Nanominiaturisierung für Gassensoren
Spuren giftiger oder explosiver Gase in der Luft nachweisen zu können, ist überaus wichtig. Das gilt nicht nur für die Sicherheit am Arbeitsplatz, sondern angesichts möglicher terroristischer Angriffe auch für die innere Sicherheit. Gassensoren auf Basis von Metalloxidhalbleitern (MOX) haben aufgrund ihrer Stabilität und Empfindlichkeit schon viel Aufmerksamkeit erregt. Sie funktionieren mittels einer gassensitiven MOX-Folie, deren elektrische Eigenschaften sich in Gegenwart bestimmter Moleküle verändern. Wird der sensorische Nachweis über nanostrukturierte Materialien wie Halbleiter-Nanodrähte auf MOX-Basis geführt, so können fantastische Einsparungen in Hinsicht auf die Größe und den Stromverbrauch erreicht werden. Wissenschaftler initiierten deshalb das EU-finanzierte Projekt S3 ("Surface ionisation and novel concepts in nanomox gas sensors with increased selectivity, sensitivity and stability for detection of toxic and explosive agents"), um eine neue Generation kostengünstiger MOX-Gasnanosensoren zu entwickeln. Diese werden zur Detektion toxischer und explosiver Gase mit ausgezeichneter Selektivität, Empfindlichkeit und Stabilität (selectivity, sensitivity and stability - deshalb die drei "S") kombiniert mit Miniaturisierung und Energieautonomie eingesetzt werden. Die Forscher haben dabei Stickstoffdioxid (NO2) und Trinitrotoluol (TNT) für Sprengstoffanwendungen sowie Ammoniak (NH3) und Schwefelwasserstoff (H2S) zur Toxizitätsüberwachung in der Umwelt und am Arbeitsplatz im Fokus. Innovatives Design ermöglicht hier die Beschaffung mehrerer Signale, bestehend aus resistiver Antwort (resistive response, RES), Oberflächenionisation (surface ionisation, SI) und katalytischer Wärmeleitfähigkeit (catalytic heat conductivity, CH), aus einer einzigen Sensorschicht. Um die Größe und den Stromverbrauch der Heizung zu reduzieren, untersuchen die Wissenschaftler dünne keramische Folienheizsubstrate, den Einsatz einzelner Nanodraht-Gassensoren mit einem Stromverbrauch im Mikrowattbereich und einen neuen Typ von mikroelektromechanischem System (MEMS) auf Basis einer dünnen Aluminiumoxidschicht (thin alumina film, TAF). Neuartige nanosensible Materialien und Systeme, die für das Projekt entwickelt wurden, zeigen deutliche RES- und SI-Antworten. Mit der Entwicklung von Nanometrologieinstrumenten und theoretischen Simulationen unterstützt man das Durchsuchen von Materialien und ein optimiertes Messverhalten. Die Wissenschaftler haben außerdem eine Einheit zur Verdampfung von nicht gasförmig vorliegenden Zielen wie etwa Spengstoffpartikelrückständen und illegalen Drogen gebaut. S3 entwickelt multifunktionale chemische Sensoren, die toxische, explosive oder illegale Substanzen detektieren können. Miniaturisierte Geräte auf Grundlage neuartiger nanoskaliger Strukturen sorgen für eine signifikante Senkung des Stromverbrauchs, was bislang der limitierende Faktor für über einen längeren Zeitraum funktionierende autonome Sensornetze ist. Kleinere Geräte mit niedrigerem Stromverbrauch, die überdies mit gesteigerter Selektivität, Empfindlichkeit und Stabilität punkten können, werden zweifellos schnell eine Nische im globalen Sensormarkt finden.