Les nouveaux capteurs à nanofils sont la prochaine étape de l'Internet des objets

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Résumé:
Un nouveau capteur de dioxyde d'azote minuscule pourrait aider à protéger l'environnement des polluants des véhicules qui causent des maladies pulmonaires et des pluies acides.

Les nouveaux capteurs à nanofils sont la prochaine étape de l'Internet des objets

Canberra, Australie | Publié le 6 janvier 2023

Des chercheurs de TMOS, l'Australian Research Council Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems, ont développé un capteur composé d'un réseau de nanofils, dans un carré d'un cinquième de millimètre de côté, ce qui signifie qu'il pourrait être facilement intégré à une puce de silicium. .

Dans une recherche publiée dans le dernier numéro d'Advanced Materials, le chercheur en doctorat de l'équipe de l'Université nationale australienne du Centre et auteur principal, Shiyu Wei, décrit le capteur comme ne nécessitant aucune source d'alimentation, car il fonctionne sur son propre générateur solaire.

Wei déclare : « Alors que nous intégrons des appareils comme celui-ci dans le réseau de capteurs pour la technologie de l'Internet des objets, une faible consommation d'énergie est un énorme avantage en termes de taille et de coûts du système. Le capteur pourrait être installé dans votre voiture avec une alarme sonore et des alertes envoyées à votre téléphone s'il détecte des niveaux dangereux de dioxyde d'azote émis par les gaz d'échappement.

Le co-auteur principal, le Dr Zhe Li, déclare : « Cet appareil n'est que le début. Il pourrait également être adapté pour détecter d'autres gaz, tels que l'acétone, qui pourraient être utilisés comme test respiratoire non invasif de la cétose, y compris la cétose diabétique, ce qui pourrait sauver d'innombrables vies.

Les détecteurs de gaz existants sont encombrants et lents, et nécessitent un opérateur qualifié. En revanche, le nouvel appareil peut mesurer rapidement et facilement moins de 1 partie par milliard, et le prototype TMOS utilisait une interface USB pour se connecter à un ordinateur.

Le dioxyde d'azote fait partie de la catégorie des polluants NOx. En plus de contribuer aux pluies acides, il est dangereux pour l'homme même en petites concentrations. C'est un polluant commun des voitures, et est également créé à l'intérieur par les cuisinières à gaz.

La clé du dispositif est une jonction PN – le moteur d'une cellule solaire – en forme de nanofil (un petit pilier hexagonal d'environ 100 nanomètres de diamètre, d'une hauteur de 3 à 4 microns) reposant sur un socle. Un réseau ordonné de milliers de cellules solaires à nanofils, espacées d'environ 600 nanomètres, a formé le capteur.

L'ensemble du dispositif était en phosphure d'indium, avec la base dopée au zinc pour former la partie P, et la section N à la pointe des nanofils, dopée au silicium. La partie médiane de chaque nanofil était non dopée (la section intrinsèque, I) séparant les sections P et N.

La lumière tombant sur l'appareil fait circuler un petit courant entre les sections N et P. Cependant, si la section médiane intrinsèque de la jonction PN est touchée par du dioxyde d'azote, qui est un oxydant puissant qui aspire les électrons, cela provoquera une baisse du courant.

La taille du creux permet de calculer la concentration du dioxyde d'azote dans l'air. La modélisation numérique par le Dr Zhe Li, stagiaire postdoctoral à l'EME, a montré que la conception et la fabrication de la jonction PN sont cruciales pour maximiser le signal.

Les caractéristiques du dioxyde d'azote - forte adsorption, forte oxydation - permettent au phosphure d'indium de le distinguer facilement des autres gaz. Le capteur pourrait également être optimisé pour détecter d'autres gaz en fonctionnalisant la surface du nanofil de phosphure d'indium.

L'investigateur en chef de TMOS, le professeur Lan Fu, chef du groupe de recherche, déclare : « Le but ultime est de détecter plusieurs gaz sur une seule petite puce. En plus des polluants environnementaux, ces capteurs pourraient être déployés pour les soins de santé, par exemple, pour les tests respiratoires pour les biomarqueurs de la maladie.

« Le petit capteur de gaz est facilement intégrable et évolutif. Ceci, combiné à la méta-optique, promet de réaliser des capteurs de multiplexage avec des performances élevées et de multiples fonctionnalités, ce qui leur permettra de s'intégrer dans des réseaux de détection intelligents. TMOS est un réseau de groupes de recherche à travers l'Australie dédié à faire progresser ce domaine.

"Les technologies que nous développons transformeront notre vie et notre société dans les années à venir, avec la mise en œuvre à grande échelle de la technologie de l'Internet des objets pour la collecte de données en temps réel et la réponse autonome dans des applications telles que la surveillance de la pollution de l'air, la détection des risques chimiques industriels, les villes intelligentes. , et les soins de santé personnels.

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TMOS, École de recherche en physique, Université nationale australienne
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Shiyu Wei
TMOS, École de recherche en physique, Université nationale australienne
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