Anpassning av en svepelektronmikroskopi av kopparoxid -nanotrådar som överbryggar klyftan mellan angränsande kopparmikrostrukturer
Detekteringen av kolmonoxid (CO) i luften är en viktig fråga, eftersom CO är en giftig gas och en miljöförorening. CO kommer vanligtvis från ofullständig förbränning av kolbaserade bränslen, såsom matlagningsgas och bensin; den har ingen lukt, smak, eller färg och därför är det svårt att upptäcka. Forskare har undersökt sensorer som kan bestämma CO-koncentration, och ett team från Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), tillsammans med University of Toulouse, har hittat en innovativ metod för att bygga sådana sensorer.
Som ett verktyg för CO-detektion, forskare använder extremt små trådar:nanotrådar av kopparoxid. Kopparoxidnanotrådar reagerar kemiskt med CO, skapa en elektrisk signal som kan användas för att kvantifiera CO-koncentrationen. Dessa nanotrådar är så tunna att det är möjligt att passa mer än 1.000 av dem i medeltjockleken på ett människohår.
Två problem har hindrat användningen av nanotrådar. "Det första problemet är integrationen av nanotrådar i enheter som är tillräckligt stora för att hanteras och som också enkelt kan massproduceras, "sade prof Mukhles Sowwan, chef för Nanopartiklar av Design Unit vid OIST. "Den andra frågan är möjligheten att kontrollera antalet och positionen av nanotrådar i sådana enheter." Båda dessa svårigheter kan ha lösts av Dr Stephan Steinhauer, postdoktor vid OIST, tillsammans med prof Sowan, och forskare från University of Toulouse. De publicerade nyligen sin forskning i tidskriften ACS Sensors.
"För att skapa nanotrådar av kopparoxid, du måste värma närliggande kopparmikrostrukturer. Med utgångspunkt från mikrostrukturerna, nanotrådarna växer och överbryggar gapet mellan mikrostrukturerna, bildar en elektrisk anslutning mellan dem, Dr Steinhauer förklarade. "Vi integrerade kopparmikrostrukturer på en mikrovärmeplatta, utvecklad av universitetet i Toulouse. En mikrovärme är ett tunt membran som kan värma upp till flera hundra Celsius grader, men med mycket låg strömförbrukning." Tack vare mikrovärmeplattan, forskare har en hög grad av kontroll över kvantiteten och positionen av nanotrådarna. Också, Mikroplattan förser forskare med data om den elektriska signalen som går genom nanotrådarna.
Schematisk representation av nanotrådar av kopparoxid integrerade på en mikrovärmeplatta. I mitten av bilden, nanotrådar av kopparoxid överbryggar gapet mellan närliggande kopparmikrostrukturer.
Slutresultatet är en exceptionellt känslig enhet, kan upptäcka mycket låga halter av CO. "Potentiellt miniatyriserade CO-sensorer som integrerar nanotrådar av kopparoxid med mikrovärmeplattor är det första steget mot nästa generation av gassensorer, ", kommenterade prof Sowwan. "I motsats till andra tekniker, vårt tillvägagångssätt är kostnadseffektivt och lämpligt för massproduktion. "
Denna nya metod kan också hjälpa forskare att bättre förstå sensorns livslängd. En sensors prestanda minskar övertid, och detta är en stor fråga inom gasavkänning. Data som erhållits med denna metod kan hjälpa forskare att förstå mekanismerna bakom ett sådant fenomen, förse dem med information som börjar i början av sensorns livslängd. Traditionellt, forskare odlar först nanotrådarna, anslut sedan nanotrådarna till en enhet, och slutligen börja mäta CO-koncentrationen. "Vår metod gör det möjligt att odla nanotrådarna i en kontrollerad atmosfär, där du omedelbart kan utföra gasavkänningsmätningar, Dr Steinhauer noterade. "I grund och botten, du slutar växa och börjar mäta, alla på samma plats."
