Кремний является наиболее распространенным и технологичным материалом, используемым в современной электронике. Ученые из МФТИ нашли новое применение кремниевым наноструктурам, которые имеют высокую площадь поверхности и зависят от окружающей среды и адсорбированных молекул на их поверхности. Кремниевые нанонити — нанометровые структуры, которые имеют форму тонких проволок или столбиков, выращенных на кремниевой подложке. Они обладают уникальными свойствами, такими как большая площадь поверхности, высокая чувствительность к окружающей среде и возможность модификации химическими или биологическими агентами. Благодаря этому они могут служить основой для разработки различных сенсоров, которые могут регистрировать изменения концентрации различных химических соединений в жидкостях или газах.
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 (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
— Валерий Кондратьев, младший научный сотрудник лаборатории функциональных наноматериалов МФТИ.
Созданный сенсор предлагает новый селективный метод для качественного и количественного анализа. Он может обнаруживать вещества важные для биологии и медицины даже при их удельной доле менее чем один на миллион.
Сенсор представлен в виде пластинки стекла с кремниевыми нанонитями и золотыми электрическими контактами. Нанонити представляют собой резисторы, сопротивление которых изменяется при изменении состава окружающей среды. Он может использоваться, чтобы экономично обнаруживать кислоты и щелочи, погружая его в жидкость или помещая над поверхностью биологической пробы для анализа кислотных и алкалиновых паров.
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.
Сенсор может быть использован для оценки качества воздуха и контроля доли кислот и вредных солей в сточной воде. Он также может быть перспективным инструментом для предварительного тестирования в медицине, позволяя зафиксировать различные химические соединения, которые могут указывать на сбои в работе организма.
В лаборатории были разработаны три типа сенсоров, которые позволяют оптимизировать производительность. Один из них основан на кремниевых нанопроволоках, другой — на нанопроволоках, обработанных плавиковой кислотой, а третий — на нанопроволоках с наночастицами серебра. В ходе тестирования было выяснено, что чувствительность датчиков сильно зависит от подготовки нитей. Обработка плавиковой кислотой приводит к поверхностному окислению, что повышает плотность областей адсорбции, и эта методика оказывается перспективной для обнаружения химических составляющих, которые изучались в рамках исследования.
Результаты исследования были опубликованы в журнале ACS Applied Nano Materials.
