Sensori Chimici al Grafene GFET
Graphene (GFET) Chemical Sensors

Dalle perdite tossiche nelle strutture industriali alla somministrazione di farmaci nelle cliniche mediche, c'è sempre la reale necessità di rilevare rapidamente ed efficacemente sostanze chimiche che sono normalmente invisibili a occhio nudo. Gli enormi progressi della tecnologia di rilevamento chimico negli ultimi anni hanno consentito un rilevamento più efficiente delle concentrazioni più basse di sostanze in molti ambienti diversi.

Il grafene, con le sue qualità uniche, ha dimostrato di essere il materiale ottimale per i ricercatori in questo settore, capace di migliorare notevolmente le prestazioni dei sensori chimici con modalità non raggiungibili da altri materiali.

Cosa sono i sensori chimici?

Un sensore chimico è un dispositivo in grado di rilevare una singola sostanza chimica target e trasformare questa interazione in un risultato misurabile. In un mondo ideale, questi dispositivi sarebbero economici da fabbricare, portatili e facili da usare, rispondendo istantaneamente con perfetta precisione quando interagiscono con un particolare composto chimico a qualsiasi concentrazione. Sebbene la tecnologia stia avanzando continuamente per quanto riguarda l'efficacia dei sensori chimici, c'è ancora del lavoro da fare prima di poter raggiungere questo tipo ideale di dispositivo.

In realtà, i sensori chimici sono più complicati di quanto possa sembrare, devono essere ottimizzati e adattati a un tipo specifico di applicazione. Sebbene i sensori siano di vari tipi, possono essere suddivisi in due categorie:

• Sensori selettivi a lettura diretta come sensori elettrochimici e fibre ottiche

• Sensori che contengono una fase di separazione del campione cromatografica o elettroforetica capillare della colonna seguita da un rilevamento sensibile ma non necessariamente selettivo

Poiché viene sviluppata una più ampia gamma di sensori e vengono condotte ulteriori ricerche per rendere questi dispositivi ancora più efficaci, il mercato si sta espandendo.

Nel 2017, il mercato globale dei sensori chimici è stato valutato in 18,56 miliardi di dollari. Si prevede che entro il 2023 raggiungerà 28,16 miliardi di dollari, con un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 7,20%.

Sensori di grafene e prodotti chimici

Nel mondo dei sensori chimici, il grafene ha attirato molta attenzione, anche perché grazie alla sua struttura bidimensionale, l'intero volume del materiale funge da superficie del sensore. Inoltre, il grafene offre un'eccellente resistenza meccanica, conducibilità termica ed elettrica, compattezza e un costo potenzialmente basso, necessario per competere nel mercato in continua crescita dei sensori chimici 

La configurazione più semplice e comune per i sensori chimici a base di grafene è il transistor a effetto di campo di grafene (GFET), un foglio di grafene con un'area di rilevamento tra due contatti metallici. In questo dispositivo, la conducibilità può essere regolata utilizzando l'effetto del campo elettrico con un gate posteriore, offrendo una sensibilità molto elevata.

Il grafene è il principale candidato per la creazione di GFET, migliori come sensori chimici poiché il materiale stesso è biocompatibile, può essere utilizzato non protetto in circostanze ambientali, ha una mobilità ultraelevata e una bassa resistività. Ciò significa sensori chimici più efficienti che porteranno a computer e dispositivi di misurazione elettronici avanzati.

Sia come GFET sia utilizzando altre strutture, i sensori di gas e vapore basati sul grafene hanno sollevato grande interesse negli ultimi anni a causa della loro varietà di strutture, prestazioni di rilevamento uniche, condizioni di lavoro a temperatura ambiente e straordinarie prospettive applicative.

Oltre al vapore acqueo, il grafene è stato utilizzato per rilevare gas come NH3, NO2, H2, CO, SO2, H2S, nonché vapore di composti organici volatili, determinando un importante aumento del numero di pubblicazioni scientifiche su questo argomento. Il grafene è stato anche utilizzato per rilevare tracce di oppioidi in concentrazioni fino a 10 picogrammi per millilitro di liquido.

Produzione dei Sensori chimici al grafene

Generalmente, il grafene è prodotto per deposizione chimica da vapore (CVD). Questo processo è un modo per depositare reagenti gassosi su un substrato di catalizzatore. Combinando prima le molecole di gas in una camera da vuoto, si può formare un film di materiale quando i gas combinati entrano in contatto con il substrato stesso.

I gas di scarico vengono quindi pompati dalla camera. La temperatura è la condizione chiave, determinando il tipo di reazione che si verifica e portando a un film prodotto in modo corretto secondo le attese. Vi sono tuttavia alcune difficoltà con la tecnica CVD, inclusa la separazione del film di grafene dal substrato e la creazione di uno strato uniforme di grafene sul substrato. 

Maggiore sensibilità per un migliore rilevamento

La semplicità dei GFET e la capacità di ottimizzare la conducibilità hanno visto grandi progressi nell'ottimizzare la sensibilità di questi dispositivi come sensori. Ad esempio, i ricercatori dell'Università di Manchester hanno dimostrato che questi sensori sono in grado di rilevare una singola molecola di gas attaccata o staccata dalla superficie del grafene.

Questa sensibilità è dovuta al fatto che la resistenza elettrica del dispositivo cambia quando qualcosa si attacca al grafene. Alcuni gas hanno mostrato una variazione della resistenza fino al 15%, mentre altri come il metanolo mostrano una variazione facilmente rilevabile di circa il 5%. I sensori di grafene CVD realizzati nella Northwestern University, Illinois, hanno mostrato limiti di rilevamento per l'ammoniaca (NH3) a livello di ppb, superiore ai dispositivi disponibili in commercio.

Il rilevamento di NH3 è essenziale perché, sebbene ampiamente utilizzato nella creazione di prodotti farmaceutici e molti prodotti commerciali, è caustico e pericoloso, dannoso per l'uomo, con il potenziale di causare inquinamento ambientale.

I GFET sono stati anche utilizzati per rilevare il biossido di azoto (NO2), un altro gas di rilevanza industriale dannoso per l'uomo e l'ambiente. Un team dell'Università Jiao Tong di Shanghai ha sviluppato sensori NO2 basati sul grafene con limiti di rilevamento inferiori a ppm, alta sensibilità, nonché eccellente selettività e velocità di risposta.

Tutti gli altri sensori chimici a base di grafene, come quelli per idrogeno, anidride carbonica, monossido di carbonio, metano e anidride solforosa, mostrano limiti di rilevazione migliori o alla pari ai sensori convenzionali disponibili in commercio. 

Più grande, migliore, più efficiente

Grazie alle sue proprietà fisiche, il grafene CVD di alta qualità è un candidato privilegiato per lo sviluppo in molte aree. Uno di questi è la fabbricazione di sensori GFET per grandi aree, commercialmente realizzabili.

Nel 2015, gli scienziati dell'Università di Glasgow sono riusciti a fabbricare fogli di grafene ad ampia area di circa 400 cm2 utilizzando fogli di rame standard in CVD, tramite la laminazione a caldo per trasferire il grafene su un substrato di PVC. Sono inoltre in corso ricerche per espandere la funzionalità dei sensori chimici a base di grafene che vanno dai modulatori sensibili alle sostanze chimiche per l'uso in applicazioni di "internet delle cose" alla creazione di dispositivi elettronici indossabili per l'uso in ospedale, sul campo di battaglia e altro ancora.

Un team dell'Istituto di Scienza e Tecnologia di Barcellona ha utilizzato il grafene per creare sensori di immagine a banda larga ad alta risoluzione, mentre gli scienziati dell'Università di Hanyang in Corea hanno trovato un modo per utilizzare i sensori di grafene nei dispositivi di realtà virtuale per sentire e distinguere tra diverse trame di superficie. Con tutto questo negli ultimi anni, possiamo solo immaginare dove ci porterà il mondo dei sensori chimici di grafene in futuro.

 

Testo tradotto da https://www.graphenea.com/blogs/graphene-news/graphene-field-effect-transistors-for-chemical-sensing