Sensor de gás que opera a baixas temperaturas

O óxido de gálio (Ga2O3) é um material bastante utilizado como sensor de gás em altas temperaturas (500 °C a 900 °C) e pode detectar alguns gases provenientes de combustão doméstica, como o monóxido de carbono (CO) e oxigênio (O2) e, também, amônia (NH3), que é um gás produzido em algumas indústrias e bastante tóxico, assim como o CO.  Minha ideia inicial no trabalho de conclusão de curso era desenvolver um sensor de gás a partir de espumas nanométricas de antimoneto de gálio (GaSb), aproveitando a gigantesca área superficial oferecida por essas espumas, que naturalmente formam uma camada de óxido na superfície devido à grande afinidade do GaSb por oxigênio.

O trabalho foi possível graças ao equipamento desenvolvido durante o projeto de mestrado do engenheiro Leandro Tedesco Rosseto, que trabalha no Laboratório de Implantação Iônica da UFRGS e deixou como legado do seu trabalho um equipamento capaz de medir mudanças na resistência elétrica de filmes finos na presença de gás. A detecção de gás é fortemente influenciada pela porosidade do material: espera-se que um material poroso detecte uma quantidade maior de gás do que um material compacto (não poroso), devido à maior área de superfície.

Os primeiros testes foram feitos com CO2, e para esse gás não foram observadas mudanças significativas na resistência do material na presença de gás. Esse resultado indica que o GaSb não é um bom detector de CO2 (para temperaturas entre 25 °C e 200 °C).

Já para o O2, foram feitos diversos testes, variando a temperatura de 25 a 200 °C, e foram obtidos resultados bastante promissores para a detecção de gás em baixas temperaturas. Foi possível, inclusive, observar uma variação significativa de resistência da espuma nanométrica de GaSb em temperatura ambiente. Esse é um resultado bastante interessante porque pode viabilizar a fabricação de um sensor de gás com baixos custos de fabricação e operação, já que não será necessário criar um hardware para fazer o processo de aquecimento do material. Em contrapartida, um filme fino compacto não apresentou mudanças significativas de resistência na presença desse gás em temperatura ambiente.

A variação de resistência na presença de O2 é bastante acentuada conforme se aumenta a temperatura do filme fino de GaSb. Tanto filmes finos porosos quanto compactos apresentam alguma mudança no valor de resistência na presença de gás em temperaturas acima de 50 °C, que é uma temperatura relativamente baixa.

Apesar de ter algum custo a mais na operação pela necessidade de aquecimento, a viabilidade para fabricar esse sensor é muito maior se comparado a um sensor que precise ser aquecido até 500 °C para começar a operar, como é o caso de muitos dos sensores atualmente comercializados.

Realizando os testes, foi observada uma anomalia no comportamento da resistência dos filmes de GaSb em torno de 60 °C. Ainda não é possível afirmar se essa anomalia está relacionada a uma característica físico-química desse material ou se tem relação com o equipamento de medição, contudo, é bastante curioso e abre espaço para novos estudos.

Uma das espumas nanométricas de GaSb que foi testada passou por um processo irreversível ao ser aquecida até 150 °C. Após isso, a resistência do material não retornou para o valor inicial e inviabilizou novas medidas. Para fabricar um sensor comercializável e sustentável, é imprescindível que ele realize diversas detecções. A fim de contornar o processo irreversível que inviabilizou a reutilização do material, é necessário aquecer o sensor até temperaturas menores de 125 °C. Abaixo dessa temperatura, sabe-se que é possível obter resultados muito significativos.

Este estudo mostrou que é possível realizar a detecção de gases como o O2 em temperaturas relativamente baixas, inclusive em temperatura ambiente, utilizando espumas nanométricas de GaSb. Os resultados do trabalho são muito promissores e podem contribuir para o desenvolvimento futuro de sensores de gás de baixo custo de operação e com maior eficiência.

(*) Daniella Endres Moysés é graduanda em Engenharia Física pela UFRGS, e o projeto apresentado foi desenvolvido durante o seu trabalho de conclusão de curso, sob orientação de Raquel Giulian.