Een team van de Faculteit der Natuurkunde van de Lomonosov Moscow State University heeft voorgesteld om poreuze silicium nanodraadarrays te gebruiken in zeer gevoelige gassensoren. Deze apparaten zullen de aanwezigheid van giftige en niet-toxische gasmoleculen in de lucht bij kamertemperatuur kunnen detecteren. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Physica Status Solidi A:toepassingen en materiaalkunde .

Rekening houdend met de hoge niveaus van milieuvervuiling in de moderne wereld, het is belangrijk om gevoelige apparaten te ontwikkelen die in staat zijn om gasfasemoleculen nauwkeurig en selectief te identificeren. Echter, de meeste moderne gassensoren werken alleen bij hoge temperaturen, wat de reikwijdte van hun toepassing beperkt. Daarom, de ontwikkeling van herbruikbare, zeer gevoelige gasdetectoren die werken bij kamertemperatuur is een belangrijk gebied van de moderne natuurkunde.

De wetenschappers van MSU stelden voor om poreuze silicium nanodraadarrays te gebruiken als gevoelige elementen van dergelijke detectoren. Ze kunnen worden verkregen door middel van een goedkope methode van chemisch etsen met metaal. Het is gebaseerd op selectief chemisch etsen, d.w.z. gedeeltelijke verwijdering van oppervlaktelaag van een bulk kristallijn silicium met behulp van metalen nanodeeltjes als katalysator. Bovendien, de procedure is snel:binnen een uur kunnen minstens 100 elementen in een laboratorium worden geproduceerd.

Elke sensor bestaat uit een reeks van 10 micron lange georganiseerde silicium nanodraden met een diameter van 100 tot 200 nm. Elke nanodraad heeft een poreuze kristallijne structuur. De grootte van siliciumkristallen en poriën daartussen in individuele nanodraad, varieert van drie tot vijf nanometer.

Auteurs hebben aangetoond dat dergelijke poreuze nanodraden een enorm specifiek oppervlak hebben, waardoor hun fysische en chemische eigenschappen extreem gevoelig zijn voor de moleculaire omgeving. Er werd ook ontdekt dat de verkregen monsters een effectieve fotoluminescentie vertoonden in het rode spectrumgebied bij kamertemperatuur.

"Voor het eerst hebben we aangetoond dat fotoluminescentie van silicium nanodraden wordt geblust in zuurstof (O ₂ ) atmosfeer maar daarna hersteld tot de oorspronkelijke waarden in de atmosfeer van een edelgas-stikstof (N ₂ ). Dit wordt herhaald in verschillende adsorptie-desorptiecycli, " zei Liubov Osminkina, het hoofd van de wetenschappelijke groep.

De wetenschappers legden de experimentele resultaten uit met een microscopisch model volgens welke de gevoeligheid van optische eigenschappen van de monsters voor hun moleculaire omgeving wordt bepaald door omkeerbaar opladen en ontladen van Pb-centra - defecten zoals bungelende siliciumbindingen op het oppervlak van de nanodraden. De auteurs bevestigden het model met metingen die werden gedaan met behulp van de elektronische paramagnetische resonantiemethode die helpt bij het bepalen van het bestaan ​​en de concentratie van Pb-centra.

"Wat belangrijk is, is dat onze sensoren op basis van poreuze nanodraden zowel bij huistemperaturen werken als herbruikbaar zijn, omdat alle waargenomen effecten volledig omkeerbaar waren, " voegde Liubov Osminkina toe.

De nieuwe sensoren kunnen zowel worden gebruikt voor een effectieve controle van milieuvervuilingsniveaus als voor het bewaken van de luchtsamenstelling in gesloten ruimtes, van klaslokalen tot ruimtestations.