Des détecteurs de gaz capables de détecter des quantités infimes de polluants pourraient aider à mieux surveiller la qualité de l'air. Des chercheurs de l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah (KAUST) d'Arabie saoudite ont découvert un matériau électronique bidimensionnel qui présente une sensibilité élevée aux molécules de gaz, comme le dioxyde de carbone (CO2), oxydes d'azote (NOx) et ammoniac (NH3).

Feuilles atomiquement minces constituées de métaux de transition associés à des atomes de chalcogène, comme le soufre, sélénium et tellure, sont des alternatives polyvalentes aux semi-conducteurs plus conventionnels à base de silicium. Selon leur composant métallique, ces monocouches de dichalcogénure de métal de transition ont des bandes interdites - des barrières énergétiques qui limitent le flux d'électrons à travers un matériau - qui peuvent être réglées pour modifier leurs propriétés électroniques.

Les propriétés électroniques uniques de ces monocouches ont le potentiel d'améliorer une pléthore de dispositifs, y compris les transistors à effet de champ, photodétecteurs et capteurs de gaz.

Les monocouches semi-conductrices se sont avérées être des candidats idéaux comme matériaux de détection de gaz car elles ont un rapport surface/volume élevé. Par exemple, Le MoS2 a été incorporé dans des transistors à effet de champ pour détecter le monoxyde d'azote. Cependant, ses performances sont limitées par sa mobilité de porteur relativement faible ou par la vitesse à laquelle ses électrons (ou trous) se déplacent lorsqu'ils sont soumis à un champ électrique.

Pour pallier ces lacunes, L'équipe du professeur KAUST Udo Schwingenschlögl a évalué le potentiel du dichalcogénure de platine PtSe2 pour une utilisation dans les détecteurs de gaz via des techniques informatiques sophistiquées.

"La monocouche PtSe2 montre expérimentalement une grande mobilité des porteurs, ce qui peut être avantageux pour la détection de gaz, " a déclaré Schwingenschlögl, ajoutant que ce matériel n'avait pas été précédemment pris en considération à cette fin. Cette approche montre l'interaction entre la monocouche et les molécules de gaz aux niveaux structurel et électronique.

D'abord, les chercheurs ont construit une monocouche modèle composée d'atomes de sélénium qui ont formé des arrangements octaédriques avec un atome de platine en leur centre. Prochain, ils ont déterminé la géométrie optimale adoptée par les molécules de gaz individuelles, tels que les NOx, NH3, H2O, CO2 et CO, lors de l'adsorption. Ils ont évalué la capacité de ces molécules adsorbées à transférer une charge à la monocouche en examinant les changements induits par l'adsorption dans les propriétés électroniques.

Ces calculs ont fourni des énergies d'adsorption élevées, indiquant une forte affinité entre la monocouche et les molécules de gaz. Toutes les molécules adsorbées ont modifié la charge de la monocouche (voir image), ce qui est essentiel pour la capacité de détection de gaz du PtSe2 monocouche.

Par ailleurs, leurs interactions étaient plus efficaces avec la monocouche PtSe2 qu'avec ses analogues MoS2 ou du graphène à base de carbone. "C'était passionnant d'expliquer cette différence à un niveau orbital moléculaire, " a déclaré Schwingenschlögl. Les calculs du transport d'électrons ont révélé la haute sensibilité de la monocouche PtSe2 en tant que capteur de gaz.