Fujitsu Laboratories a annoncé aujourd'hui le premier développement réussi au monde d'un capteur de gaz extrêmement sensible basé sur un nouveau principe qui tire parti du graphène, un matériau dans lequel les atomes de carbone sont disposés en une feuille d'un atome d'épaisseur. Ce développement ouvre la voie à des instruments compacts capables de mesurer des composants gazeux spécifiques avec vitesse et sensibilité, pour détecter la pollution atmosphérique ou tester les gaz d'origine organique dans l'haleine d'une personne. Les Laboratoires Fujitsu ont développé un capteur de gaz qui fonctionne selon un nouveau principe, dans lequel la partie grille d'un transistor au silicium est remplacée par du graphène. Ce capteur peut détecter des concentrations inférieures à des dizaines de parties par milliard (ppb) de dioxyde d'azote (NO2) et d'ammoniac (NH3); avec du dioxyde d'azote en particulier, la sensibilité a plus que décuplé, à moins de 1 ppb. Cette technologie devrait permettre des mesures en temps réel de la qualité de l'air, qui peut avoir pris des dizaines d'heures selon le gaz mesuré. Cela simplifiera également la détection des composants gazeux dans l'haleine, qui peut être utilisé pour découvrir rapidement les maladies liées au mode de vie.

Les détails de cette technologie seront présentés lors de la réunion internationale IEEE 2016 sur les dispositifs électroniques, qui a ouvert le 3 décembre à San Francisco.

Fond

Graphène, une feuille de carbone bidimensionnelle d'une épaisseur d'un atome seulement, possède des propriétés électriques remarquables bien au-delà des limites des circuits d'intégration à très grande échelle (VLSI) utilisant du silicium, qui atteint les limites de la miniaturisation. Cela a attiré l'attention en tant que matériau pour les appareils électroniques de nouvelle génération. Les Laboratoires Fujitsu développent des technologies ultrarapides, transistors basse consommation et dispositifs révolutionnaires utilisant le graphène, et développe également des dispositifs fonctionnels tels que des capteurs à haute sensibilité utilisant du graphène.

Les capteurs de gaz ont été proposés comme un type de dispositif fonctionnel pouvant être fabriqué à l'aide de graphène. On espère qu'il permettra de disposer de capteurs capables de mesurer certains composants gazeux avec une sensibilité élevée (sur une échelle ppb) pour détecter la pollution de l'air ou les gaz contenus dans l'haleine humaine. Bien qu'il soit possible d'effectuer des mesures extrêmement sensibles à l'aide d'équipements spécialisés, tels que les chromatographes en phase gazeuse, cet équipement est volumineux et les mesures prennent du temps. Il existe des capteurs de gaz semi-conducteurs compacts et fonctionnant en temps réel, mais ceux-ci fonctionnent généralement à une sensibilité de l'ordre de parties par million, leur performance n'est donc pas suffisante pour détecter certains composants gazeux. Il y a eu des propositions de capteurs utilisant du graphène qui fonctionneraient en détectant le changement de résistance à travers le graphène auquel un gaz adhère, mais la résistance ne varie que de quelques pour cent en présence de concentrations de gaz à 1 partie par million (ppm), qui n'atteint pas le niveau requis pour une utilisation dans le monde réel.

À propos de la technologie

Les Laboratoires Fujitsu ont maintenant développé un capteur de gaz basé sur un nouveau principe. Dans un tel capteur, une feuille de graphène avec une seule couche d'atomes remplace la grille d'un transistor au silicium conventionnel (figure 2). Lorsqu'une molécule de gaz adhère au graphène, la fonction de travail du graphène change, et le résultat est qu'il y a un changement majeur dans les caractéristiques de commutation du transistor au silicium. C'est ce principe qui permet de détecter un gaz. Lorsque la molécule de gaz se sépare du graphène, le graphène revient à son état d'origine.

Un capteur basé sur ce principe a été créé qui mesure quelques dizaines de ppb d'ammoniac et moins de 1 ppb de NO2 dans un environnement azoté. Parmi les gaz attendus dans les analyses de l'air ou de l'haleine humaine, les résultats des tests ont démontré qu'il ne réagit qu'au NO2 et au NH3, ce qui signifie qu'il ne peut détecter que des gaz spécifiques (Figure 3).

La sensibilité de cette technologie au NO2 est d'un ordre de grandeur supérieure à celle des capteurs de graphène conventionnels basés sur la résistivité, à moins de 1 ppb, et les capteurs électrochimiques disponibles dans le commerce, qui ont une sensibilité de plus de dizaines de ppb.

Résultats

Ce capteur est compact, avec une zone de détection de quelques centaines de micromètres seulement, mais pourrait être rendu encore plus petit (moins d'un micromètre). La sensibilité est supérieure aux technologies existantes, et parce que son mécanisme ne repose pas sur des réactions chimiques, le capteur revient à son état d'origine grâce à des méthodes telles que l'application de chaleur à l'appareil. Ce capteur pourrait être utilisé dans un appareil compact qui pourrait mesurer le NO2 n'importe où, en temps réel, au niveau de sensibilité de référence environnementale de 40-60 ppb, qui est un indice de pollution de l'air.

Fujitsu Laboratories a testé la validité du principe du capteur de grille de graphène, et vise à le mettre en pratique comme capteur d'environnement après vérification de ses caractéristiques et étude de sa durabilité. La société prévoit également de trouver des moyens de détecter des gaz autres que le dioxyde d'azote et l'ammoniac en combinant le graphène avec d'autres molécules. Par ailleurs, en associant ce capteur à un capteur annoncé en avril 2016 capable de mesurer l'ammoniac avec une grande sensibilité, Fujitsu Laboratories prévoit de développer un capteur hautement sensible et portable qui peut être utilisé aussi facilement qu'un thermomètre pour mesurer les gaz dans l'haleine humaine pour la détection précoce des maladies liées au mode de vie.