Des chercheurs de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) et de l'Université technique de Darmstadt ont développé un nouveau capteur pour les molécules de gaz en combinant un transistor au graphène avec un revêtement métal-organique personnalisé. Le capteur innovant détecte spécifiquement et précisément les molécules et représente le prototype d'une toute nouvelle classe de capteurs. Le capteur d'éthanol développé ne réagit ni aux autres alcools ni à l'humidité. Les résultats sont rapportés dans Matériaux avancés .

Les capteurs sont omniprésents dans les véhicules ou les smartphones, laboratoires de recherche et installations industrielles. Ils captent certaines propriétés physiques ou chimiques, comme la pression, souche, ou des molécules de gaz, et transmettre les données au traitement. Poursuite du développement des capteurs, Par conséquent, est d'une importance décisive pour le progrès technologique. Les capteurs se caractérisent par leur sélectivité, c'est-à-dire leur capacité à détecter une certaine propriété en présence d'autres, propriétés potentiellement perturbatrices, ainsi que par leur sensibilité, c'est-à-dire leur capacité à mesurer des valeurs même faibles.

Des chercheurs du KIT et de l'Université technique de Darmstadt ont maintenant réussi à développer un nouveau type de capteur pour les molécules en phase gazeuse. Les scientifiques rapportent en Matériaux avancés que le principe de fonctionnement de cette nouvelle classe de capteurs repose sur la combinaison de transistors sensibles au graphène avec des revêtements organo-métalliques personnalisés. Cette combinaison permet une détection sélective de molécules. En tant que prototype, les auteurs présentent un capteur d'éthanol spécifique. Contrairement aux capteurs disponibles dans le commerce, il ne répond ni aux alcools ni à l'humidité.

Le graphène est une modification du carbone avec une structure bidimensionnelle. Par nature, il est très sensible aux molécules étrangères qui se fixent à la surface. "Toutefois, le graphène ne présente aucune interaction spécifique à la molécule nécessaire pour une utilisation en tant que capteur, ", déclare Ralph Krupke. Krupke est professeur à l'Institut de nanotechnologie (INT) du KIT et à l'Institut des sciences des matériaux de la TU Darmstadt. Avec le professeur Wolfgang Wenzel (également INT) et le professeur Christof Wöll, qui dirige l'Institut des interfaces fonctionnelles (IFG) de KIT, il a dirigé l'étude. Le premier auteur est Sundeep Kumar, qui mène des recherches au laboratoire de Ralph Krupke au KIT et travaille sur son doctorat dans le domaine des nanostructures moléculaires à l'Institut des sciences des matériaux de la TU Darmstadt. "Pour atteindre la sélectivité requise, nous avons fait pousser en surface une charpente métallo-organique, " explique Krupke.

Les capteurs peuvent être ajustés avec précision

Les charpentes métallo-organiques (MOF) sont constituées de nœuds métalliques et de molécules organiques servant de bielles. En choisissant diverses combinaisons, ces matériaux cristallins très poreux peuvent être adaptés à différentes applications pour atteindre une capacité d'absorption sélective pour certaines molécules, par exemple. Les chercheurs de Karlsruhe et Darmstadt ont présenté une plate-forme de capteurs sélectifs en faisant croître un cadre métal-organique monté en surface (SURMOF) directement sur un transistor à effet de champ en graphène (GFET). Un tel composant bénéficie de la haute sensibilité et de la lecture simple d'un GFET ainsi que de la haute sélectivité d'un SURMOF.

"La combinaison des propriétés électroniques uniques du graphène avec la grande variabilité chimique des MOF ouvre un grand potentiel, ", explique Christof Wöll. Étant donné que divers types de SURMOF peuvent être produits et que les conceptions chimiques de l'interface entre le GFET et le SURMOF peuvent varier, les travaux des chercheurs ouvrent une toute nouvelle classe de capteurs avec une sélectivité et une sensibilité spécifiquement ajustées. "Ici, la simulation aide, " Wolfgang Wenzel dit, "car nous pouvons créer de nombreux MOF sur l'ordinateur sans avoir à les synthétiser."