Nanostructure de type nid d'abeille en ZnO. Crédit : Institut indien des sciences
Des chercheurs de l'Indian Institute of Science (IISc) ont développé un nanocapteur à faible coût qui peut détecter rapidement les changements infimes des niveaux de monoxyde de carbone (CO), avec des applications potentielles dans la surveillance de la pollution de l'environnement.
L'équipe a utilisé une nouvelle technique de fabrication qui laisse de côté la lithographie, un processus long et coûteux, pour construire une nanostructure en nid d'abeille composée d'oxyde de zinc. Le capteur a pu détecter une différence de niveau de CO aussi faible que 500 parties par milliard et répondre sélectivement au CO même en présence d'autres gaz. La technique sans lithographie permet également de réduire considérablement le temps et les coûts liés à la fabrication de capteurs de gaz nanostructurés.
L'étude a été réalisée par Chandra Shekhar Prajapati, stagiaire postdoctoral, et Navakanta Bhat, Président et professeur, Centre de nanosciences et d'ingénierie (CeNSE), IISc, avec des chercheurs du KTH Royal Institute of Technology, Suède.
"La taille du capteur lui-même est inférieure à 1 mm, " dit Bhat. " Si vous le combinez avec le reste de l'électronique de traitement du signal et un petit écran, il ne doit pas dépasser quelques cm. Cela peut être intégré à un téléphone portable ou à un petit appareil à chaque feu de circulation qui peut transmettre les données à votre téléphone portable via Bluetooth."
Les capteurs de CO micro-usinés conventionnels ont une couche plate d'oxyde de zinc, un semi-conducteur à oxyde métallique, par lequel circule le courant. Lorsqu'il est exposé au CO, la résistance de la couche change, affectant la quantité de courant traversant. La quantité de changements de résistance peut être mappée à la quantité de CO présente.
Disposition hexagonale de billes de polystyrène. Crédit : Institut indien des sciences
La création de nanostructures sur oxyde de zinc plat améliore la sensibilité, à mesure que la surface disponible pour l'interaction gazeuse augmente. Cependant, fabriquer ces nanocapteurs en utilisant la lithographie traditionnelle, processus en plusieurs étapes dans lequel des modèles d'oxyde métallique sont gravés sur un matériau sensible à la lumière, nécessite un équipement sophistiqué.
Au lieu, les chercheurs ont utilisé de minuscules billes de polystyrène qui s'arrangent en une couche étroitement tassée lorsqu'elles sont étalées sur une surface de silicium oxydé. Lorsque l'oxyde de zinc est ajouté, il s'installe dans les interstices hexagonaux entre les billes. Lorsque les perles sont ensuite "soulevées, " ce qui reste est un nid d'abeilles 3-D d'oxyde de zinc, avec une surface disponible beaucoup plus grande pour l'interaction gazeuse qu'une plaque plate.
La technique pourrait coûter beaucoup moins que les méthodes basées sur la lithographie, disent les chercheurs. "Vous pouvez acheter un paquet de ces billes de polystyrène de la taille d'un micron sur le marché pour Rs. 4000-5000, qui peut être utilisé pour créer des nanostructures sur des milliers de capteurs. Cela se traduit par une réduction significative des coûts par rapport aux techniques traditionnelles basées sur la lithographie pour former de tels nids d'abeilles, " dit Prajapati. De plus, le processus ne prend que quelques minutes, alors que les méthodes multi-étapes basées sur la lithographie peuvent prendre quelques heures, il ajoute.
Pour les applications environnementales, les capteurs de gaz doivent être à la fois très sensibles (détecter des niveaux très bas) et sélectifs (détecter un gaz spécifique en présence d'autres gaz). Les chercheurs ont développé des capteurs avec différentes largeurs de paroi en nid d'abeille, et a constaté que celui avec la plus petite largeur (~ 100 nm) était capable de détecter un changement de même 500 parties par milliard de concentration de CO. Lorsqu'il est testé avec un mélange de gaz, le capteur a également montré une réponse nettement plus élevée pour le CO.
La méthode à base de polystyrène peut être utilisée pour développer des nanostructures en nid d'abeille similaires pour d'autres oxydes métalliques afin de détecter d'autres gaz, disent les chercheurs. "Ce que nous avons, c'est une plate-forme générique. Vous pouvez faire la même nano-structuration pour différents capteurs semi-conducteurs à oxyde métallique, " dit Bhat.
Bhat et son équipe travaillent depuis plusieurs années au développement de capteurs miniatures pour la surveillance de la qualité de l'air. Auparavant, ils avaient développé un réseau de capteurs hybrides pour détecter simultanément quatre gaz différents.
