Высокочувствительный сенсор на основе кремниевых нанонитей разработали для определения наличия и анализа в жидкостях и парах кислот и щелочей ученые МФТИ совместно с коллегами из Санкт-Петербурга, 31 августа сообщает журнал МФТИ «За науку».

Такой сенсор легко интегрируется в мобильные устройства, позволяющие выявлять наличие вредных примесей в промышленных и бытовых условиях, а также создавать на его основе высокочувствительные датчики для медицины.

Результаты исследования нового сенсора авторы разработки представили в статье «Датчики Шоттки на основе кремниевых нанопроволок для селективного обнаружения NH₃ и HCl методом импедансной спектроскопии», опубликованной в журнале ACS Applied Nano Materials.

Современное производство активно использует различные полупроводниковые материалы, в том числе 0-, 1- и 2D- наноструктуры. Однако кремний сохраняет свои позиции в электронике, являясь широко распространенным, легкодоступным и технологичным полупроводником.

Ученые в Центре фотоники и двумерных материалов МФТИ нашли для кремниевых наноструктур новое применение. Валерий Кондратьев, младший научный сотрудник лаборатории функциональных наноматериалов МФТИ, пояснил причину, почему они в своей разработке снова обратились к кремнию:

«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: всё упирается в высокую технологичность и низкую себестоимость кремния и обратную ситуацию для новых материалов».

Исследователи показали, что при всей их широкой применимости, наноструктуры кремния еще недостаточно изучены и имеют потенциал для производства сенсоров.

«В нашем устройстве используются кремниевые нити длиной 10 микрометров (¼ 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 Кондратьев.

Созданный в МФТИ сенсор способен определять важные для биологии и медицины вещества при их удельной доле менее чем один на миллион. Кроме разработки конструкции, исследователи разработали для сенсора новый селективный метод качественного и количественного анализа.

Опытный образец сенсора представляет собой стеклянную пластинку диаметром 7 на 7 миллиметров, состоящую из большого количества кремниевых нанонитей с электрическими контактами из золота. Нити служат параллельно подключенными резисторами, сопротивление которых меняется в случае даже очень незначительного изменения состава окружающей среды.

Такой наноразмерный чувствительный элемент, погруженный в жидкость, может детектировать присутствие в ней кислоты или щелочи, или же, помещенный над поверхностью биологической пробы, детектировать их в испарениях.

Мобильный, экономичный и простой в обращении сенсор может быть применен для оценки качества воздуха, а также, если поместить его в местах стока воды, то с его помощью можно эффективно контролировать доли кислот и вредных солей в ее составе.

Разработчики считают, что их сенсор имеет перспективы применения в медицине для проведения предварительного тестирования.

«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.

Исследователи разработали три типа сенсоров: на основе кремниевых нанопроволок; нанопроволок, обработанных плавиковой кислотой; и нанопроволок с наночастицами серебра. Протестировав их, они зафиксировали высокую чувствительность сенсоров, величина которой зависела от подготовки нитей.

Так, предварительная обработка их плавиковой кислотой способствовала поверхностному окислению, что обеспечивало более высокую плотность мест адсорбции и увеличение чувствительности к исследуемым химическим составляющим.

Заведующий лабораторией функциональных наноматериалов МФТИ Алексей Большаков подытожил рассказ о выполненном коллективом проекте:

«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».