Lavpris CO-sensor udviklet ved hjælp af nanoskala honeycomb-strukturer

Forskere ved Indian Institute of Science (IISc) har udviklet en meget følsom, lavpris nanosensor, der hurtigt kan registrere små ændringer i kulilte (CO) niveauer, med potentielle anvendelser inden for miljøforureningsovervågning.

Holdet brugte en ny fremstillingsteknik, der udelader litografi, en tidskrævende og dyr proces, at konstruere en honeycomb-lignende nanostruktur bestående af zinkoxid. Sensoren var i stand til at detektere en forskel i CO-niveau så lavt som 500 ppm og reagere selektivt på CO selv i nærvær af andre gasser. Den ikke-litografiske teknik reducerer også betydeligt tiden og omkostningerne ved fremstilling af nanostrukturerede gassensorer.

Undersøgelsen blev udført af Chandra Shekhar Prajapati, postdoc, og Navakanta Bhat, formand og professor, Center for Nano Science and Engineering (CeNSE), IISc, sammen med forskere ved KTH, Sverige.

"Størrelsen af ​​selve sensoren er mindre end 1 mm, " siger Bhat. "Hvis du kombinerer det med resten af ​​signalbehandlingselektronikken og et lille display, den må ikke være mere end et par cm. Dette kan integreres med en mobiltelefon eller en lille enhed ved hvert trafiksignal, som kan overføre data til din mobiltelefon via Bluetooth."

Konventionelle mikrobearbejdede CO-sensorer har et fladt lag zinkoxid, en metaloxid-halvleder, som strømmen løber igennem. Når de udsættes for CO, lagets modstand ændres, påvirker mængden af ​​strøm, der løber igennem. Hvor meget modstanden ændrer sig kan kortlægges til hvor meget CO der er.

At skabe nanostrukturer på flad zinkoxid forbedrer følsomheden, efterhånden som det tilgængelige areal til gasinteraktion øges. Imidlertid, fremstilling af disse nanosensorer ved hjælp af traditionel litografi - en tidskrævende, flertrinsproces, hvor metaloxidskabeloner ætses på et lysfølsomt materiale - kræver sofistikeret udstyr.

I stedet, forskerne brugte små perler af polystyren, der arrangerer sig selv i et tæt pakket lag, når de blev spredt på en oxideret siliciumoverflade. Når zinkoxid tilsættes, det sætter sig i de sekskantede mellemrum mellem perlerne. Når perlerne så "løftes af, "det der er tilbage er en 3-D honeycomb af zinkoxid, med et meget større overfladeareal til rådighed for gasinteraktion end en flad plade.

Teknikken kan koste betydeligt mindre end litografibaserede metoder, siger forskerne. "Du kan købe en pakke af disse polystyrenperler i mikronstørrelse på markedet for Rs. 4000-5000, som kan bruges til at skabe nanostrukturer på tusindvis af sensorer. Dette resulterer i en betydelig omkostningsreduktion sammenlignet med traditionelle litografi-baserede teknikker til at danne sådanne honningkager, " siger Prajapati. Derudover processen tager kun et par minutter, mens litografi-baserede flertrinsmetoder kan tage et par timer, tilføjer han.

Til miljømæssige applikationer, gassensorer skal være både meget følsomme (registrer meget lave niveauer) og selektive (detekterer en specifik gas i nærvær af andre gasser). Forskerne udviklede sensorer med varierende vægbredde af honeycomb, og fandt ud af, at den med den mindste bredde (~100 nm) var i stand til at detektere en ændring på endda 500 ppm i CO-koncentration. Ved test med en blanding af gasser, sensoren viste også en markant større respons for CO.

Den polystyrenbaserede metode kan bruges til at udvikle lignende bikage-nanostrukturer for andre metaloxider til at detektere andre gasser, siger forskerne. "Det, vi har, er en generisk platform. Du kan lave den samme nano-strukturering for forskellige metaloxid-halvledersensorer, " siger Bhat.

Bhat og hans team har arbejdet på at udvikle miniaturesensorer til luftkvalitetsovervågning i flere år. De har tidligere udviklet et hybrid sensorarray til at detektere fire forskellige gasser samtidigt.