بناء جهاز استشعار يكتشف الملوثات الغازية بدقة عالية
وبحسب تقرير صدر اليوم السبت عن المجموعة العلمية لوكالة إيرنا من مقر التطوير الخاص لتكنولوجيا النانو، فإن هذا البحث يوضح قدرات اكتشاف مثيرة للإعجاب، بما في ذلك تحقيق حد اكتشاف 36 جزءًا في المليار (ppb) لثاني أكسيد النيتروجين (NO2)، و238 جزءًا في المليار للأمونيا (NH3)، و640 جزءًا في المليار للأسيتون (C3H6O) تحت الإشعاع فوق البنفسجي (UV) عند جهد -0.4 فولت. ومع ذلك، فإن تشغيل هذا المستشعر يتطلب مصدر طاقة بصرية للحفاظ على الحساسية الفعالة.
ويعتمد أداء هذا المستشعر على الخصائص الفريدة لوصلة شوتكي التي يتم إنشاؤها عند دمج الجرافين مع السيليكون من النوع n. حيث أظهر هذا البحث أن ارتفاع حاجز شوتكي حساس جدًا لامتصاص الغاز ويوفر استجابة مقاسة. علاوة على ذلك، عندما يعمل المستشعر في غياب الضوء، فإنه يُظهر تأثير بوابة، يتميز بانحناء في منحنى التيار والجهد (I-V) عند حوالي 0.7 فولت. يحدث هذا التغيير في التحيز بسبب تفاعل الشحنات الغازية مع سطح الجرافين ويزيد من حساسية الجهاز.
لقد جذب الجرافين انتباه الباحثين لأكثر من عقد من الزمان، ويرجع ذلك أساسًا إلى خصائصه البنيوية والبصرية والكهربائية والحرارية والميكانيكية الفريدة. إن التفاعلية العالية للسطح ثنائي الأبعاد والتنقل العالي لحامليه يجعلان هذه المادة خيارًا مثاليًا لتطبيقات الاستشعار الحساسة في أنواع مختلفة من أنظمة الكشف عن الغاز. ومع ذلك، واجهت أجهزة الاستشعار التقليدية القائمة على الجرافين مشاكل مثل انخفاض الانتقائية وانخفاض الأداء بسبب التعرض لمستويات متفاوتة من الرطوبة النسبية في الهواء.
وللتغلب على هذه القيود، تم استخدام استراتيجيات مختلفة لتحسين حساسية وانتقائية ومتانة أجهزة الاستشعار القائمة على الجرافين. وتشمل هذه الأساليب تزيين سطح الجرافين بمواد محفزة، وإنشاء هياكل هجينة، واستخدام طرق الإشعاع فوق البنفسجي.
ويقدم جهاز الوصلة شوتكي الذي تمت دراسته في هذه الورقة ميزة كبيرة على ترانزستورات التأثير الميداني التقليدية (FETs)، حيث يظهر حساسية مماثلة عند جهد تحيز أقل بكثير ويزيد من كفاءة اكتشاف الغاز في الظروف الرطبة.
ولصنع ثنائيات شوتكي، بدأ الباحثون باستخدام رقاقة سيليكون من النوع n، ثم قاموا بترسيب طبقة من أكسيد حراري (SiO2) بسمك 90 نانومتر على سطحها. تم بعد ذلك اختيار مناطق محددة للحفر، وبعد ذلك تم نقل طبقة الجرافين، التي تم الحصول عليها عن طريق الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) على رقاقة النحاس، إلى ركيزة السيليكون.
بعد ذلك، تم وضع جهات اتصال معدنية (Ni/Au) على الجرافين لتمكين إجراء القياسات الكهربائية. وتراوح حجم المنطقة النشطة للمستشعرات بين 25 ألفًا إلى 50 ألف ميكرومتر مربع، مما يزيد من إمكانية التطبيق العملي في تجارب استشعار الغاز.
وتظهر النتائج أن الصمام الثنائي G-Si يظهر استجابة كبيرة للغازات التي تم اختبارها، مع عرض التغيرات الحالية كتغيير نسبي في تيار المستشعر. تم ملاحظة حد الكشف في الظلام لثاني أكسيد النيتروجين في البداية عند 47 جزء في المليار عند انحياز 0.7 فولت، ولكن تم تخفيضه إلى 36 جزء في المليار بمساعدة الضوء فوق البنفسجي. وعلاوة على ذلك، أظهرت النتائج أنه عند التعرض لـ3 جزء في المليون من ثاني أكسيد النيتروجين في الظلام، لوحظ زيادة في التيار بنحو 69%، والتي ارتفعت إلى 181% في ظل ظروف الأشعة فوق البنفسجية.
وفي حالة الأمونيا، لوحظت استجابات مستقرة، ولكن حد الكشف كان 629 جزء في المليار في الظروف المظلمة، والذي انخفض إلى 238 جزء في المليار مع الضوء فوق البنفسجي، مما يشير إلى فعالية طرق زيادة طاقة الإدخال. وأظهر اختبار المستشعر باستخدام الأسيتون أيضًا تغيرًا أقل في التيار، لكنه لا يزال يحقق حد اكتشاف يبلغ 640 جزءًا في المليار تحت إضاءة الأشعة فوق البنفسجية، وهو ما تم تحسينه بشكل كبير في الظروف المظلمة.
بالإضافة إلى ذلك، تم فحص أداء المستشعر في البيئات الرطبة بعناية، مما أظهر أن وجود الرطوبة يمكن أن يضعف حساسية المستشعر. وتبين أن تفاعل جزيئات الماء (H2O) يتنافس مع امتصاص الغازات المستهدفة ويؤثر سلباً على عتبات الكشف. ومع ذلك، فإن ما يميز هذا المستشعر هو مقاومته لتأثيرات الرطوبة، مما يجعله خيارًا متفوقًا على الأنظمة الأخرى المعتمدة على الجرافين.
في حين تم تأكيد كفاءة ثنائي السيليكون G-Si من خلال تجارب مختلفة، إلا أن الحاجة إلى مزيد من التحقيق في إمكانية تطبيقه في العالم الحقيقي، وخاصة من حيث إمكانية التكرار عبر دفعات الإنتاج المختلفة، لا تزال قائمة.
وتسلط هذه الدراسة الضوء على نهج ثوري لتطبيقات استشعار الغاز منخفضة الطاقة وفعالة من حيث التكلفة مع ضمان بقاء الجهاز حساسًا حتى في ظل ظروف الرطوبة المتغيرة. وتتمتع مثل هذه الابتكارات في تكنولوجيا الاستشعار بإمكانيات هائلة لحل التحديات البيئية المهمة ومراقبة الصحة العامة.
جرب ميزات الذكاء الاصطناعي لدينا
اكتشف ما يمكن أن يفعله Daily8 AI من أجلك:
التعليقات
لا يوجد تعليقات بعد...
أخبار ذات صلة
اذاعة طهران العربية
١٣-٠٤-٢٠٢٥
- اذاعة طهران العربية
ابتكار إيراني في إنتاج بطارية تشبه معجون الأسنان
قال الباحثون في جامعة لينشوبينغ ومبتكري هذا الابتكار، إن البطارية الناعمة التي تشبه معجون الأسنان قادرة على إحداث ثورة في الأجهزة الإلكترونية لأنها تتناسب مع أي جهاز. وتشمل تطبيقاتها المحتملة الأجهزة الطبية، الأدوات القابلة للارتداء، والجيل القادم من الروبوتات. ويقول "أيمن رحمن الدين"، الأستاذ المساعد في الجامعة وأحد الباحثين في المشروع: "إن نسيج البطارية يشبه معجون الأسنان إلى حد ما. وعلى سبيل المثال، يمكن استخدام هذه المادة في طابعة ثلاثية الأبعاد لتشكيل البطارية بالشكل المطلوب. وتفتح هذه القدرة الطريق لتطوير نوع جديد من التكنولوجيا. وتستخدم البطارية أقطابًا كهربائية مصنوعة من اللجنين، وهو منتج ثانوي لإنتاج الورق، مما يجعلها بديلاً صديقًا للبيئة لبطاريات الليثيوم أيون. ويقول "محسن محمدي"، أحد مؤلفي الدراسة بهذا الصدد: "نظرًا لأن مواد البطارية عبارة عن بوليمرات مترافقة وليجنين، فهي متوفرة بكثرة. ونساعد في إنشاء اقتصاد دائري من خلال استخدام منتج ثانوي مثل اللجنين في منتج عالي القيمة مثل البطارية. ولذلك تعتبر هذه البطارية بمثابة بديل صديق للبيئة". وقد امتد النموذج الأولي الذي بناه الفريق إلى ضعف طوله الأصلي، وكان من الممكن إعادة شحنه أكثر من 500 مرة دون انخفاض كبير في الأداء. ويخطط الباحثون الآن لمواصلة تطوير البطارية لتحسين الجهد وتحسين استخدامها. وبحسب قوله فإن جهد البطارية الآن هو 0.9 فولت. ولهذا السبب، يقوم الباحثون بدراسة مركبات كيميائية أخرى لتعزيز الجهد.
اذاعة طهران العربية
١١-٠٤-٢٠٢٥
- اذاعة طهران العربية
مواد مركبة تتوافق مع الاستدامة البيئية
يهدف موسوي من خلال مشروعه إلى تصنيع وتقييم أداء المحفزات الكهربائية الكربونية النانوية ثلاثية الأبعاد، المشتقة من الأطر المعدنية العضوية القائمة على اللانثانيدات، لتطبيقات مثل تفاعل اختزال الأكسجين والمكثف الفائق. وأكد على أهمية تحديد النوع والنسبة المناسبة من الأيونات المعدنية واللانثانيدات والربيطات العضوية وقاعدة الكربون لتحقيق الأهداف المرجوة. كما أشار موسوي إلى أن استخدام طلاء السيليكون يعد خطوة مهمة لمنع التجميع الذاتي والاندماج غير القابل للعكس وأكسدة سطح الجسيمات النانوية المعدنية أثناء التسخين. وأكد على ضرورة إيجاد القيم المثلى لتركيز أيونات المعادن ودرجة حرارة التشغيل ونسبة كتلة اللانثانيدات إلى المعادن الأخرى. وفي سياق متصل، اعتبر موسوي أن استخدام الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية والرياح والحرارية الأرضية، يعد حلاً فعالاً للتغلب على التحديات المرتبطة بالمشروع. وأوضح أن البروتوكول الأمثل لتصنيع كل محفز كهربائي يعتمد على المعرفة الفنية للفريق التنفيذي والتجارب المختبرية. ومع ذلك، أشار موسوي إلى التحديات التي تواجه المشروع، بما في ذلك التكلفة العالية لبعض المواد الخام، وعدم نقاء بعض المواد، بالإضافة إلى التكاليف المرتفعة أو عدم توفر اختبارات التوصيف. كما نبه إلى أن التأخير في إصلاح وصيانة المعدات المختبرية قد يؤثر سلباً على تقدم المشروع.
اذاعة طهران العربية
٠٩-٠٤-٢٠٢٥
- اذاعة طهران العربية
محفزات نانوية كربونية للتقنيات النظيفة
تم إجراء هذا البحث كجزء من أطروحة الدكتوراه تحت إشراف الأستاذ مهدي مهربويا. يهدف المشروع إلى تصميم وتحليل أداء المحفزات المستخدمة في تفاعل اختزال الأكسجين، بالإضافة إلى تطبيقاتها في المكثفات الفائقة. في سياق تطوير هذه المواد، تم استخدام مركبات اللانثانيدات و المعادن الانتقالية مثل الحديد والنحاس، إلى جانب الربيطات العضوية المحددة. وأشار موسوي إلى أنه تم استخدام الطلاءات الواقية المصنوعة من السيليكون للتغلب على التحديات مثل تراكم الجسيمات النانوية والتغيرات السطحية أثناء المعالجة الحرارية. كما تضمن البحث تحديد الظروف المثالية لمجموعة من المعلمات، بما في ذلك نسبة المواد الخام، ودرجة حرارة العملية، وسمك الطلاء، وتركيب الإلكتروليت. وأكد موسوي أن المشروع يهدف إلى استخدام الموارد المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والكتلة الحيوية والهيدروجين بشكل فعال، مع تقديم حلول مستدامة لتخزين الطاقة وإنتاجها. تتمتع المنتجات النهائية لهذا البحث بإمكانية الاستخدام في مجالات مثل خلايا الوقود والبطاريات وأنظمة تخزين الطاقة، مع توقعات بإمكانية إنتاجها على نطاق صناعي. ورغم التقدم المحرز، أشار موسوي إلى أن التحديات مثل ارتفاع أسعار بعض المواد، والوصول المحدود إلى المعدات المتخصصة، وتعطل الأجهزة المختبرية، قد أدت إلى إبطاء عملية البحث. ومع ذلك، يعتبر هذا المشروع خطوة فعالة نحو تطوير التقنيات الخضراء والصديقة للبيئة.
