculas adsorvidas de transferir carga para a monocamada examinando as mudanças induzidas por adsorção nas propriedades eletrônicas.

Esses cálculos forneceram altas energias de adsorção, indicando forte afinidade entre a monocamada e as moléculas de gás. Todas as moléculas adsorvidas alteraram a carga da monocamada (ver imagem), que é a chave para a capacidade de detecção de gás da monocamada PtSe2.

Além disso, suas interações foram mais eficazes com a monocamada PtSe2 do que seu MoS2 ou análogos de grafeno à base de carbono. "Foi emocionante explicar essa diferença em um nível orbital molecular, "disse Schwingenschlögl. Os cálculos do transporte de elétrons revelaram a alta sensibilidade da monocamada PtSe2 como um sensor de gás.