Pesquisadores do Instituto de Pesquisa de Padrões e Ciência da Coreia desenvolveram um sensor de gás tóxico com a mais alta sensibilidade do mundo. Este sensor pode monitorar com precisão o dióxido de nitrogênio (NO₂ ), um gás tóxico na atmosfera, à temperatura ambiente, com baixo consumo de energia e sensibilidade ultra-alta. Pode ser aplicado em diversos campos, como detecção de gases residuais durante o processo de fabricação de semicondutores e pesquisa em catalisadores de eletrólise.



NÃO₂ , produzida pela combustão a alta temperatura de combustíveis fósseis e emitida principalmente através dos gases de escape dos automóveis ou do fumo das fábricas, contribui para um aumento da mortalidade devido à poluição atmosférica. Na Coreia do Sul, a concentração média anual de NO₂ no ar é regulamentado para ser de 30 ppb ou menos por decreto presidencial. Sensores altamente sensíveis, portanto, são necessários para detectar com precisão gases em concentrações extremamente baixas.

Nos últimos tempos, a utilização de gases tóxicos potencialmente fatais para os seres humanos tem aumentado devido ao desenvolvimento de indústrias de alta tecnologia, incluindo a fabricação de semicondutores. Embora alguns laboratórios e fábricas tenham adotado sensores do tipo semicondutores para segurança, o desafio reside na sua baixa sensibilidade de resposta, tornando-os incapazes de detectar gases tóxicos que podem até ser perceptíveis pelo nariz humano. Para aumentar a sensibilidade, eles acabam consumindo muita energia porque devem operar em altas temperaturas.

O sensor recém-desenvolvido, um sensor de gás tóxico do tipo semicondutor de última geração baseado em materiais avançados, apresenta desempenho e usabilidade significativamente melhorados em comparação com sensores convencionais. Com sua excelente sensibilidade a reações químicas, o novo sensor pode detectar NO₂ muito mais sensível do que os sensores do tipo semicondutor relatados anteriormente, uma sensibilidade que é 60 vezes maior. Além disso, o novo sensor consome energia mínima operando à temperatura ambiente, e seu processo ideal de fabricação de semicondutores permite a síntese de grandes áreas a baixas temperaturas, reduzindo assim os custos de fabricação.

A chave da tecnologia está no MoS₂ material de nanobrânquios desenvolvido por KRISS. Ao contrário da estrutura plana 2D convencional do MoS₂ , esse material é sintetizado em uma estrutura 3D semelhante a galhos de árvores, aumentando assim a sensibilidade. Além de sua força de síntese uniforme de material em uma grande área, ele pode criar uma estrutura 3D ajustando a proporção de carbono na matéria-prima sem processos adicionais.

A equipe de metrologia integrada da KRISS Semiconductor demonstrou experimentalmente que seu sensor de gás pode detectar NO₂ na atmosfera em concentrações tão baixas quanto 5 ppb. O limite de detecção calculado do sensor é de 1,58 ppt, marcando o nível de sensibilidade mais alto do mundo.

Esta conquista permite o monitoramento preciso do NO₂ na atmosfera com baixo consumo de energia. O sensor não só economiza tempo e custo, mas também oferece excelente resolução. Espera-se que contribua para pesquisas sobre a melhoria das condições atmosféricas, detectando concentrações médias anuais de NO₂ e monitorar mudanças em tempo real.

Outra característica dessa tecnologia é a capacidade de ajustar o teor de carbono da matéria-prima durante a etapa de síntese do material, alterando assim as propriedades eletroquímicas. Isso pode ser utilizado para desenvolver sensores capazes de detectar outros gases além do NO₂ , como gases residuais produzidos durante os processos de fabricação de semicondutores. A excelente reatividade química do material também pode ser explorada para melhorar o desempenho dos catalisadores de eletrólise para produção de hidrogênio.

Jihun Mun, pesquisador sênior da Equipe de Metrologia Integrada da KRISS Semiconductor, disse:"Esta tecnologia, que supera as limitações dos sensores de gás convencionais, não apenas atenderá às regulamentações governamentais, mas também facilitará o monitoramento preciso das condições atmosféricas domésticas. Continuaremos acompanhar pesquisas para que esta tecnologia possa ser aplicada ao desenvolvimento de diversos sensores e catalisadores de gases tóxicos, indo além do monitoramento de NO₂ na atmosfera."

Mais informações: Jeongin Song et al, MOCVD de nanobrânquios hierárquicos C-MoS2 para detecção de NO2 em nível de ppt, Small Structures (2023). DOI:10.1002/sstr.202200392
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