La découverte relativement récente du graphène, un matériau en couches bidimensionnel avec une électronique inhabituelle et attrayante, propriétés optiques et thermiques, a conduit les scientifiques à rechercher d'autres matériaux atomiquement minces dotés de propriétés uniques.

Bisulfure de molybdène (MoS 2 ) s'est avéré être l'un des plus prometteurs. Des dispositifs au bisulfure de molybdène monocouche et à quelques couches ont été proposés pour l'électronique, applications optoélectroniques et énergétiques. Une équipe de chercheurs, dirigé par des ingénieurs de l'Université de Californie, Bourns College of Engineering de Riverside, ont développé une autre application potentielle :les capteurs.

"Les capteurs sont partout maintenant, y compris dans les téléphones intelligents et autres appareils électroniques portables, " dit Alexandre Balandine, Chaire présidentielle de l'UC et professeur de génie électrique et informatique à l'UC Riverside, qui est l'auteur principal de l'article. "Les capteurs que nous avons développés sont petits, mince, très sensible et sélectif, ce qui les rend potentiellement idéales pour de nombreuses applications."

Balandin et les étudiants diplômés de son laboratoire ont construit les capteurs atomiquement minces de gaz et de vapeurs chimiques à partir de bisulfure de molybdène et les ont testés en collaboration avec des chercheurs de l'Institut polytechnique Rensselaer de Troie, N.Y. Les appareils ont des canaux bidimensionnels, qui sont parfaits pour les applications de capteurs en raison du rapport surface/volume élevé et de la concentration d'électrons largement réglable.

Les chercheurs ont démontré que les capteurs, qu'ils appellent transistors à effet de champ à couche mince au bisulfure de molybdène (TF-FET), peut détecter sélectivement l'éthanol, acétonitrile, toluène, vapeurs de chloroforme et de méthanol.

Les résultats ont été publiés dans un article récent, "Détection sélective de vapeur chimique avec des transistors à couche mince MoS2 à quelques couches :comparaison avec des dispositifs au graphène, " dans la revue Lettres de physique appliquée . En plus de Balandin, les co-auteurs étaient Rameez Samnakay et Chenglong Jiang, les deux Ph.D. étudiants du laboratoire de Balandin, et Michael Shur et Sergey Rumyantsev, tous deux de l'Institut polytechnique Rensselaer.

La détection sélective n'a pas nécessité de fonctionnalisation préalable de la surface à des vapeurs spécifiques. Les tests ont été effectués avec des dispositifs tels que fabriqués et des dispositifs intentionnellement vieillis. Les capteurs au bisulfure de molybdène utilisés dans l'étude ont été vieillis pendant deux mois car les applications pratiques nécessitent que les capteurs restent stables et opérationnels pendant au moins un mois.

Des capteurs réalisés avec des couches atomiquement minces de MoS2 ont révélé une meilleure sélectivité pour certains gaz en raison de la bande interdite d'énergie des électrons dans ce matériau, ce qui a entraîné une forte suppression du courant électrique lors de l'exposition à certains des gaz. Appareils au graphène, Depuis l'autre côté, sélectivité démontrée lorsque l'on utilisait les fluctuations de courant comme paramètre de détection.

"Les capteurs mis en œuvre avec des couches de MoS2 atomiquement minces sont complémentaires aux dispositifs au graphène, ce qui est une bonne nouvelle, " Balandin a déclaré. "Le graphène a une mobilité électronique très élevée tandis que le MoS2 a la bande interdite énergétique."

Le caractère unique des capteurs de gaz atomiquement minces construits par UC Riverside - à la fois en graphène et en MoS2 - réside dans l'utilisation des fluctuations de courant à basse fréquence comme signal de détection supplémentaire. Classiquement, de tels capteurs chimiques n'utilisent que la variation du courant électrique à travers le dispositif ou une variation de la résistance du canal actif du dispositif.

Dans un document séparé, les mêmes chercheurs ont démontré le fonctionnement à haute température des transistors à couche mince atomiquement au bisulfure de molybdène. Le travail a été décrit dans un document, « Performances à haute température des transistors à couche mince MoS2 :caractéristiques courant continu et courant-tension pulsé, " qui vient d'être publié dans le Journal de physique appliquée .

De nombreux composants électroniques pour les systèmes de contrôle et les capteurs doivent fonctionner à une température supérieure à 200 degrés Celsius. Des exemples d'applications à haute température comprennent le contrôle des moteurs à turbine dans l'aérospatiale et la production d'énergie et les instruments des champs pétrolifères.

La disponibilité des transistors et des circuits pour fonctionner à des températures supérieures à 200 degrés Celsius est limitée. Les dispositifs en carbure de silicium et en nitrure de gallium - des semi-conducteurs conventionnels - sont prometteurs pour un fonctionnement prolongé à haute température, mais ne sont toujours pas rentables pour les applications à grand volume. Il existe un besoin pour de nouveaux systèmes de matériaux pouvant être utilisés pour fabriquer des capteurs à transistors à effet de champ qui fonctionnent à des températures élevées.