Высокостабильная нанотрубка

Том 11 научных отчетов, номер статьи: 22915 (2021) Цитировать эту статью

2547 Доступов

7 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Рынок газовых датчиков быстро растет, чему способствуют многие социально-экономические и промышленные факторы. Датчики газа в среднем инфракрасном диапазоне (MIR) обеспечивают превосходные характеристики для растущего числа измерительных приложений в здравоохранении, умных домах и автомобильном секторе. Доступ к недорогим, миниатюрным и энергоэффективным источникам света имеет решающее значение для монолитной интеграции датчиков MIR. Здесь мы представляем встроенный в кристалл широкополосный тепловой МИК-источник, изготовленный путем объединения микроэлектрической пластины из комплементарного металлооксида-полупроводника (КМОП) со слоем черного тела из углеродных нанотрубок (УНТ), инкапсулированных в диэлектрик. Микроплита использовалась во время изготовления в качестве микрореактора для обеспечения высокотемпературного (>700 \(^{\circ }\)C) роста слоя УНТ, а также для постростового термического отжига. Впервые продемонстрирована стабильная продолжительная работа на воздухе устройств с диэлектрическим слоем УНТ при температуре нагревателя выше 600 \(^{\circ }\)C. Продемонстрированные устройства демонстрируют почти единую излучательную способность во всем спектре MIR, предлагая идеальное решение для недорогой, высокоинтегрированной MIR-спектроскопии для Интернета вещей.

Датчики газа находятся в центре растущих исследований и разработок, стимулируемых многими научными, промышленными и коммерческими применениями1. К ним относятся мониторинг загрязнителей окружающей среды в результате вырубки лесов2, транспортных средств и промышленности3, а также качества воздуха в зданиях4. Растет осведомленность о влиянии загрязнения воздуха на здоровье человека3, что приводит к росту спроса на недорогие, доступные, компактные и легко развертываемые системы мониторинга качества воздуха5. Чтобы удовлетворить растущий глобальный спрос, газовые датчики должны соответствовать подходящему и сложному балансу между производительностью и стоимостью1. Помимо экономической целесообразности, все большее число датчиков имеет строгие ограничения по мощности и объему1, например, те, которые развернуты в Интернете вещей (IoT)6 и на мобильных платформах7. Эти требования мотивируют исследователей исследовать новые материалы, конструкции и технологии для достижения миниатюризации, монолитной интеграции компонентов, низкой стоимости, снижения энергопотребления и технологичности1.

Среди различных технологий измерения оптические газовые датчики обладают рядом преимуществ с точки зрения селективности и долгосрочной эксплуатационной стабильности1. Примечательно, что недисперсионные инфракрасные датчики (NDIR) в настоящее время доминируют на рынке датчиков углекислого газа (CO\(_2\)) и служат для многих других применений8. Однако, несмотря на присущие им преимущества (например, для спектроскопического зондирования), газовые датчики NDIR в настоящее время в основном используются для обнаружения отдельных аналитов или нескольких видов одновременно. Ограничением для более широкого внедрения была доступность миниатюрных широкополосных источников света MIR, которые являются недорогими и оптически эффективными (возможно, это основа оптического датчика газа)1. Традиционно использовались источники тепла на основе ламп, но они хрупкие, громоздкие и имеют ограниченную оптическую эффективность на длинах волн выше 5 мкм. Светоизлучающие диоды (LED) обеспечивают улучшенную интеграцию и надежность, но их производство обходится дороже из-за использования специальных полупроводниковых технологий III–V9.

Использование стандартных процессов комплементарных металлооксидных полупроводников (КМОП) является привлекательным способом изготовления недорогих интегрированных тепловых МИК-источников и детекторов и привело к созданию множества инновационных устройств на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС)1,10. Были предложены различные методы повышения излучательной способности/поглощающей способности1 тепловых устройств КМОП-МЭМС, включая использование слоев углеродных нанотрубок (УНТ), обеспечивающих широкополосную излучательную способность, близкую к единице,11,12 или плазмонных метаматериалов для определенных полос MIR13,14. Многовидовое спектроскопическое обнаружение требует, чтобы источник MIR работал в ансамбле целевых диапазонов волн MIR, что делает общее усиление широкополосного излучения УНТ11,12 привлекательным для спектроскопии1. Однако, несмотря на их преимущества, подобные абсолютно черному телу15,16, до сих пор в большинстве исследований наблюдалось, что такие УНТ и вообще все графитовые наноуглеродные слои сгорают на воздухе при работе при температурах выше 400 \(^{\circ }\)C17,18 . Это накладывает ограничения (оптическая эмиссия и эксплуатационная стабильность) на их интеграцию в источники MIR на микроконфорках CMOS MEMS, которые обычно работают при этих температурах19. Хотя для предотвращения выгорания УНТ можно использовать инертный газ, это требует использования специальных герметичных керамических или металлических корпусов, что может существенно повлиять на стоимость20,21.