新しいナノワイヤセンサ、IoTの次のステップ

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June, 30, 2023, San Francisco--新しい微小な二酸化窒素センサは、肺ガンや酸性雨の原因となる自動車の廃棄物からの環境保護に役立つ。

TMOSの研究者は、片側が1㎜の1/5平方のナノワイヤアレイでできたセンサを開発した。これは、シリコンチップへの組込が容易である。

Advanced Materialsに発表された研究で、同センタのオーストラリア国立大学チームPh.D学者と論文の主筆、Shiyu Weiによると、そのセンサは、それ自体の太陽光発電器で動作するので電源を必要としない。

「このようなデバイスをIoT技術のためのセンサネットワークに組み込むと、低消費電力は、システムサイズとコストに関して大きな利点になる。同センサは、自動車にインストールして音声アラームを発し、排ガスから排出される二酸化窒素の危険レベルを検出すると、電話に警告を送ることができる」(Wei)。

共同著者、Dr. Zhe Liは、「このデバイスは始まりに過ぎない。アセトンなど、他のガスの検出にも適用可能である。アセトンは、ケトーシスの非侵襲的テストとして使用できる。これには糖尿病性ケトーシスか含まれる。無数の生命を救える。

既存ガス検出器は、大きくてスローである。また、熟練オペレータを必要とする。対照的に､新しいデバイスは迅速かつ容易に1ppb以下を計測できる。TMOSプロトタイプは､USBインタフェースを使ってコンピュータに接続する。

二酸化窒素は、NOxカテゴリーの公害物質。酸性雨の一因となるとともに、小濃度でも人には危険である。それは、自動車からの公害物質と同じである、室内では、ガスストーブで生成される。

デバイスのカギは、基板上のナノワイヤ形状(約100nm径、高さ3～4µmの小さな6角柱)のPNジャンクション、つまりソーラセルのエンジン。数千のナノワイヤソーラセルの秩序配列は、約600nm間隔でセンサを形成。

デバイス全体はInPでできている。基板に亜鉛をドープしてP部分を形成、ナノワイヤの先端は､シリコンドープでNセクション。各ナノワイヤの中央部は、非ドープで、PとNセクションを分離している。

光がデバイスに届くと、NとPセクションの間に小電流が流れる。しかし、PNジャンクション固有の中央セクションが二酸化窒素に触れると、これは電子を吸収する強い酸化剤であるので、電流のディップを引き起こす。

ディップサイズにより空気中の二酸化窒素濃度が計算できる。EMEポスドクフォロー、Dr Zhe Liによる数値解析モデリングは、PNジャンクションの設計と製造が、信号最大化には極めて重要であることを示している。

二酸化窒素の特性、強吸着力、強い酸化性により、InPは、それを簡単に他のガスから区別する。同センサは、InPナノワイヤ表面を機能化することで他のガスを検出するように最適化もできる。

TMOS主席研究者、Lan Fu教授、研究グループリーダーは、「究極的な目的は、一つの小さなチップで多数のガスをセンシングすること。環境の汚染物質とともに、これらのセンサは、ヘルスケアでは、例えば、病気のバイオマーカーための呼気テストに導入可能である。

「その微小ガスセンサは、簡単に組込み、拡張可能である。これは、メタオプティクスと組み合わせて、ハイパフォーマンス、多機能の多重センサ実現を約束する。すなわち、それらはスマートセンシングネットワークに適合する。

「われわれが開発した技術は、この先、われわれの生命と社会を変革する公害モニタリング、産業用化学物質の危険検出、スマートシティ、パーソナルヘルスケアなどのアプリケーションでリアルタイムデータ集積、自律的応答のためにIoTに大規模に実装されるからである」。