Une équipe internationale de scientifiques dirigée par le National Physical Laboratory (NPL) a effectué de nouvelles mesures de la réponse électrique du graphène à l'air synthétique, exposant un écart de connaissances distinct qui doit être comblé avant la commercialisation de capteurs de gaz à base de graphène.

La détection précoce des gaz est cruciale dans de nombreux domaines, y compris la protection de l'environnement, diagnostic médical et défense nationale. Graphène, le «matériau miracle» constitué d'une couche bidimensionnelle d'atomes de carbone, a attiré beaucoup d'attention pour ses applications potentielles de détection de gaz.

Lorsque la surface du graphène est exposée à certains produits chimiques, ces produits chimiques donnent ou retirent des électrons du graphène, provoquant une modification de la résistivité électrique. Le graphène est incroyablement sensible à ce processus, en fait, il est si sensible qu'une seule molécule de dioxyde d'azote peut provoquer un changement mesurable. Un capteur de gaz à base de graphène utiliserait ces changements électriques pour détecter le produit chimique cible.

Cependant, ce n'est pas si simple. Les capteurs de gaz doivent être exposés à l'environnement afin de détecter les espèces cibles, mais le graphène est sensible à une telle variété de produits chimiques que sa résistivité électrique change de manière significative dans l'air ambiant seul. Cela rend difficile la distinction entre les changements causés par le gaz cible et ceux causés par l'environnement naturel.

Dans une nouvelle étude, un groupe de scientifiques de NPL, Chalmers University of Technology et le US Naval Research Laboratory ont utilisé une nouvelle technique pour examiner les effets de l'air ambiant sur le graphène dans un environnement contrôlé afin de caractériser sa réponse.

Les chercheurs ont étudié les effets de l'azote, oxygène, de la vapeur d'eau et du dioxyde d'azote (en concentrations généralement présentes dans l'air ambiant) sur du graphène épitaxié à l'intérieur d'une chambre à environnement contrôlé. Toutes les mesures ont été prises au NPL en appliquant une microscopie à force de sonde Kelvin tout en effectuant simultanément des mesures de transport (résistance). Cette nouvelle combinaison a donné aux chercheurs la capacité unique de connecter les propriétés électroniques locales et globales ensemble, une tâche qui s'est avérée difficile dans le passé.

L'étude, publié dans Matériaux 2D, ont montré expérimentalement que la combinaison de gaz utilisée ne reproduit pas entièrement les effets de l'air ambiant; même à des concentrations supérieures à celles trouvées dans l'atmosphère typique, il y a une grande différence dans la réponse du graphène. Ce résultat contredit la littérature passée, qui a principalement attribué les changements dans les propriétés électroniques du graphène à ces gaz. Et cela soulève la question :« Quels produits chimiques mystérieux sont à l'origine de cette réponse significative ? »

Il est clair que, alors que les capteurs de gaz à base de graphène ont un grand potentiel, il y a encore beaucoup de recherches à faire. Une exploration plus poussée est nécessaire pour trouver le chaînon manquant entre les effets observés dans les laboratoires contrôlés et les effets observés dans l'air ambiant. Les chercheurs sont également intéressés à étudier des méthodes pour optimiser les dispositifs en réduisant la sensibilité à des espèces cibles spécifiques, comme la fonctionnalisation chimique.