Kreditera: ACS-sensorer (2020). DOI:10.1021/acssensors.9b02318
En integrerad detektoranordning skulle kunna utgöra grunden för ett distribuerat luftkvalitetssensornätverk.
Designen för en elektronisk sensor som larmar om giftiga industri- och fordonsavgaser överstiger säkra nivåer kan leda till renare luft i många städer. KAUST-forskare har utvecklat en liten, lågkostnadsenhet som känner av kvävedioxid (NO 2 ); det kan distribueras i potentiella hotspots runt städer, varna myndigheterna om nivåerna av den skadliga gasen börjar öka.
De flesta befintliga NO 2 detektorer är stora, komplexa maskiner lämpade för laboratorieanvändning, medan den nya kompakta enheten är utformad för att ingå i ett distribuerat nätverk av luftkvalitetssensorer. "Vår sensor uppvisar mycket hög känslighet och selektivitet för NO 2 , fungerar i rumstemperatur och har mycket låg strömförbrukning, " säger Mani Vijjapu, en Ph.D. student i Khaled Salamas labb, som ledde forskningen.
Dock, den största fördelen jämfört med tidigare konstruktioner är att gasdetektorn samlar alla nödvändiga avkännings- och signalbehandlingskomponenter i en enkel, helt integrerat system, säger Vijjapu. Trots sin enkelhet, enhetens utsignal varierar beroende på NO 2 koncentration.
Gasdetektorns höga prestanda, låg strömförbrukning och helt integrerad design kommer alla från NO 2 -avkännande tunnfilmstransistor i enhetens kärna. Tidigare sensorer har använt metalloxider som är känsliga för NO 2 endast när den värms upp eller kontinuerligt bestrålas med ljus. Den här gången, laget använde en halvledare som heter indium gallium zinkoxid (IGZO). "Som en gassensor, den IGZO-baserade tunnfilmstransistorn har mångfacetterade fördelar, " säger Sandeep Surya, en postdoktor i Salamas team.
IGZO tunnfilmstransistorn fungerar både som en elektronisk komponent i enheten och även som NO 2 -avkännande lager. Det starkt elektronaccepterande NO 2 molekylen dras till elektronerna på transistorns yta. Ju mer NEJ 2 molekyler som fäster vid IGZO, ju fler elektroner utarmas från dess yta, ändrar dess elektroniska utgång och utlöser ett NEJ 2 detektionsvarning.
Efter en upptäcktshändelse, sensorn återställs genom att återuppliva IGZO-skiktet med ljuset från en integrerad blå LED. I likhet med en solcell, ljuset genererar negativt laddade elektroner och positivt laddade hål i IGZO, som neutraliserar det adsorberade NO 2 och släpper den från ytan. "Detta är den första studien för att uppnå avkänning och återupplivning av en halvledande metalloxidbaserad tunnfilmstransistorsensor vid rumstemperatur, säger Surya.
"Nästa steg är att översätta vår forskning till en prototyp och kanske till och med en produkt genom att arbeta med industrin, Salama säger. "Vi är också intresserade av att utforska andra material för att upptäcka andra farliga gaser i miljön."
