Un nouveau capteur de gaz toxique de KRISS améliore la limite de détection

Newswise — L’Institut coréen de recherche sur les normes et la science (KRISS, président Dr Ho Seong Lee) développé un capteur de gaz toxiques doté de la sensibilité la plus élevée au monde. Ce capteur peut surveiller avec précision le dioxyde d’azote (NO2), un gaz toxique présent dans l’atmosphère, à température ambiante avec une faible consommation d’énergie et une sensibilité ultra-élevée. Elle peut être appliquée à divers domaines, tels que la détection de gaz résiduels lors du processus de fabrication de semi-conducteurs et la recherche sur les catalyseurs d’électrolyse.

Le NO2, produit par la combustion à haute température de combustibles fossiles et principalement émis par les gaz d’échappement des automobiles ou la fumée des usines, contribue à une augmentation de la mortalité due à la pollution atmosphérique. En Corée du Sud, la concentration annuelle moyenne de NO2 dans l’air est réglementée à 30 ppb* ou moins par décret présidentiel. Des capteurs très sensibles sont donc nécessaires pour détecter avec précision les gaz à des concentrations extrêmement faibles.
^{* ppb : parties par milliard}

Ces derniers temps, l’utilisation de gaz toxiques potentiellement mortels pour l’homme a augmenté en raison du développement des industries de haute technologie, notamment la fabrication de semi-conducteurs. Bien que certains laboratoires et usines aient adopté des capteurs de type semi-conducteur pour des raisons de sécurité, le défi réside dans leur faible sensibilité de réponse, les rendant incapables de détecter des gaz toxiques pouvant même être perceptibles par le nez humain. Pour augmenter la sensibilité, ils consomment au final beaucoup d’énergie car ils doivent fonctionner à des températures élevées.

Le capteur nouvellement développé, un capteur de gaz toxiques de type semi-conducteur de nouvelle génération basé sur des matériaux avancés, présente des performances et une convivialité considérablement améliorées par rapport aux capteurs conventionnels. Grâce à sa sensibilité exceptionnelle aux réactions chimiques, le nouveau capteur peut détecter le NO2 de manière beaucoup plus sensible que les capteurs de type semi-conducteur précédemment signalés, une sensibilité 60 fois supérieure. De plus, le nouveau capteur consomme une énergie minimale lorsqu’il fonctionne à température ambiante et son processus de fabrication optimal de semi-conducteurs permet une synthèse sur une grande surface à basse température, réduisant ainsi les coûts de fabrication.

La clé de la technologie réside dans le matériau nanobranche MoS2 développé par KRISS. Contrairement à la structure plate 2D conventionnelle du MoS2, ce matériau est synthétisé dans une structure 3D ressemblant à des branches d’arbre, améliorant ainsi la sensibilité. Outre sa force de synthèse uniforme de matériaux sur une grande surface, il peut créer une structure 3D en ajustant le taux de carbone dans la matière première sans processus supplémentaires.

L’équipe de métrologie intégrée de KRISS Semiconductor a démontré expérimentalement que son capteur de gaz peut détecter le NO2 dans l’atmosphère à des concentrations aussi basses que 5 ppb. La limite de détection calculée du capteur est de 1,58 ppt**, ce qui représente le niveau de sensibilité le plus élevé au monde.
^{** ppt : parties par billion}

Cette réalisation permet une surveillance précise du NO2 dans l’atmosphère avec une faible consommation d’énergie. Le capteur permet non seulement d’économiser du temps et de l’argent, mais offre également une excellente résolution. Il devrait contribuer à la recherche sur l’amélioration des conditions atmosphériques en détectant les concentrations moyennes annuelles de NO2 et en surveillant les changements en temps réel.

Une autre caractéristique de cette technologie est sa capacité à ajuster la teneur en carbone de la matière première lors de l’étape de synthèse du matériau, modifiant ainsi les propriétés électrochimiques. Cela peut être utilisé pour développer des capteurs capables de détecter des gaz autres que le NO2, tels que les gaz résiduels produits lors des processus de fabrication des semi-conducteurs. L’excellente réactivité chimique du matériau peut également être exploitée pour améliorer les performances des catalyseurs d’électrolyse pour la production d’hydrogène.

Le Dr Jihun Mun, chercheur principal de l’équipe de métrologie intégrée des semi-conducteurs KRISS, a déclaré : « Cette technologie, qui surmonte les limites des capteurs de gaz conventionnels, répondra non seulement aux réglementations gouvernementales, mais facilitera également une surveillance précise des conditions atmosphériques nationales. Nous poursuivrons les recherches de suivi afin que cette technologie puisse être appliquée au développement de divers capteurs et catalyseurs de gaz toxiques, allant au-delà de la surveillance du NO2 dans l’atmosphère.

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En tant qu’institut national de métrologie (INM) de Corée fondé en 1975, le KRISS (Institut coréen de recherche sur les normes et les sciences) a développé une technologie d’étalons de mesure et a joué un rôle central dans la mise à niveau des principales industries coréennes au niveau mondial.

Les résultats de cette étude, soutenus par le projet fondamental du KRISS et le projet de développement de la technologie des nanomatériaux du ministère des Sciences et des TIC, ont été publiés dans le numéro d’août de Petites structures (IF : 15.9), une revue académique prestigieuse dans le domaine de la science des matériaux.