Leveraging laser technology as synthesis method for gas-sensing materials

Abstract

Des del seu descobriment el 2004, el grafè ha destacat per les seves propietats úniques, permetent el seu ús en dispositius òptics, sensors i tecnologies de gestió energètica. Tanmateix, els mètodes tradicionals per sintetitzar grafè, com l'exfoliació mecànica o la deposició química de vapor (CVD), són complexos, costosos i poc sostenibles. Com a resposta, la tecnologia de grafè induït per làser (LIG) ha sorgit com una alternativa eficient, que permet produir grafè directament a l’aire i a temperatura ambient, sense necessitar atmosferes controlades ni passos addicionals. Un dels principals reptes del LIG és optimitzar els paràmetres del làser per garantir qualitat i funcionalitat, evitant problemes com l'ablació del material o l’oxidació. Per abordar-ho, es va desenvolupar una eina de bessó digital que combina simulació i aprenentatge automàtic per predir característiques clau del LIG, com la seva morfologia i resistència elèctrica. Aquest enfocament ha permès optimitzar LIG per a aplicacions en sensors de gas. En particular, s’ha demostrat que un LIG amb morfologia de fibres lanoses i baixa resistència elèctrica és altament eficient en la detecció de NO₂. A més, es van fabricar sensors basats en nanocompostos de LIG i polímers conductors (PPy i PANI) per a la detecció d’NH₃, mostrant alta sensibilitat i estabilitat. Finalment, es va presentar una tècnica innovadora per produir grafè vítri d'alta qualitat en substrats de silici, útil per fabricar sensors capaços de detectar NO₂ a nivells de ppb en condicions d'humitat.

Desde su descubrimiento en 2004, el grafeno ha destacado por sus propiedades únicas, permitiendo su uso en dispositivos ópticos, sensores y tecnologías de gestión energética. Sin embargo, los métodos tradicionales para sintetizar grafeno, como la exfoliación mecánica o la deposición química de vapor (CVD), son complejos, costosos y poco sostenibles. En respuesta, la tecnología de grafeno inducido por láser (LIG) ha surgido como una alternativa eficiente, que permite producir grafeno directamente en aire y a temperatura ambiente, sin atmósferas controladas ni pasos adicionales. Uno de los principales retos del LIG es optimizar los parámetros del láser para garantizar calidad y funcionalidad, evitando problemas como la ablación del material o la oxidación. Para ello, se desarrolló una herramienta de gemelo digital que combina simulación y aprendizaje automático para predecir características clave del LIG, como su morfología y resistencia eléctrica. Este enfoque ha permitido optimizar LIG para aplicaciones en sensores de gas. En particular, se demostró que un LIG con morfología de fibras lanudas y baja resistencia eléctrica es altamente eficiente en la detección de NO₂. Además, se fabricaron sensores basados en nanocompuestos de LIG y polímeros conductores (PPy y PANI) para la detección de NH₃, mostrando alta sensibilidad y estabilidad. Finalmente, se presentó una técnica innovadora para producir grafeno vítreo de alta calidad en sustratos de silicio, útil para fabricar sensores capaces de detectar NO₂ a niveles de ppb en condiciones de humedad.

Since its discovery in 2004, graphene has stood out for its unique properties, enabling its use in optical devices, sensors, and energy management technologies. However, traditional methods for synthesizing graphene, such as mechanical exfoliation or chemical vapor deposition (CVD), are complex, costly, and unsustainable. In response, laser-induced graphene (LIG) technology has emerged as an efficient alternative, allowing the production of graphene directly in air and at room temperature, without controlled atmospheres or additional steps. One of the main challenges of LIG is optimizing laser parameters to ensure quality and functionality, avoiding issues such as material ablation or oxidation. To address this, a digital twin tool was developed, combining simulation and machine learning to predict key LIG characteristics, such as morphology and electrical resistance. This approach has enabled LIG optimization for gas sensor applications. Specifically, LIG with a woolly fiber morphology and low electrical resistance was shown to be highly efficient in detecting NO₂. Furthermore, sensors based on LIG-polymer nanocomposites (PPy and PANI) for NH₃ detection were fabricated, demonstrating high sensitivity and stability. Finally, an innovative technique was presented for producing high-quality vitreous graphene on silicon substrates, useful for fabricating sensors capable of detecting NO₂ at ppb levels under humid conditions.