Macquarie Universitys ingenjörer har utvecklat en ny teknik för att göra tillverkningen av nanosensorer mycket mindre kolintensiv, mycket billigare, effektivare och mer mångsidig, vilket avsevärt förbättrar en nyckelprocess i denna biljontals globala industri.
Teamet har hittat ett sätt att behandla varje sensor med en enda droppe etanol istället för den konventionella processen som involverar uppvärmning av material till höga temperaturer.
Deras forskning, publicerad i Advanced Functional Materials , har titeln "Kapillärdrivna självmonterade mikrokluster för högpresterande UV-detektorer."
"Nanosensorer består vanligtvis av miljarder nanopartiklar avsatta på en liten sensoryta - men de flesta av dessa sensorer fungerar inte när de först tillverkas", säger motsvarande författare docent Noushin Nasiri, chef för Nanotech Laboratory vid Macquarie University's School of Engineering .
Nanopartiklarna samlas i ett nätverk som hålls samman av svaga naturliga bindningar som kan lämna så många luckor mellan nanopartiklar att de misslyckas med att överföra elektriska signaler, så sensorn fungerar inte.
Docent Nasiris team upptäckte upptäckten medan de arbetade med att förbättra sensorer för ultraviolett ljus, nyckelteknologin bakom Sunwatch, som fick Nasiri att bli finalist i Eureka-priset 2023.
Nanosensorer har ett enormt yta-till-volymförhållande som består av lager av nanopartiklar, vilket gör dem mycket känsliga för ämnet de är designade för att upptäcka. Men de flesta nanosensorer fungerar inte effektivt förrän de värms upp i en tidskrävande och energikrävande 12-timmarsprocess som använder höga temperaturer för att smälta samman lager av nanopartiklar, vilket skapar kanaler som tillåter elektroner att passera genom lager så att sensorn kommer att fungera.
"Ugnen förstör de flesta polymerbaserade sensorer, och nanosensorer som innehåller små elektroder, som de i en nanoelektronisk enhet, kan smälta. Många material kan för närvarande inte användas för att tillverka sensorer eftersom de inte tål värme", säger docent Nasiri. .
Den nya tekniken som upptäckts av Macquarie-teamet kringgår dock denna värmeintensiva process, vilket gör att nanosensorer kan tillverkas av ett mycket bredare utbud av material.
"Att lägga till en droppe etanol på avkänningsskiktet, utan att sätta in den i ugnen, kommer att hjälpa atomerna på ytan av nanopartiklarna att röra sig runt, och luckorna mellan nanopartiklarna försvinner när partiklarna förenas med varandra," Docent Nasiri säger.
"Vi visade att etanol avsevärt förbättrade effektiviteten och känsligheten hos våra sensorer, utöver vad du skulle få efter att ha värmt dem i 12 timmar."
Den nya metoden upptäcktes efter att studiens huvudförfattare, doktorand Jayden (Xiaohu) Chen, av misstag stänkte lite etanol på en sensor medan han tvättade en degel, i en incident som vanligtvis förstörde dessa känsliga enheter.
"Jag trodde att sensorn var förstörd, men insåg senare att provet överträffade alla andra prov vi någonsin gjort", säger Chen.
Docent Nasiri säger att olyckan kan ha gett dem idén, men metodens effektivitet berodde på mödosamt arbete för att identifiera den exakta mängden etanol som användes.
"När Jayden hittade det här resultatet gick vi tillbaka mycket noggrant och provade olika mängder etanol. Han testade om och om igen för att hitta vad som fungerade", säger hon.
"Det var som Goldilocks – tre mikroliter var för lite och gjorde inget effektivt, 10 mikroliter var för mycket och torkade ut avkänningsskiktet, fem mikroliter var helt rätt!"
Teamet har patentsökta för upptäckten, som har potential att göra ett mycket stort plask i nanosensorvärlden.
"Vi har tagit fram ett recept för att få nanosensorer att fungera och vi har testat det med UV-ljussensorer, och även med nanosensorer som detekterar koldioxid, metan, väte med mera – effekten är densamma", säger docent Nasiri.
"Efter en korrekt uppmätt droppe etanol aktiveras sensorn på cirka en minut. Detta förvandlar en långsam, mycket energikrävande process till något mycket mer effektivt."
Mer information: Xiaohu Chen et al, Kapillärdrivna självmonterade mikrokluster för högpresterande UV-fotodetektorer, Avancerade funktionella material (2023). DOI:10.1002/adfm.202302808
Journalinformation: Avancerat funktionsmaterial
Tillhandahålls av Macquarie University
