Ученые МФТИ с коллегами из Санкт-Петербурга разработали высокочувствительный сенсор на основе кремниевых нанонитей для анализа состава жидких растворов и паров, содержащих кислоты и щелочи. Его можно интегрировать в мобильные устройства и определять наличие вредных примесей в промышленных и бытовых условиях, а также создавать высокочувствительные датчики для медицины. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Nano Materials.
В настоящее время в мировом производстве активно используются полупроводниковые материалы, в том числе 0-, 1- и 2D- наноструктуры. Но при всем их разнообразии кремний остается самым распространенным, легкодоступным и технологичным полупроводниковым материалом современной электроники. В Центре фотоники и двумерных материалов МФТИ ученые нашли новое приборное применение кремниевым наноструктурам.
Верхнее слева — фото сенсора, где сам сенсор — это круг 7 мм в диаметре. Справа — его оптическое изображение (предоставлено авторами исследования). Справа внизу — концепт работы сенсора, то, каким образом на нити адсорбируются молекулы газов. Источник: ACS Applied Nano Materials
«В современной микро- и наноэлектронике имеется выраженный тренд к интеграции в классическую кремниевую технологию новых материалов. Однако совсем отойти от кремниевой электроники и фотоники не представляется возможным: все упирается в высокую технологичность и низкую себестоимость кремния и обратную ситуацию для новых материалов. Может показаться, что с кремнием все уже давно известно, однако мы показали, что наноструктуры кремния все еще недостаточно хорошо изучены и имеют потенциал для производства сенсоров. В нашем устройстве используются кремниевые нити длиной 10 микрометров (1/4 от толщины человеческого волоса) и диаметром порядка 150 нанометров. Благодаря очень высокому соотношению длины к поперечному сечению нити обладают большой площадью поверхности при крайне небольшом объеме. Как следствие, свойства нанонитей кремния сильно зависят от окружающей среды, различных молекул, которые адсорбируются на поверхность нитей», — рассказал об исследовании Валерий Кондратьев, младший научный сотрудник лаборатории функциональных наноматериалов МФТИ.
Ученые предложили новый селективный метод качественного и количественного анализа. Созданный сенсор позволяет детектировать важные для биологии и медицины вещества при их удельной доле менее чем один на миллион.
Опытный образец сенсора — это пластинка стекла размером 7 на 7 миллиметров. Она представляет собой большое количество кремниевых нанонитей с электрическими контактами из золота. Нити — это параллельно подключенные резисторы, сопротивление которых меняется при изменении состава окружающей среды. При помощи такого наноразмерного чувствительного элемента можно экономично детектировать кислоты и щелочи, погружая сенсор в жидкость или помещая его над поверхностью биологической пробы для анализа пара.
В первую очередь мобильный и простой в обращении сенсор можно использовать для оценки качества воздуха, а поместив сенсор непосредственно в местах стока воды, возможно осуществлять эффективный контроль доли кислот и вредных солей в ее составе. Также перспективно использовать устройство для предварительного тестирования в медицине:
«Повышенное количество различных химических соединений (биологических маркеров) позволяет зафиксировать сбои организма на ранней стадии развития патологии. Например, соляная кислота необходима пищеварительной системе, и ее переизбыток доставляет весьма ощутимый дискомфорт. Повышенный аммиак дает неприятный запах изо рта, и это явный сигнал о сбое работы желудочно-кишечного тракта. Зная показатели нормы здорового организма, мы можем легко провести экспресс-тест и контролировать уровень маркеров в любое время. Например, достаточно снять немного пота с поверхности кожи, чтобы измерить долю аммиака», — добавил Валерий Кондратьев.
Для оптимизации производительности в лаборатории разработали три типа сенсоров: на основе кремниевых нанопроволок, нанопроволок, обработанных плавиковой кислотой, и нанопроволок с наночастицами серебра. В ходе тестирования датчики продемонстрировали высокую чувствительность, зависящую от подготовки нитей. Обработка плавиковой кислотой стимулирует поверхностное окисление, обеспечивая более высокую плотность мест адсорбции, и оказывается перспективной для обнаружения содержания исследуемых химических составляющих.
«Кремний не находит достойного своим качествам применения в области сенсорики, и мы решили это исправить. Мы рассмотрели его в геометрии нанокристаллов, обладающих развитой поверхностью, на которой осаждаются различные химические соединения. Химически модифицируя поверхность кристаллов, мы эту абсорбцию способны контролировать. Кроме того, мы в своей работе продемонстрировали новый подход к анализу электронных свойств различных структур, специфическим образом интерпретируя данные спектроскопии электрического импеданса, открыв, таким образом, новый метод исследования. Так мы расширяем сферы применение кремния, что позволит значительно удешевить сенсоры нового поколения», — подытожил заведующий лабораторией функциональных наноматериалов МФТИ Алексей Большаков.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
