Onderzoekers van het Indian Institute of Science (IISc) hebben een zeer gevoelige, goedkope nanosensor die snel minieme veranderingen in koolmonoxide (CO) -niveaus kan detecteren, met mogelijke toepassingen in de monitoring van milieuvervuiling.

Het team gebruikte een nieuwe fabricagetechniek die lithografie weglaat, een tijdrovend en kostbaar proces, om een ​​honingraatachtige nanostructuur te bouwen die bestaat uit zinkoxide. De sensor kon een verschil in CO-niveau van slechts 500 delen per miljard detecteren en selectief reageren op CO, zelfs in de aanwezigheid van andere gassen. De niet-lithografische techniek vermindert ook aanzienlijk de tijd en kosten die gemoeid zijn met het maken van nanogestructureerde gassensoren.

De studie werd uitgevoerd door Chandra Shekhar Prajapati, postdoctoraal fellow, en Navakanta Bhat, voorzitter &hoogleraar, Centrum voor Nano Wetenschap en Engineering (CeNSE), IISc, samen met onderzoekers van het KTH Royal Institute of Technology, Zweden.

"De grootte van de sensor zelf is minder dan 1 mm, "zegt Bhat. "Als je het combineert met de rest van de signaalverwerkingselektronica en een klein display, het mag niet meer dan een paar cm zijn. Dit kan worden geïntegreerd met een mobiele telefoon of een klein apparaat bij elk verkeerslicht dat de gegevens via Bluetooth naar uw mobiele telefoon kan verzenden."

Conventionele micro-gefreesde CO-sensoren hebben een vlakke laag zinkoxide, een metaaloxide halfgeleider, waardoor stroom vloeit. Bij blootstelling aan CO, de weerstand van de laag verandert, invloed op de hoeveelheid stroom die er doorheen gaat. Hoeveel de weerstandsveranderingen kunnen worden toegewezen aan hoeveel CO er is.

Het maken van nanostructuren op plat zinkoxide verbetert de gevoeligheid, naarmate het beschikbare gebied voor gasinteractie toeneemt. Echter, het maken van deze nanosensoren met behulp van traditionele lithografie - een tijdrovende, meerstapsproces waarbij metaaloxidesjablonen worden geëtst op een lichtgevoelig materiaal - vereist geavanceerde apparatuur.

In plaats daarvan, de onderzoekers gebruikten kleine bolletjes polystyreen die zichzelf in een dicht opeengepakte laag rangschikken wanneer ze op een geoxideerd siliciumoppervlak werden uitgespreid. Wanneer zinkoxide wordt toegevoegd, het nestelt zich in de zeshoekige openingen tussen de kralen. Wanneer de kralen dan worden "opgetild, " wat overblijft is een 3D-honingraat van zinkoxide, met een veel groter oppervlak beschikbaar voor gasinteractie dan een vlakke plaat.

De techniek zou aanzienlijk minder kunnen kosten dan op lithografie gebaseerde methoden, zeggen de onderzoekers. "Je kunt een pakje van deze microstyreenkralen op de markt kopen voor Rs. 4000-5000, waarmee nanostructuren op duizenden sensoren kunnen worden gemaakt. Dit resulteert in een aanzienlijke kostenbesparing in vergelijking met traditionele op lithografie gebaseerde technieken om dergelijke honingraten te vormen, " zegt Prajapati. Bovendien, het proces duurt slechts een paar minuten, terwijl op lithografie gebaseerde meerstapsmethoden enkele uren kunnen duren, hij voegt toe.

Voor milieutoepassingen, gassensoren moeten zowel zeer gevoelig (detectie van zeer lage niveaus) als selectief zijn (detectie van een specifiek gas in aanwezigheid van andere gassen). De onderzoekers ontwikkelden sensoren met variërende honingraatwandbreedte, en ontdekte dat degene met de kleinste breedte (~ 100 nm) een verandering van zelfs 500 delen per miljard in CO-concentratie kon detecteren. Wanneer getest met een mengsel van gassen, de sensor vertoonde ook een duidelijk grotere respons voor CO.

De op polystyreen gebaseerde methode kan worden gebruikt om vergelijkbare honingraat-nanostructuren te ontwikkelen voor andere metaaloxiden om andere gassen te detecteren, zeggen de onderzoekers. "Wat we hebben is een generiek platform. Je kunt dezelfde nanostructurering doen voor verschillende metaaloxide-halfgeleidersensoren, " zegt Bhat.

Bhat en zijn team werken al enkele jaren aan de ontwikkeling van miniatuursensoren voor het monitoren van de luchtkwaliteit. Ze ontwikkelden eerder een hybride sensorarray om vier verschillende gassen tegelijk te detecteren.