Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
OptexOptex
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Nowoczesne metody wytwarzania krzemu porowatego zrewolucjonizują rynek sensorów

ghost666 07 Paź 2014 21:24 2484 1
  • Nowoczesne metody wytwarzania krzemu porowatego zrewolucjonizują rynek sensorówNaukowcy z Instytutu Technologicznego w Georgii opracowali nowatorską metodę poprawy działania krzemowych sensorów używanych do detekcji biochemikaliów i innych molekuł w cieczach. Ich uproszczone podejście polega na wykorzystaniu miniaturowych układów detekcji optycznej w sensorach, co kosztuje mniej niż aktualnie używane technologie i zapewnia sześciokrotne zwiększenie czułości sensora na detekowane związki.

    Nowa technika wykorzystuje do działania cienką warstwę z krzemu porowatego, nałożoną na warstwę przewodzącego światło krzemu objętościowego. Krzem porowaty zawiera w swojej strukturze wiele połączonych ze sobą porów, a jego powierzchnia wewnętrzna jest bardzo duża, co powoduje, iż efektywna powierzchnia oddziaływania sensora z interesującym nas związkiem zwanym w tym przypadku analitem, jest znacznie większa zwiększając możliwości wiązania analitów przez sensor. Zwiększona powierzchnia krzemu porowatego pozwala na wyłapanie znacznie większej ilości molekuł interesującego nas związku na powierzchni, co zwiększa czułość sensora, co jest szczególnie istotne w układach wykrywających śladowe ilości molekuł w niskich stężeniach.

    Odmiennie niż w przypadku poprzednich metod wytwarzania warstw krzemu porowatego, metoda opracowana przez naukowców z Georgia Tech wykorzystuje technologię nanoszenia cienkich warstw i o wiele łatwiej można ją zaadoptować do standardowych procesów nanoszenia krzemu na izolatory. Metoda ta, ponadto, pozwala na precyzyjną kontrolę grubości warstwy krzemu porowatego. Badania przedstawione w tym artykule, zostały szczegółowo opisane w niedawnej publikacji w czasopiśmie Advanced Optical Materials, dostępnej tutaj.

    "Większa powierzchnia sensora oznacza, iż jest więcej miejsca dla molekuł analitu w których mogę one związać się z sensorem i oddziaływać z sygnałem optycznym, czyli światłem, które wykrywa molekuły" tłumaczy zespół naukowców odpowiedzialnych za badania: Ali Adibi i Joseph M. Pettit kierownik i profesor w Szkole Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej (ECE) oraz profesor Kenneth H. Sandhage, pracujący w Szkole Nauk i Inżynierii Materiałowej (MSE). "Odmiennie niż w przypadku innych technik, proces produkcyjny opracowany przez nas utrzymuje pory związane z cienką warstwą materiału na górze struktury. Pory nie penetrują głębszych warstw gęstego krzemu, przez co nie pogarszają własności optycznych głębszych warstw, a co za tym idzie - części optycznej układu wykrywania analitów".

    Prace prowadzone są częściowo w ramach prac Centrum Badań i Inżynierii Zintegrowanych Układów Fotonicznych (CIPhER, ang. Centers in Integrated Photonics Engineering Research). Centrum to tworzone jest programu finansowanego przez DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency, ang. Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obszarze Obronności) kwotą 4,3 miliona dolarów na okres dwóch lat. DARPA zleciła Centrum CIPhER opracowanie zaawansowanego, zintegrowanego laboratorium analitycznego w układzie scalonym, co pozwoliłoby na wykrywanie wielu zagrożeń biologicznych i chemicznych wykorzystując wysoce zintegrowaną platformę. Innymi partycypantami w projekcie finansowanym przez amerykańskie wojsko są Uniwersytet Emory, Instytut Technologicznych w Massachusetts u uniwersytety w Kaliforni-Santa Cruz i Yale.

    Na Georgia Tech, profesor Mostafa El-Sayed z Szkoły Chemii i Biochemii wraz z Dawidem Gottfriedem z Instytutu Elektroniki i Nanotechnologii, także zaangażowani są w program CIPhER. Ali A. Eftekhar, naukowiec z ECE, zangażowany był w opracowywanie opisywanej technologii, z kolei Adibi jest kierownikiem opisywanego programu.

    Optyczne wykrywanie substancji chemicznych

    Naukowcy z Georgii pracują nad krzemowym, optycznym sensorem wykorzystującym owalny rezonator optyczny, zdolny do silnego sprzęgania z światłem w sąsiadującym z rezonatorem falowodem przy pewnych długościach fali. Powierzchnia rezonatora została chemicznie sfunkcjonalizowana tak aby wiązała pewne biologiczne markery, związki chemiczne lub inne anality, zależnie od potrzeby.

    Nowoczesne metody wytwarzania krzemu porowatego zrewolucjonizują rynek sensorówProfesor Ali Adibi pokazuje wyniki charakteryzacji sensorów z i bez warstwy krzemu porowatego w strukturze. Dane pochodzące z pomiarów pokazują, iż wykorzystanie krzemu porowatego do budowy sensorów zwiększa ich czułość sześciokrotnie.


    Sygnał optyczny przechodzi krzemowi przez falowód i rezonator optyczny. Związane z nim pole elektromagnetyczne może oddziaływać z jednym lub kilkoma rodzajami chemikaliów zaadsorbowanych ma powierzchni krzemu. Jeśli na powierzchni obecne są molekuły analitu, częstotliwość rezonansowa rezonatora przesunie się, co widoczne będzie jako zmiana mocy transmitowanej przez krzemowy falowód. Im większa jest koncentracja molekuł analitu na powierzchni sensora, tym większe odstrojenie rezonatora i w konsekwencji - mniejsza transmitowana przez falowód moc.

    Tradycyjnie w biosensorach stosuje się warstwę gęstego krzemu, która służy dwóm powodom. Działa ona jako falowód l dla sygnału optycznego, który detekuje analit oraz zapewnia powierzchnię, na której zaabsorbowany może zostać wykrywany związek lub biomolekuła.

    "Problemem w tym podejściu jest fakt, iż gęste planarne warstwy krzemu mają bardzo ograniczoną powierzchnię, do której wiązać mogą wykrywane substancje" tłumaczy Sandhage. "Z uwagi na tą niewielką powierzchnię sygnał z sensora jest o wiele słabszy, gdyż interakcje pomiędzy światłem a analitem nie są zbyt częste".

    Poprzednie starania o wytworzenie w powierzchni krzemu porów w celu zwiększenia powierzchni aktywnej pociągały niestety za sobą pewne problemy. Jednymi z nich było skomplikowanie samej techniki, trudnej do zaadaptowania w standardowym procesie osadzania krzemu na izolatorach. Pociągało to także za sobą degradację własności optycznych krzemu, co powodowało osłabienie sygnałów optycznych w sensorze. Jedna z zastosowanych technik - anodyzacja czyli elektrotrawienie, wykorzystuje w procesie niebezpieczny kwas fluorowodorowy w którym zanurzony jest element krzemowy, z podłączonym niewielkim napięciem. W technice tej generuje się sporą ilość dwuwymiarowych, kolumnowych porów w materiale o średniej powierzchni i wysokim stopniu strat optycznych.

    Możliwość tworzenia, w kontrolowany sposób, porów w krzemie z drobną, trójwymiarową strukturą jest trudne, jednakże bardzo istotne dla przemysłu. Technika ta wykorzystana może być także w anodach baterii litowo-jonowych, wyświetlaczach optycznych a także w kryształach fotonicznych takich jak odwrócone opale.

    "Współpraca pomiędzy grupą profesora Adibiego i moją grupą była krytyczna w osiągnięciu sukcesu w tym projekcie" - mówi Sandhage. "Obaj zmierzyliśmy się z różnymi technikami i korzystając z naszego doświadczenia udało nam się osiągnąć to, czego nie udało się dokonać wcześniej".

    Prostsza metoda

    W swoim niedawno wydanym artykule zespół naukowców z Georgia Tech opisał prostszą i efektywniejszą metodą otrzymywania warstwy krzemu porowatego w sensorach. Wykorzystując proces utleniający, wzrastają oni najpierw warstwę krzemionki (dwutlenek krzemu) na powierzchni gęstego kremu. Następnie, wykorzystując zachowującą kształt redukcję magnezjotermiczną, grupa kierowana przez Sandhaga wystawiła warstwę krzemionki na działanie oparów magnezu wygenerowanych przez ogrzewanie krzemianu magnezu. Proces ten został opatentowany przez zespół i figuruje jako patent numer 7.615.206 w Stanach Zjednoczonych.

    Rezultatem reakcji oparów magnezu z krzemionką jest mieszanka krzemionki i tlenku magnezu. Jednakże magnez nie reaguje z gęstą wartością krzemu pod warstwą krzemionki. Następnie tlenek magnezu udało się wypłukać korzystając z roztworu słabego kwasu, pozostawiając porowatą strukturę krzemową z drobnymi trójwymiarowo połączonymi porami, które pozwalają na pułapkowanie analitów w sposób bardziej efektywny, jednocześnie nie pogarszając własności optycznych układu. Warstwy tego typu można wykonywać bardzo cienkie, nawet dochodzące do 1 nanometra.

    Budowa niezawodnego sensora wymaga precyzyjnego projektowania struktury i optymalizacji procesu fabrykacji nanostruktury fotonicznej. Zadaniu temu sprostała grupa Adibiego. Jednym z kluczowych elementów procesu było wykorzystanie wiązek elektronów do wycinania kanałów w krzemie porowatym i objętościowym krzemie pod nim, aby uzyskać strukturę nadającą się do aplikacji sensorowych. Wykorzystana technika mikrolitografii pozwala na tworzenie w strukturze krzemowej rowków, co pozwala na stworzenie falowodów i mikrorezonatorów, które umożliwiają przepływ sygnałów optycznych i wykrywanie analitów zaadsorbowanych na powierzchni sensora.

    Dodatkowo naukowcy z zespołu kierowanego przez Adibiego wykorzystali zaawansowane metody obliczeniowe do modelowania zachowań poszczególnych materiałów podczas procesu wytwarzania opisywanej struktury. Modelowanie pomogło naukowcom zrozumieć działanie wynalezionych technik nanofabrykacji i optymalizacji ich tak, aby było możliwie efektywne w produkcji odpowiednich mikrorezonatorów. "W naszej pracy zademonstrowaliśmy, iż można zintegrować techniki mikrolitograficzne z kontrolowaną generacją porów na substracie z gęstego krzemu, bez pogarszania parametrów optycznych rezonatora" - podsumowuje Adibi. "Rezultatem naszej pracy jest dużo lepsza odpowiedź częstotliwości rezonansowej sensora, co zapewnia o wiele wyższą czułość układu, w przybliżeniu - sześciokrotną poprawę względem sensorów bez warstwy porowatej".

    Źródło:

    http://phys.org/news/2014-10-porous-silicon-microfabrication-technique-ability.html

    Fajne! Ranking DIY
    Darmowe szkolenie: Ethernet w przemyśle dziś i jutro. Zarejestruj się za darmo.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9773 postów o ocenie 7953, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • OptexOptex
  • #2
    Ami
    Poziom 12  
    Nie żebym się czepiał, ale... "detekowane związki"? Może lepiej po polsku, np. "wykrywane związki".