Новые нанопроводниковые сенсоры — следующий шаг к Интернету вещей
Миниатюрный сенсор диоксида азота может помочь защитить окружающую среду от автомобильных загрязнителей, вызывающих болезни лёгких и кислотные дожди.
Исследователи из TMOS (Австралийского центра передового опыта по трансформационным метаоптическим системам) разработали сенсор из массива нанопроводников размером 0.2 × 0.2 мм, что позволяет легко интегрировать его в кремниевый чип.
В исследовании, опубликованном в Advanced Materials, аспирант и ведущий автор Шию Вэй описывает сенсор, не требующий внешнего источника питания, так как он работает от собственного солнечного элемента.
Низкое энергопотребление — ключевое преимущество для интеграции в сети Интернета вещей, что снижает размер и стоимость системы. Такой сенсор можно установить в автомобиль для оповещения об опасном уровне NO2 в выхлопных газах.
Соавтор работы, доктор Чжэ Ли, отмечает, что устройство — лишь начало. Его можно адаптировать для детектирования других газов, например, ацетона, для неинвазивного дыхательного теста на кетоз, включая диабетический.
В отличие от громоздких и медленных существующих детекторов, требующих оператора, новое устройство быстро и легко измеряет концентрации менее 1 части на миллиард. Прототип TMOS подключался к компьютеру через USB.
Диоксид азота (NO2) — один из загрязнителей категории NOx. Он опасен для человека даже в малых концентрациях, способствует образованию кислотных дождей, выделяется автомобилями и газовыми плитами.
Ключевой элемент устройства — PN-переход (основа солнечного элемента) в форме нанопроводника (гексагональный столбик диаметром ~100 нм, высотой 3–4 мкм). Сенсор состоит из упорядоченного массива тысяч таких нанопроводниковых солнечных элементов с шагом ~600 нм.
Устройство изготовлено из фосфида индия (InP). Основа легирована цинком (P-область), а верхушка нанопроводников — кремнием (N-область). Средняя часть каждого нанопроводника не легирована (i-область), разделяя P- и N-секции.
Свет, падающий на устройство, генерирует небольшой ток между N- и P-областями. Однако если i-область PN-перехода взаимодействует с NO2 (сильным окислителем, забирающим электроны), это вызывает падение тока. Величина падения позволяет рассчитать концентрацию газа в воздухе.
Численное моделирование доктора Чжэ Ли показало, что дизайн и изготовление PN-перехода критичны для максимизации сигнала.
Сильная адсорбция и окислительная способность NO2 позволяют InP отличать его от других газов. Сенсор можно оптимизировать для детектирования других газов путём функционализации поверхности нанопроводников.
Главный исследователь TMOS, профессор Лань Фу, заявляет, что конечная цель — детектирование множества газов на одном маленьком чипе. Помимо экологического мониторинга, сенсоры можно использовать в здравоохранении (например, для дыхательных тестов на биомаркеры болезней).
Миниатюрный газовый сенсор легко интегрируем и масштабируем. В сочетании с метаоптикой это обещает создание мультиплексных сенсоров с высокой производительностью и множеством функций для интеллектуальных сетей. Технологии TMOS направлены на преобразование жизни и общества за счёт широкомасштабной реализации Интернета вещей для мониторинга загрязнения воздуха, обнаружения химических угроз, создания «умных» городов и персонального здравоохранения.