开发一种由纳米线阵列制成的气体传感器

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据麦姆斯咨询报道,澳大利亚国立大学(Australian National University)的研究人员开发出了一种由纳米线阵列制成的气体传感器,凭借小尺寸很容易集成到硅芯片中。并且,据论文主要作者Shiyu Wei介绍,这款传感器不需要电源,能够通过太阳能为自己供电。

Wei补充称:“将这样的器件集成到物联网传感器网络中,其低功耗在系统规模和成本方面提供了巨大的优势。这种传感器还可以安装在汽车里,如果检测到尾气中排放的二氧化氮(NO2)超标,能够发出警报并将信息发送至手机。”

该论文共同主要作者Zhe Li博士说:“这款传感器还只是一个开始。该技术还可以检测其他气体,如丙酮。丙酮可以作为酮症(包括糖尿病酮症)的非侵入性呼吸测试,这可以挽救无数人的生命。”

现有的气体探测器通常体积大、速度慢,并且需要训练有素的操作人员。相比之下,研究人员开发的这种自供电气体传感器可以在没有电源的情况下,实现对1 ppm NO2的84%感测响应,并记录了低至亚ppb浓度水平的检测极限。并且,该传感器对入射光强度的依赖较小,即使在小于5%的太阳光照下也可以运行。

NO2是氮氧化物类污染物之一。它不仅会导致酸雨,而且即使在浓度很小的情况下,也会对人体造成危害。NO2是常见的汽车排放污染物,室内煤气灶也会产生NO2。

气体传感器

该器件的关键是一个PN结——太阳能电池引擎——位于基底上的纳米线(直径约100纳米、高3~4微米的微型六边形柱)。该传感器包含了由数千个间隔约600纳米的纳米线太阳能电池组成的有序阵列。

整个器件由磷化铟(InP)制成,基底掺杂锌以形成P型区,纳米线尖端的N型区掺杂硅。每个纳米线的中间部分是未掺杂的(本征部分,I),将P和N型区分开。

气体传感器

照射在器件上的光会导致微电流在P和N型区之间流动。当PN结的本征中间部分接触到NO2(一种会吸走电子的强氧化剂),会导致电流下降。

利用这种电流变化,可以实现空气中NO2浓度的检测。澳大利亚国立大学电子材料工程系博士后Zhe Li经过数值模拟表明,PN结的设计和制造对于信号最大化至关重要。

NO2的特性——强吸附、强氧化——使磷化铟很容易将其与其他气体区分开来。该传感器还可以进一步优化,通过使磷化铟纳米线表面功能化以检测其他气体。

研究团队负责人Lan Fu教授表示:“最终目标是在一颗微芯片上感测多种气体。除了环境污染物,这些传感器还可以用于医疗保健,例如疾病生物标志物的呼吸测试等。这种微型气体传感器易于集成和扩展。与超构光学元件相结合,有望实现具有高性能和多功能的多路复用传感器,适用于智能传感网络。”

Lan Fu教授补充说:“我们开发的技术有望在未来几年改变我们的社会和生活,大规模部署这种智能物联网技术,进行实时数据采集和自动响应,可用于空气污染监测、工业化学品危害检测、智慧城市以及个人医疗保健等领域。”





审核编辑:刘清

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