Um nanotubo altamente estável

Scientific Reports volume 11, Número do artigo: 22915 (2021) Citar este artigo

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O mercado de sensores de gás está crescendo rapidamente, impulsionado por muitos fatores socioeconômicos e industriais. Os sensores de gás de infravermelho médio (MIR) oferecem excelente desempenho para um número crescente de aplicações de detecção na área da saúde, casas inteligentes e no setor automotivo. Ter acesso a fontes de luz de baixo custo, miniaturizadas e energeticamente eficientes é de importância crítica para a integração monolítica de sensores MIR. Aqui, apresentamos uma fonte MIR térmica de banda larga on-chip fabricada pela combinação de uma microplaca de semicondutor de óxido de metal complementar (CMOS) com uma camada de corpo negro de nanotubo de carbono encapsulado dielétrico (CNT). A microplaca foi usada durante a fabricação como um microrreator para facilitar o crescimento de alta temperatura (>700 \(^{\circ }\)C) da camada de CNT e também para recozimento térmico pós-crescimento. Demonstramos, pela primeira vez, a operação estendida estável no ar de dispositivos com uma camada de CNT encapsulada em dielétrico em temperaturas de aquecimento acima de 600 \(^{\circ }\)C. Os dispositivos demonstrados exibem emissividade quase unitária em todo o espectro MIR, oferecendo uma solução ideal para espectroscopia MIR altamente integrada e de baixo custo para a Internet das Coisas.

Os sensores de gás estão no centro dos crescentes esforços de pesquisa e desenvolvimento, impulsionados por muitas aplicações científicas, industriais e comerciais1. Estes incluem o monitoramento de poluentes ambientais do desmatamento2, veículos e indústria3 e também a qualidade do ar dentro dos edifícios4. Há uma maior conscientização sobre o impacto da poluição do ar na saúde humana3, levando a um aumento na demanda por monitoramento da qualidade do ar de baixo custo, acessível, compacto e prontamente implantável5. Para sustentar a demanda global emergente, os sensores de gás devem atender a um equilíbrio adequado e desafiador entre desempenho e custo1. Além de serem economicamente viáveis, um número cada vez maior de sensores possui restrições de potência e volume rigorosas1, por exemplo, aqueles implantados na Internet das Coisas (IoT)6 e em plataformas móveis7. Esses requisitos motivam os pesquisadores a explorar novos materiais, designs e tecnologias para alcançar miniaturização, integração monolítica de componentes, baixo custo, consumo de energia reduzido e capacidade de fabricação1.

Entre as diversas tecnologias de detecção, os sensores ópticos de gás oferecem várias vantagens em termos de seletividade e estabilidade operacional de longo prazo1. Notavelmente, os sensores infravermelhos não dispersivos (NDIR) atualmente dominam o mercado de sensores de gás de dióxido de carbono (CO\(_2\)) e também atendem a muitas outras aplicações8. No entanto, apesar de suas vantagens inerentes (por exemplo, para detecção espectroscópica), os sensores de gás NDIR são atualmente empregados principalmente para a detecção de analitos únicos ou de algumas espécies ao mesmo tempo. Um limite para uma adoção mais ampla tem sido a disponibilidade de fontes de luz MIR de banda larga miniaturizadas que são de baixo custo e opticamente eficientes (indiscutivelmente o núcleo de um sensor óptico de gás)1. Fontes térmicas baseadas em bulbos têm sido tradicionalmente usadas, mas são frágeis, volumosas e têm eficiência óptica limitada em comprimentos de onda acima de 5 \(\upmu\)m. Os diodos emissores de luz (LED) oferecem melhor integração e confiabilidade, mas são mais caros de fabricar devido ao uso de tecnologias especializadas de semicondutores III–V9.

A exploração de processos padrão de semicondutor de óxido de metal complementar (CMOS) é uma maneira atraente de fabricar fontes e detectores MIR térmicos integrados de baixo custo e levou a muitos dispositivos inovadores baseados em sistemas microeletromecânicos (MEMS)1,10. Várias técnicas foram propostas para aumentar a emissividade/absortividade1 de dispositivos térmicos CMOS-MEMS, incluindo o uso de nanotubos de carbono (CNTs) adlayers oferecendo emissividade de banda larga próxima da unidade11,12 ou metamateriais plasmônicos para bandas MIR específicas13,14. A detecção espectroscópica multiespécie requer que a fonte MIR opere em um conjunto de bandas de ondas MIR alvo, tornando o aprimoramento geral da emissão de banda larga CNT11,12 atraente para a espectroscopia1. No entanto, apesar de suas vantagens de corpo negro15,16, até agora a maioria das pesquisas observou tal CNT e, em geral, todos os adlayers de nanocarbono grafítico, queimando no ar quando operados em temperaturas acima de 400 \(^{\circ }\)C17,18 . Isso representa um limite (emissão ótica e estabilidade operacional) para sua integração em fontes MIR de placa microquente CMOS MEMS, que normalmente são operadas nessas temperaturas19. Embora o uso de um gás inerte possa ser usado para evitar a queima do CNT, isso requer o uso de embalagens especiais de cerâmica ou metal hermeticamente seladas, o que pode impactar significativamente o custo20,21.