Najważniejsze cele badań
- poszukiwanie nowych materiałów i nanostruktur wykazujących dobre własności detekcyjne dla zastosowań w detekcji gazów wybuchowych, toksycznych, szkodliwych dla środowiska naturalnego oraz wskazujących na rozwój chorób, takich, jak np. cukrzyca
- optymalizacja parametrów wytwarzanych sensorów gazowych w tym selektywności, czułości, czasu odpowiedzi i poboru mocy
- badanie wpływu rodzaju i koncentracji domieszek oraz katalizatorów na selektywność, obniżenie temperatury pracy
- zastosowanie matryc sensorów częściowo selektywnych, a następnie przetwarzanie sygnału z użyciem metod statystycznych i/lub sztucznej inteligencji
Pracownicy wchodzący w skład ZLNS od kilku lat prowadzą badania podstawowe w zakresie stosowania półprzewodnikowych, rezystancyjnych czujników gazów wykorzystujących tlenki metali modyfikowane domieszkami i katalizatorami.
Czujniki wodoru
W ramach tych badań zostały wykonane różne nanostruktury, przedstawione na Rys. 1.
Rys 1. Różne nanostruktury na bazie TiO2: (a,b) cienkie warstwy (SEM), (c,d) nanorurki(SEM), (e,f) nanoproszki (TEM), (h) nanokwiatki, (i) SnO2 nanocząstki dekorujące powierzchnię nanokwiatków TiO2. Typowa odpowiedź sensora rezystancyjnego na wodór jest pokazana na wykresie (g)
Na szczególne zainteresowanie zasługują badania nad opracowaniem technologii otrzymywania nanocząstek metali lub tlenków metali na podłożach Si i Ti dla zastosowań w selektywnych sensorach gazu (Rys.1h,1g). Zastosowano nową metodą kondensacji w fazy gazu obojętnego IGC (ang. Inert Gas Condensation), która polega na rozpylaniu tarcz metalicznych w kontrolowanej atmosferze gazu obojętnego Ar+He i osadzaniu go w postaci nanoklastrów na podłożu dzięki obniżonej temperaturze oraz spowalnianiu poprzez zderzenia z gazem obojętnym. Proces przebiega w czterech następujących po sobie kolejnych etapach: rozpylanie tarczy, agregacja, filtrowanie (dzięki zastosowaniu spektroskopii masowej) i osadzanie na podłożu. Istotnym czynnikiem w tworzeniu nanocząstek jest utrzymanie, poprzez odpowiednie pompowanie, różnicy ciśnień pomiędzy komorą, w której znajduje się nanodziało a komorą, w której osadzane są nanocząstki. Otrzymane nanostruktury poddano badaniom zmierzającym do ich charakteryzacji w tym dyfrakcji promieniowania X XRD, transmisyjnej mikroskopii elektronowej TEM, skaningowej mikroskopii elektronowej SEM, spektrofotometrii w zakresie ultrafioletu i bliskiej podczerwieni, rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów XPS. Prowadzono również prace teoretyczne nad modelem opisującym oddziaływanie, w warunkach statycznych, pomiędzy nanomateriałami na bazie TiO2 a gazem redukującym, jakim jest wodór.
Detektory śladowych ilości bioznaczników cukrzycy obecnych w ludzkim oddechu
Bioznacznikami nazywamy substancje, których obecność w ludzkim organizmie świadczy o patologicznych zmianach w nim zachodzących. Za bioznaczniki cukrzycy uznawane są niektóre lotne związki organiczne (LZO) obecne w wydychanym powietrzu, m.in. aceton, etylobenzen, etanol, propan, etc. Ich średnia koncentracja w oddechu jest w zakresie od kilku cząsteczek na miliard ppb (part per bilion) do kilku cząsteczek na milion ppm (part per milion). Komercyjnie stosowane czujniki mają czułość na poziomie od kilku do kilkudziesięciu cząstek na milion. Obecnie nie ma na rynku czujników, które umożliwiałbym detekcję ww. LZO na poziomie pojedynczych ppb. Aktualnie stosowane rozwiązania do analizy śladowej ilości bioznaczników cukrzycy wykorzystują skomplikowaną aparaturę analityczną tj. chromatograf gazowy w połączeniu ze spektrometrem masowym (GC/MS), spektrometr masowy z czasem przelotu (MS-TOF) i inne. Alternatywą dla takich rozwiązań są mikrosystemy pomiarowe zbudowane z układów wstępnego zatężania składników próbki (mikroprekoncentratory) oraz układów detekcyjnych, najczęściej wykonanych w postaci matrycy czujników. Przykład dotychczas zbudowanych z zespole wnioskującym matryc sensorowych przedstawiono na Rys. 2 i Rys.3. Wyniki dotychczasowych prac stanowi opracowanie czujnika na bazie Si:WO3 otrzymanego w technice rozpylania magnetronowego pod kątem (ang. GLAD – Glancing Angle Deposition), o zwiększonej czułości na aceton, czujnika na bazie Cr:CuO o zwiększonej czułości na propan oraz czujników mikrofalowych pracujących w temperaturze pokojowej z selektywną detekcją acetonu.
Czujniki gazów środowiskowych
Mają za zadanie określić poziomy wybranych zanieczyszczeń gazowych znajdujących się w powietrzu, którym oddychamy. Do substancji tych należą np. tlenek węgla CO, tlenki azotu (NOx), aceton, lotne związki organiczne (LZO), ozon (O3) i inne.
Zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych jest jednym z najważniejszych obecnie celów działań podejmowanych przez Europę. Wskazuje się, że zmiany klimatu w ciągu następnych 50 lat wyraźnie wpłyną na funkcjonowanie głównych sektorów, takich jak zasoby wodne i gospodarka wodna, rolnictwo, leśnictwo, rybołówstwo, infrastruktura i transport, turystyka, ochrona zdrowia (ludzi, zwierząt i roślin), energetyka, ekosystemy (w tym morskie). Przewiduje się, że przyspieszeniu ulegnie degradacja ekosystemów, szybciej następować będzie zmniejszenie się różnorodności biologicznej. Zmiany klimatu odczują zarówno gospodarstwa domowe, jak i przedsiębiorstwa, a także słabsze grupy społeczne ─ szczególnie dzieci, osoby starsze i niepełnosprawne. Aby przeciwdziałać skutkom degradacji klimatu należy rozwijać metody i narzędzia monitorowania atmosfery.
Znajomość koncentracji badanych gazów pozwala podjąć działania, w wyniku których mogą być minimalizowane skutki emisji gazów szkodliwych dla człowieka i jego środowiska naturalnego.
Mikroprocesorowe systemy pomiarowe
Znajdują powszechne zastosowanie we współczesnej technice i stają się nieodzownym elementem życia codziennego. Czujniki pomiarowe, zwłaszcza te wykonane przy użyciu nowoczesnych technologii wytwarzania nanostruktur oraz technologii mikromechanicznej w krzemie, są integralną częścią systemów mikromechanicznych MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems).
Rys.2. Matryca czujników: (a) matryca w połączeniu z układem mikroprekoncentratora w technologii LTCC, (b) matryca komercyjnych czujników firmy Figaro®
Rys.3. Matryca czujników wraz z układem zatężania zamknięta w obudowie