| Title: | System detekcji gazu za pomocą czujników wykonanych z materiałów o strukturze dwuwymiarowej |
| Project leader: | Sergei Rumiantcev |
| Laboratory: | Terahertz Laboratory (TeraGaN) (NL-11) |
| Call/Programme name: | OPUS |
| Project number: | 2019/35/N/ST7/02370 |
| Implementation date: | 01.10.2020 30.09.2024 |
| Implementing entity: | Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk |
| Implementation type: | Projekt realizowany wspólnie z Politechniką Gdańską |
| Total funding granted: | 928 680 zł |
| Funding for the entity: | 240 960 zł |
| Funding institution: | Narodowe Centrum Nauki |
Project description
| Czujniki gazów to elementy elektroniczne wykrywające cząsteczki gazów za pomocą sygnałów elektrycznych. Wysoki standard życia, ochrona środowiska człowieka i zagrożenia występujące w przemyśle oraz potrzeby diagnostyki medycznej (analiza wydychanego powietrza) wymagają opracowania czujników gazów o wysokiej czułości i selektywności, niskich kosztach wytwarzania i zużycia energii. Projekt ma na celu opracowanie systemu wykrywania gazów, wykorzystującego zjawiska losowe (szumy niskiej częstotliwości – szumy typu 1/f) generowane w czujnikach gazów wykonanych z dwuwymiarowych materiałów (grafen, dwusiarczek molibdenu, dichalkogenki metali przejściowych - np. siarczek tantalu). Materiały te charakteryzują się wysokim stosunkiem powierzchni aktywnej do objętości. Ich grubość odpowiada warstwie kilku atomów i dlatego mogą być stosowane w tranzystorach polowych (FET), w jego kanale. Takie czujniki zapewniają niskie zużycie energii i wyjątkowo wysoką czułość, gdy obserwowany sygnał elektryczny o małej intensywności (szumy napięcia lub prądu) jest generowany przez procesy adsorpcyjno-desorpcyjne, nawet dla pojedynczych cząsteczek obecnych w otaczającej czujnik atmosferze. System pomiarowy będzie rejestrował szumy niskiej częstotliwości i estymował ich parametry statystyczne (np. gęstość widmową mocy, rozkład prawdopodobieństwa, statystyki przejść przez zero). Pomiary będą określały skład wybranych mieszanin gazowych, takich jak lotne związki organiczne, obecne w wydychanym powietrzu i charakterystyczne dla niektórych chorób (np. aceton, formaldehyd, etanol, NO2, itp.). Czujniki gazów będą modulowane przez zmiany ich niektórych parametrów fizycznych (temperatura pracy, ciśnienie, promieniowanie UV, napięcie bramki), aby zwiększyć informacje o zewnętrznej atmosferze zawarte w rejestrowanych szumach. Proponuje się stosować nieliniowy algorytm, aby poprawić skuteczność wykrywania składników badanych mieszanin gazowych i zmniejszyć wpływ występowania wilgotności. Grafen i dwusiarczek molibdenu zostały już wykorzystane do wykrywania wybranych gazów przez pomiary szumów typu 1/f, przez niezależne grupy badawcze. Inny dwuwymiarowy materiał, 1T-TaS2, wykazuje interesujące zjawisko, nazywane falami gęstości ładunku (ang. Charge Density Wave – CDW), które indukują dodatkowy składnik szumów typu 1/f. Ten składnik może zwiększyć wykrywalność gazów, ponieważ szumy typu 1/f zmieniają się gwałtownie podczas przejść fazowych w podwyższonych temperaturach. Badania powinny odpowiedzieć na pytanie, czy szumy typu 1/f przy temperaturach przejść fazowych będą zależeć od atmosfery wokół czujnika. W ramach projektu przewiduje się wskazanie najbardziej obiecujących dwuwymiarowych materiałów z proponowanej grupy do wykrywania gazów, stosując pomiary szumów małych częstotliwości. Badania powinny potwierdzić tezę, że czujniki gazów wykonane z materiałów dwuwymiarowych i wykorzystujące szumy typu 1/f pozwolą określić stężenia składników mieszanin otaczających czujnik. Planujemy wykonać czujniki gazów FET przy użyciu wybranych materiałów dwuwymiarowych. Czujniki te powinny być wrażliwe na wybrane gazy w bardzo niskich stężeniach. Czujniki wykonane z materiału 1T-TaS2 będą badane w wybranych temperaturach i podwyższonych ciśnieniach, aby zaobserwować zjawisko CDW, generujące dodatkowe składowe szumów typu 1/f. Można sądzić, że obserwowana intensywna zmiana poziomu szumów typu 1/f podczas przejść fazowych może być wykorzystana do wykrywania gazów. Projektu będzie realizowany we współpracy grup z Politechniki Gdańskiej i Instytutu Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk. Obie grupy będą współpracować z zespołem prof. Aleksandra Balandina (https://balandingroup.ucr.edu/) z University of California - Riverside, USA. Badania zostały podzielone na pięć zadań: • przygotowanie systemu do pomiarów czujników gazów, • przygotowanie czujników gazów z wykorzystaniem wybranych materiałów dwuwymiarowych, • badania eksperymentalne szumów typu 1/f w przygotowanych czujnikach gazów, w wybranych warunkach i atmosferze zadanych mieszanin gazów, • opracowanie algorytmu wykrywania składników mieszanin gazów na podstawie charakterystyk stałoprądowych i szumów typu 1/f badanych czujników gazów, • syntetyczna analiza wyników badań. Wykrywanie gazów o bardzo niskich stężeniach ma kluczowe znaczenie dla nowych zastosowań diagnostyki medycznej i bezpieczeństwa życia. Projekt badawczy powinien zwiększyć potencjał możliwości wykrywania związków organicznych w takich stężeniach. Ponadto powinniśmy wyjaśnić mechanizmy szumów typu 1/f w materiałach dwuwymiarowych, podczas występowania zjawiska CDW. |