Energy Harvesting Winziger NOx-Sensor versorgt sich selbst mit Strom

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Ein winziger Stickstoffdioxidsensor, der sich selbst mit Strom versorgt, könnte dazu beitragen, die Umwelt vor Fahrzeugschadstoffen zu schützen.

Forscher des Australian Research Council Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS), haben einen Sensor entwickelt, der aus einer Anordnung von Nanodrähten in einem Quadrat von 0,2 mm pro Seite besteht und somit leicht in einen Siliziumchip eingebaut werden könnte. In der im Magazin Advanced Materials veröffentlichten Forschungsarbeit beschreibt Shiyu Wei, Doktorand im Team des Zentrums an der Australian National University und Hauptautor, dass der Sensor keine Energiequelle benötigt, da er mit seinem eigenen solarbetriebenen Generator läuft.

Sensoren für das Internet der Dinge

„Da wir Geräte wie dieses in das Sensornetzwerk für das Internet der Dinge integrieren, ist ein niedriger Stromverbrauch ein großer Vorteil in Bezug auf die Systemgröße und die Kosten“, erklärt Wei. „Der Sensor könnte in Ihrem Auto installiert werden und einen Alarm auslösen, der an Ihr Telefon gesendet wird, wenn er gefährliche Stickstoffdioxidwerte im Auspuff feststellt.

„Dieses Gerät ist erst der Anfang. Es könnte auch für den Nachweis anderer Gase wie Aceton angepasst werden, das als nicht-invasiver Atemtest für Ketose, einschließlich diabetischer Ketose, verwendet werden könnte, was unzählige Leben retten könnte“, ergänzt Dr. Zhe Li, Mitautor der Studie.

Niedrigste Konzentrationen lassen sich messen

Bisherige Gasdetektoren sind sperrig und langsam und erfordern einen geschulten Bediener. Im Gegensatz dazu kann das neue Gerät schnell und einfach weniger als 1 ppb (Teil pro Milliarde) messen, und der TMOS-Prototyp verwendet eine USB-Schnittstelle zum Anschluss an einen Computer.

Stickstoffdioxid gehört zur Kategorie der NO_x-Schadstoffe. Es trägt nicht nur zum sauren Regen bei, sondern ist auch schon in geringen Konzentrationen für den Menschen gefährlich. Es wird häufig von Autos ausgestoßen und entsteht auch in Innenräumen durch Gasöfen. Der Schlüssel zu dem Gerät ist ein PN-Übergang – der Motor einer Solarzelle – in Form eines Nanodrahtes (eine kleine sechseckige Säule mit einem Durchmesser von etwa 100 nm und einer Höhe von 3 bis 4 µm), der auf einer Basis sitzt. Eine geordnete Anordnung von Tausenden von Nanodraht-Solarzellen, die in einem Abstand von etwa 600 nm angeordnet sind, bildet den Sensor.

Der Aufbau des Sensors

Die gesamte Vorrichtung wurde aus Indiumphosphid hergestellt, wobei die Basis mit Zink dotiert war, um den P-Teil zu bilden, und der N-Teil an der Spitze der Nanodrähte mit Silizium dotiert war. Der mittlere Teil jedes Nanodrahtes war undotiert (der intrinsische Abschnitt, I), der die P- und N-Abschnitte trennt. Wenn Licht auf diese Vorrichtung fällt, fließt ein kleiner Strom zwischen den Abschnitten N und P. Wird jedoch der intrinsische Mittelteil des PN-Übergangs von Stickstoffdioxid berührt, einem starken Oxidationsmittel, das Elektronen aufsaugt, kommt es zu einem Einbruch des Stroms. Anhand der Größe dieses Einbruchs lässt sich die Konzentration des Stickstoffdioxids in der Luft berechnen. Die numerische Modellierung von Dr. Zhe Li, einem Postdoktoranden in EME, zeigte, dass das Design und die Herstellung des PN-Übergangs entscheidend für die Maximierung des Signals sind.

Die Eigenschaften von Stickstoffdioxid – starke Adsorption, starke Oxidation – machen es für Indiumphosphid einfach, es von anderen Gasen zu unterscheiden. Der Sensor könnte durch Funktionalisierung der Indiumphosphid-Nanodrahtoberfläche auch für den Nachweis anderer Gase optimiert werden.

Atemtests auf Biomarker für Krankheiten

„Das ultimative Ziel ist es, mehrere Gase auf einem einzigen kleinen Chip zu erkennen. Diese Sensoren könnten nicht nur für Umweltschadstoffe, sondern auch für das Gesundheitswesen eingesetzt werden, z. B. für Atemtests auf Biomarker für Krankheiten“ erläutert Professor Lan Fu, Leiter der TMOS-Forschungsgruppe. „Der winzige Gassensor ist leicht integrierbar und skalierbar. In Verbindung mit der Meta-Optik verspricht dies, Multiplex-Sensoren mit hoher Leistung und mehreren Funktionen zu erreichen, die sich in intelligente Sensornetzwerke einfügen lassen. TMOS ist ein Netzwerk von Forschungsgruppen in ganz Australien, die sich der Weiterentwicklung dieses Bereichs widmen. Die von uns entwickelten Technologien werden unser Leben und unsere Gesellschaft in den kommenden Jahren verändern, indem die Technologie des Internets der Dinge für die Datenerfassung in Echtzeit und die autonome Reaktion in Anwendungen wie der Überwachung der Luftverschmutzung, der Erkennung chemischer Gefahren in der Industrie, intelligenten Städten und der persönlichen Gesundheitsfürsorge in großem Maßstab eingesetzt wird.“

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