Une équipe interdisciplinaire de scientifiques du Naval Research Laboratory (NRL) des États-Unis a démontré que les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) monocouches 2-D - des semi-conducteurs atomiquement minces - subissent un changement de phase semi-conducteur en phase métallique lorsqu'ils sont exposés à des vapeurs chimiques en suspension dans l'air.

L'équipe a validé des preuves optiques et électroniques de la transition de phase et comment le comportement peut être utilisé pour créer une toute nouvelle classe de capteurs de vapeur chimique. Cette nouvelle classe d'instruments est potentiellement plus sensible que les modèles de pointe actuels, et sélectifs envers des agents neurotoxiques et des composés explosifs spécifiques qui sont très préoccupants sur les champs de bataille d'aujourd'hui.

Depuis la découverte en 2004-2005 que les films monocouches monocouches de TMD peuvent être isolés des matériaux en vrac en raison de la faible liaison intercouche des atomes, connu sous le nom de collage van der Waals, ces matériaux continuent de révéler des comportements et des propriétés nouveaux et remarquables.

"Ces matériaux sont extrêmement prometteurs pour les applications de détection de vapeur chimique, car l'épaisseur inhérente de quelques atomes du matériau améliore considérablement leur sensibilité même à la plus petite perturbation de surface, " a déclaré le Dr Adam L. Friedman, chercheur en physique, Division de la science et de la technologie des matériaux. « Outre l'intérêt immédiat pour la recherche fondamentale, comme cette méthode particulière de création de transition de phase dans les TMD n'a jamais été observée ou explorée auparavant, il a un grand potentiel d'application dans un nouveau type de phase, capteur de vapeur chimique multifonctionnel."

Les TMD monocouches offrent des avancées technologiques possibles par rapport aux modèles de matériaux actuels, qui ouvrent la voie à peu de frais, souple, des appareils hautes performances qui exploitent leur fonctionnalité unique dominée par la surface.

Chimiquement abrégé en MX2, où M est un métal de transition et X est un chalocogène, les TMD monocouches comportent des isolants, semi-conducteurs, métaux et autres types de matériaux, et comprennent une variété de propriétés non observées dans leurs équivalents de matériaux en vrac. Certains films répondent sélectivement par un processus de transfert de charge à une classe d'analytes qui comprend des agents neurotoxiques, tels que l'agent venimeux X (VX), Une quantité microscopique d'analyte se trouvant à la surface du TMD agit comme un donneur d'électrons et un agent réducteur local, ce qui affecte de manière mesurable la conductance du film.

L'équipe du LNR a émis l'hypothèse que certains analytes chimiques donneurs d'électrons puissants, comme celles pertinentes pour la détection de certains agents neurotoxiques et explosifs, peut également fournir suffisamment de transfert de charge au TMD pour obtenir un changement de phase. Pour tester leur hypothèse, les chercheurs ont exposé des films TMD monocouches à de puissants analytes chimiques en phase vapeur donneurs d'électrons et les ont surveillés pour leur conductance et leur réponse optique. Ils ont constaté que la réponse de conductance de leurs appareils a cessé après une exposition modérée et que l'amplitude globale de la conductance a brusquement augmenté de manière significative à ce moment-là, qui signale un changement de phase. La réponse optique a également corroboré un changement de phase.

Friedman a dit, "Nous avons rassemblé un ensemble de données exceptionnellement volumineux qui comprenait plusieurs méthodes de mesure de ces types de films et avons conclu que le comportement que nous avons observé n'est pas dû au dopage et est très probablement dû à une partie, changements de phase localisés dans les zones du film TMD où l'analyte faiblement adsorbé transfère la charge au réseau."

Ce comportement nouvellement découvert ouvre une toute nouvelle possibilité pour la faible consommation, souple, dispositifs polyvalents de détection de vapeur chimique. Si la transition de phase peut être exploitée pour détecter directement de puissants analytes donneurs d'électrons, cela créera un tout nouveau modèle de détection de vapeur chimique. Il permettra de combiner des mesures optiques de type passif avec, ou utilisé séparément de, des mesures de conductance active pour identifier les vapeurs d'analytes avec le même appareil et être utilisées comme mécanisme de fonctionnement pour une nouvelle méthode pour identifier les composés chimiques et la présence de vapeurs dangereuses.

Des études antérieures de changements de phase sans diffusion similaires ont montré des vitesses de l'ordre de la nanoseconde, et les appareils envisagés seront également rapides, qui dépassera l'état de l'art en termes de vitesse de détection. Parce que la quantité de charge nécessaire pour induire un changement de phase dans chaque matériau TMD est différente, une suite de matériaux TMD à détection simultanée permettra de détecter et même d'identifier divers donneurs/accepteurs d'électrons avec la redondance nécessaire pour minimiser les erreurs. En raison de leur faible encombrement et de leurs dépenses, ces capteurs peuvent également être facilement combinés avec des capteurs actuels pour créer un instrument encore plus polyvalent pour les plates-formes actuelles du ministère de la Défense (DoD).

Les résultats sont publiés dans le numéro de juin 2017 de La nature Groupe d'édition Rapports scientifiques .