Un team della Facoltà di Fisica dell'Università Statale Lomonosov di Mosca ha suggerito di utilizzare array di nanofili di silicio poroso in sensori di gas altamente sensibili. Questi dispositivi saranno in grado di rilevare la presenza di molecole di gas tossici e non tossici nell'aria a temperatura ambiente. I risultati dello studio sono stati pubblicati in Stato fisico Solidi A:applicazioni e scienza dei materiali .

Tenendo conto degli elevati livelli di inquinamento ambientale nel mondo moderno, è importante sviluppare dispositivi sensibili in grado di identificare le molecole in fase gassosa in modo accurato e selettivo. Però, la maggior parte dei moderni sensori di gas funziona solo ad alte temperature, che ne limita l'ambito di applicazione. Perciò, lo sviluppo del riutilizzabile, rivelatori di gas altamente sensibili che lavorano a temperatura ambiente è un'area importante della fisica moderna.

Gli scienziati della MSU hanno suggerito di utilizzare array di nanofili di silicio poroso come elementi sensibili di tali rivelatori. Possono essere ottenuti mediante un metodo economico di incisione chimica assistita da metallo. Si basa su un attacco chimico selettivo, cioè rimozione parziale dello strato superficiale da una massa di silicio cristallino con l'uso di nanoparticelle metalliche come catalizzatore. Inoltre, la procedura è rapida:in un laboratorio si possono produrre almeno 100 elementi in appena un'ora.

Ciascun sensore è costituito da una matrice di nanofili di silicio organizzati lunghi 10 micron con diametri che vanno da 100 a 200 nm. Ogni nanofilo ha una struttura cristallina porosa. La dimensione dei cristalli di silicio e dei pori tra di loro in singoli nanofili, varia da tre a cinque nanometri.

Gli autori hanno dimostrato che tali nanofili porosi hanno un'enorme superficie specifica a causa della quale le loro proprietà fisiche e chimiche sono estremamente sensibili all'ambiente molecolare. È stato anche scoperto che i campioni ottenuti hanno mostrato un'efficace fotoluminescenza nella regione dello spettro rosso a temperatura ambiente.

"Per la prima volta abbiamo dimostrato che la fotoluminescenza dei nanofili di silicio viene spenta in ossigeno (O ₂ ) atmosfera ma poi riportato ai valori iniziali nell'atmosfera di un gas nobile - azoto (N ₂ ). Questo si ripete in diversi cicli di adsorbimento-desorbimento, " disse Liubov Osminkina, il capo del gruppo scientifico.

Gli scienziati hanno spiegato i risultati sperimentali con un modello microscopico secondo il quale la sensibilità delle proprietà ottiche dei campioni al loro ambiente molecolare è determinata dalla carica e scarica reversibili dei centri di Pb, difetti come i legami penzolanti di silicio sulla superficie dei nanofili. Gli autori hanno confermato il modello con misurazioni effettuate utilizzando il metodo della risonanza paramagnetica elettronica che aiuta a determinare l'esistenza e la concentrazione dei centri di Pb.

"L'importante è che i nostri sensori basati su nanofili porosi funzionino a temperature domestiche e siano anche riutilizzabili, perché tutti gli effetti osservati erano completamente reversibili, " ha aggiunto Liubov Osminkina.

I nuovi sensori possono essere utilizzati sia per un efficace controllo dei livelli di inquinamento ambientale sia per il monitoraggio della composizione dell'aria in ambienti chiusi, dalle aule alle stazioni spaziali.