Azijndampmethode kan UV-sensoren 128.000 keer gevoeliger maken

Onderzoekers van Macquarie University hebben een nieuwe manier ontwikkeld om ultraviolette (UV) lichtsensoren te produceren, wat kan leiden tot efficiëntere en flexibelere draagbare apparaten.

De studie, gepubliceerd in het dagboek Klein in juli, laat zien hoe azijnzuurdamp (in feite azijndampen) de prestaties van sensoren op basis van zinkoxide-nanodeeltjes snel kan verbeteren zonder dat er hoge temperaturen nodig zijn voor de verwerking.

Medeauteur professor Shujuan Huang van de School of Engineering van Macquarie University zegt: “We ontdekten dat toen we de sensor kortstondig blootstelden aan azijndamp, aangrenzende deeltjes zinkoxide op het oppervlak van de sensor samensmolten en een brug vormden die energie kon geleiden.”

Het samenvoegen van zinkoxide-nanodeeltjes is een belangrijk onderdeel van de bouw van kleine sensoren, omdat hierdoor kanalen ontstaan ​​waar elektronen doorheen kunnen stromen.

Het onderzoeksteam ontdekte dat hun dampmethode UV-detectoren 128.000 keer gevoeliger kon maken dan onbehandelde exemplaren. Bovendien konden de sensoren nog steeds nauwkeurig UV-licht detecteren, zonder interferentie, waardoor ze zeer gevoelig en betrouwbaar waren.

Universitair hoofddocent Noushin Nasiri, medeauteur van het artikel en hoofd van het Nanotech Laboratory aan de Macquarie University, zegt: “Normaal gesproken worden deze sensoren in een oven verwerkt en ongeveer 12 uur lang op hoge temperatuur verhit, voordat ze kunnen werken of een signaal kunnen verzenden.”

In plaats daarvan vond het team een ​​eenvoudige chemische manier om de effecten van het hitteproces te kopiëren.

“We hebben een manier gevonden om deze sensoren op kamertemperatuur te verwerken met een heel goedkoop ingrediënt: azijn. Je stelt de sensor gewoon vijf minuten bloot aan azijndamp en dat is het: je hebt een werkende sensor,” zegt ze.

Om de sensoren te maken, spoten de onderzoekers een zinkoplossing in een vlam. Hierdoor ontstond een fijne nevel van zinkoxide-nanodeeltjes die zich op platina-elektroden nestelden.

Hierdoor ontstond een dun, sponsachtig laagje, dat ze vervolgens vijf tot twintig minuten aan azijndamp blootstelden.

De azijndamp veranderde de manier waarop de kleine deeltjes in de film werden gerangschikt, waardoor de deeltjes met elkaar verbonden bleven, zodat elektronen door de sensor konden stromen. Tegelijkertijd bleven de deeltjes klein genoeg om licht effectief te detecteren.

“Deze sensoren bestaan ​​uit heel veel kleine deeltjes die met elkaar verbonden moeten zijn om de sensor te laten werken”, zegt universitair hoofddocent Nasiri.

“Totdat we ze behandelen, zitten de deeltjes gewoon naast elkaar, bijna alsof er een muur omheen zit. Wanneer licht een elektrisch signaal in één deeltje creëert, kan het niet gemakkelijk naar het volgende deeltje reizen. Daarom geeft een onbehandelde sensor ons geen goed signaal.”

De onderzoekers hebben verschillende formules uitgebreid getest voordat ze de perfecte balans in hun proces vonden.

“Water alleen is niet sterk genoeg om de deeltjes te laten samensmelten. Maar pure azijn is te sterk en vernietigt de hele structuur,” zegt professor Huang. “We moesten precies de juiste mix vinden.”

De studie toont aan dat de beste resultaten werden behaald met sensoren die ongeveer 15 minuten aan de damp werden blootgesteld. Langere blootstellingstijden veroorzaakten te veel structurele veranderingen en slechtere prestaties.

“De unieke structuur van deze zeer poreuze nanofilms zorgt ervoor dat zuurstof diep kan doordringen, zodat de hele film deel uitmaakt van het sensormechanisme”, aldus professor Huang.

De nieuwe kamertemperatuur-damptechniek heeft veel voordelen ten opzichte van huidige hogetemperatuurmethoden. Het maakt het gebruik van hittegevoelige materialen en flexibele bases mogelijk, en is goedkoper en beter voor het milieu.

Volgens universitair hoofddocent Nasiri kan het proces eenvoudig op commerciële schaal worden toegepast.

“De sensormaterialen kunnen op een rollende plaat worden gelegd, door een afgesloten omgeving met azijndampen worden gevoerd en zijn in minder dan 20 minuten klaar voor gebruik.”

Het proces zal een groot voordeel zijn bij het ontwikkelen van draagbare UV-sensoren, die flexibel moeten zijn en heel weinig energie mogen verbruiken.

Volgens universitair hoofddocent Nasiri kan deze methode voor UV-sensoren ook worden gebruikt voor andere soorten sensoren, waarbij gebruik wordt gemaakt van eenvoudige chemische dampbehandelingen in plaats van sensorverwerking bij hoge temperaturen, en dat in een breed scala aan functionele materialen, nanostructuren en bases of substraten.