Forskare vid Indian Institute of Science (IISc) har utvecklat en mycket känslig, billig nanosensor som snabbt kan upptäcka små förändringar i kolmonoxid (CO) -nivåer, med potentiella tillämpningar inom övervakning av miljöföroreningar.

Teamet använde en ny tillverkningsteknik som utesluter litografi, en tidskrävande och dyr process, att konstruera en bikakeliknande nanostruktur bestående av zinkoxid. Sensorn kunde upptäcka en skillnad i CO -nivå så låg som 500 delar per miljard och selektivt svara på CO även i närvaro av andra gaser. Icke-litografi tekniken minskar också avsevärt tid och kostnader för tillverkning av nanostrukturerade gassensorer.

Studien genomfördes av Chandra Shekhar Prajapati, postdoktor, och Navakanta Bhat, Ordförande och professor, Center for Nano Science and Engineering (CeNSE), IISc, tillsammans med forskare vid KTH Royal Institute of Technology, Sverige.

"Storleken på själva sensorn är mindre än 1 mm, "säger Bhat." Om du kombinerar det med resten av signalbehandlingselektroniken och en liten display, den får inte vara mer än ett par cm. Detta kan integreras med en mobiltelefon eller en liten enhet vid varje trafiksignal som kan överföra data till din mobiltelefon via Bluetooth. "

Konventionella mikrobearbetade CO-sensorer har ett plant lager zinkoxid, en metalloxid halvledare, genom vilken strömmen strömmar. Vid exponering för CO, lagrets motstånd förändras, påverkar mängden ström som flödar igenom. Hur mycket resistensförändringarna kan kartläggas till hur mycket CO det finns.

Att skapa nanostrukturer på platt zinkoxid förbättrar känsligheten, eftersom det tillgängliga området för gasinteraktion ökar. Dock, att göra dessa nanosensorer med traditionell litografi-en tidskrävande, flerstegsprocess där metalloxidmallar etsas på ett ljuskänsligt material-kräver sofistikerad utrustning.

Istället, forskarna använde små pärlor av polystyren som ordnar sig i ett tätt packat lager när de sprids på en oxiderad kiselyta. När zinkoxid tillsätts, det sätter sig i de sexkantiga luckorna mellan pärlorna. När pärlorna sedan "lyfts av, "det som återstår är en 3D-honungskaka av zinkoxid, med en mycket större ytarea tillgänglig för gasinteraktion än en platt platta.

Tekniken kan kosta betydligt mindre än litografibaserade metoder, säger forskarna. "Du kan köpa ett paket med dessa polystyrenpärlor i mikronstorlek på marknaden för 4000-5000 Rs. som kan användas för att skapa nanostrukturer på tusentals sensorer. Detta resulterar i betydande kostnadsminskning jämfört med traditionella litografibaserade tekniker för att bilda sådana bikakor, "säger Prajapati. Dessutom har processen tar bara några minuter, medan litografibaserade flerstegsmetoder kan ta några timmar, han lägger till.

För miljöapplikationer, gassensorer måste vara både mycket känsliga (detektera mycket låga nivåer) och selektiva (detektera en specifik gas i närvaro av andra gaser). Forskarna utvecklade sensorer med varierande bikakeväggsbredd, och fann att den med minsta bredd (~ 100 nm) kunde upptäcka en förändring med till och med 500 delar per miljard i CO -koncentration. Vid test med en blandning av gaser, sensorn visade också ett klart större svar för CO.

Den polystyrenbaserade metoden kan användas för att utveckla liknande honungskaka nanostrukturer för andra metalloxider för att detektera andra gaser, säger forskarna. "Det vi har är en generisk plattform. Du kan göra samma nanostrukturering för olika metalloxidhalvledarsensorer, säger Bhat.

Bhat och hans team har arbetat med att utveckla miniatyrsensorer för övervakning av luftkvalitet i flera år. De utvecklade tidigare en hybrid sensor array för att detektera fyra olika gaser samtidigt.