Nieuwe nanodraadsensoren zijn de volgende stap in het internet der dingen

Een nieuwe minuscule stikstofdioxidesensor kan helpen het milieu te beschermen tegen verontreinigende stoffen van voertuigen die longziekte en zure regen veroorzaken.

Onderzoekers van TMOS, het Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems van de Australian Research Council, hebben een sensor ontwikkeld die is gemaakt van een reeks nanodraden, in een vierkant van een vijfde van een millimeter per zijde, wat betekent dat hij gemakkelijk in een siliciumchip kan worden ingebouwd .

In onderzoek gepubliceerd in het laatste nummer van Geavanceerde materialen, Ph.D. geleerde van het Australian National University-team van het centrum en hoofdauteur Shiyu Wei beschrijft dat de sensor geen stroombron nodig heeft, omdat hij op zijn eigen generator op zonne-energie werkt.

Wei zegt: “Omdat we dit soort apparaten integreren in het sensornetwerk voor de Internet of Things-technologie, is een laag stroomverbruik een enorm voordeel in termen van systeemomvang en kosten. De sensor kan in uw auto worden geïnstalleerd met een alarm dat afgaat en waarschuwingen naar je telefoon gestuurd als het gevaarlijke niveaus van stikstofdioxide detecteert die uit de uitlaat komen.”

Mede-hoofdauteur Dr. Zhe Li zegt: “Dit apparaat is nog maar het begin. Het zou ook kunnen worden aangepast om andere gassen te detecteren, zoals aceton, dat zou kunnen worden gebruikt als een niet-invasieve ademtest van ketose, waaronder diabetische ketose, wat zou kunnen talloze levens redden.

Bestaande gasdetectoren zijn omvangrijk en traag en vereisen een getrainde operator. Het nieuwe apparaat kan daarentegen snel en gemakkelijk minder dan 1 deel per miljard meten, en het TMOS-prototype gebruikte een USB-interface om verbinding te maken met een computer.

Stikstofdioxide is een van de NOx-categorie van verontreinigende stoffen. Het draagt ​​niet alleen bij aan zure regen, maar is zelfs in kleine concentraties gevaarlijk voor de mens. Het is een veel voorkomende verontreinigende stof in auto’s en wordt ook binnenshuis veroorzaakt door gasfornuizen.

De sleutel tot het apparaat is een PN-overgang – de motor van een zonnecel – in de vorm van een nanodraad (een kleine zeshoekige pilaar met een diameter van ongeveer 100 nanometer, hoogte 3 tot 4 micron) die op een basis zit. Een geordende reeks van duizenden nanodraad-zonnecellen, ongeveer 600 nanometer uit elkaar geplaatst, vormde de sensor.

Het hele apparaat was gemaakt van indiumfosfide, met de basis gedoteerd met zink om het P-deel te vormen, en het N-gedeelte aan het uiteinde van de nanodraden, gedoteerd met silicium. Het middelste deel van elke nanodraad was ongedoteerd (de intrinsieke sectie, I) die de P- en N-secties scheidde.

Licht dat op het apparaat valt, veroorzaakt een kleine stroom tussen de N- en P-secties. Als het intrinsieke middengedeelte van de PN-overgang echter wordt aangeraakt door stikstofdioxide, een sterke oxidator die elektronen wegzuigt, veroorzaakt dit een dip in de stroom.

Aan de hand van de grootte van de dip kan de concentratie van stikstofdioxide in de lucht worden berekend. Numerieke modellering door Dr. Zhe Li, een postdoctoraal fellow in EME, toonde aan dat het ontwerp en de fabricage van de PN-overgang cruciaal zijn voor het maximaliseren van het signaal.

De kenmerken van stikstofdioxide – sterke adsorptie, sterke oxidatie – maken het voor indiumfosfide gemakkelijk om het te onderscheiden van andere gassen. De sensor kan ook worden geoptimaliseerd om andere gassen te detecteren door het oppervlak van de indiumfosfide nanodraad te functionaliseren.

TMOS-hoofdonderzoeker professor Lan Fu, leider van de onderzoeksgroep zegt: “Het uiteindelijke doel is om meerdere gassen op één kleine chip te detecteren. Naast milieuverontreinigende stoffen kunnen deze sensoren ook worden ingezet voor de gezondheidszorg, bijvoorbeeld voor ademtesten voor biomarkers. van ziekte.

“De kleine gassensor is eenvoudig te integreren en schaalbaar. Dit, gecombineerd met meta-optica, belooft multiplexing-sensoren te bereiken met hoge prestaties en meerdere functionaliteiten, waardoor ze in slimme detectienetwerken kunnen passen. TMOS is een netwerk van onderzoeksgroepen over de hele wereld. Australië toegewijd aan het bevorderen van dit veld.

“De technologieën die we ontwikkelen zullen ons leven en onze samenleving de komende jaren transformeren, met grootschalige implementatie van Internet of Things-technologie voor realtime gegevensverzameling en autonome respons in toepassingen zoals monitoring van luchtverontreiniging, detectie van industriële chemische gevaren, slimme steden en persoonlijke gezondheidszorg.”