Forskere udvikler meget følsomme gassensorer

Et hold fra Det Fysiske Fakultet ved Lomonosov Moscow State University har foreslået at bruge porøse siliciumnanowire-arrays i meget følsomme gassensorer. Disse enheder vil være i stand til at detektere tilstedeværelsen af ​​giftige og ikke-giftige gasmolekyler i luften ved stuetemperatur. Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort i Physica Status Solidi A:Anvendelses- og materialevidenskab .

Under hensyntagen til høje niveauer af miljøforurening i den moderne verden, det er vigtigt at udvikle følsomme enheder, der er i stand til at identificere gasfasemolekyler nøjagtigt og selektivt. Imidlertid, de fleste moderne gassensorer fungerer kun ved høje temperaturer, hvilket begrænser omfanget af deres anvendelse. Derfor, udvikling af genanvendelige, meget følsomme gasdetektorer, der arbejder ved stuetemperatur, er et vigtigt område af moderne fysik.

Forskerne fra MSU foreslog at bruge porøse siliciumnanowire-arrays som følsomme elementer i sådanne detektorer. De kan fås ved hjælp af en billig metode til metalassisteret kemisk ætsning. Det er baseret på selektiv kemisk ætsning, dvs. delvis fjernelse af overfladelag fra en bulk krystallinsk silicium med brug af metal nanopartikler som katalysator. I øvrigt, proceduren er hurtig - mindst 100 elementer kan produceres i et laboratorium inden for blot en time.

Hver sensor består af et array af 10 mikron lange organiserede silicium nanotråde med diametre fra 100 til 200 nm. Hver nanotråd har porøs krystallinsk struktur. Størrelsen af ​​siliciumkrystaller og porer mellem dem i individuelle nanotråd, varierer fra tre til fem nanometer.

Forfattere har vist, at sådanne porøse nanotråde har et enormt specifikt overfladeareal, på grund af hvilket deres fysiske og kemiske egenskaber er ekstremt følsomme over for molekylært miljø. Det blev også fundet ud af, at de opnåede prøver udviste en effektiv fotoluminescens i det røde spektrumområde ved stuetemperatur.

"For første gang har vi vist, at fotoluminescens af siliciumnanotråde slukkes i oxygen (O ₂ ) atmosfære, men derefter genoprettet til begyndelsesværdier i atmosfæren af ​​en ædelgas-nitrogen (N ₂ ). Dette gentages i adskillige adsorptions-desorptionscyklusser, " sagde Liubov Osminkina, lederen af ​​den videnskabelige gruppe.

Forskerne forklarede de eksperimentelle resultater med en mikroskopisk model, ifølge hvilken følsomheden af ​​prøvernes optiske egenskaber over for deres molekylære miljø bestemmes af reversibel opladning og afladning af Pb-centre - defekter såsom silicium dinglende bindinger på overfladen af ​​nanotrådene. Forfatterne bekræftede modellen med målinger taget ved hjælp af den elektroniske paramagnetiske resonansmetode, der hjælper med at bestemme eksistensen og koncentrationen af ​​Pb-centre.

"Det, der er vigtigt, er, at vores sensorer baseret på porøse nanotråde både fungerer ved hjemmetemperaturer og også kan genbruges, fordi alle observerede effekter var fuldstændig reversible, " tilføjede Liubov Osminkina.

De nye sensorer kan bruges både til effektiv kontrol af miljøforureningsniveauer og til overvågning af luftsammensætning i lukkede rum, fra klasseværelser til rumstationer.