header-pattern-bg

Nanoteknik för miljön och framtidens sensorer

Del av profilområde Smarta städer och samhällen

Med avancerad nanoteknik utvecklar forskare från Halmstad och Lund banbrytande komponenter som kan användas inom en rad olika områden. Till exempel kan tekniken användas för smart övervakning, avsaltning och rening av havsvatten samt för energilagring.

Vi har hittat en unik lösning på det stora problemet med elektriska läckströmmar längs pixelytor. Detta kommer att leda till en betydligt lägre effektförbrukning i kamerasensorn och därmed mer konkurrenskraftiga sensorsystem.

 

Håkan Pettersson, professor i fysik

Vid Högskolan i Halmstad bedrivs sedan många år avancerad utveckling av ny hårdvara baserad på nanoteknik. Tillsammans med forskare vid NanoLund utvecklar forskargruppen, ledd av Håkan Pettersson, professor i fysik vid Högskolan i Halmstad, nya nanomaterial och komponenter för framtidens optiska sensorsystem och för ren teknologi. I tre pågående projekt samarbetar forskargruppen även med Linköpings Universitet, Harvard University i USA, Central University of Rajasthan i Indien och företaget IRnova.

– I projektet Spänningsstyrda IR nanotrådsdetektorer med kvantsegment inbäddade i en fotonisk kristall, finansierat av Vetenskapsrådet, har vi nu utvecklat en unik nanosensor där de optiska egenskaperna kan styras med en elektrisk signal, berättar Håkan Pettersson.

En man sitter på en stol och håller i ett rör.

Håkan Pettersson är professor i fysik vid Akademin för informationsteknologi och är verksam inom Inbyggda och intelligenta system (EIS) och Rydberglaboratoriet för tillämpad naturvetenskap (RLAS).

Miljoner nanotrådar förstärker signalen

Sensorn består av flera miljoner ihopkopplade nanotrådar av materialet indiumfosfid (InP) med inbäddade tunna så kallade kvantsegment av indiumarsenidfosfid (InAsP). Detta gör, enligt Håkan Pettersson, sensorn ytterst känslig för både synligt ljus och infrarött (IR) ljus. Nanotrådarna har ett tunt elektriskt ledande skal runt sig, en så kallad wrap-gate. Genom att koppla en elektrisk signal till denna wrap-gate kan sensorns optiska egenskaper, till exempel känsligheten för olika våglängder, anpassas och styras på ett nytt sätt.

– Sensorn skall nu vidareutvecklas genom att bädda in nanotrådarna i en så kallad optisk kristall som väsentligt förstärker signalstyrkan ytterligare, säger Håkan Pettersson.

De utvecklade sensorerna har stort användningsområde inom en rad olika tillämpningar som övervakning, kommunikation, kvalitetskontroll och medicin.

Till vänster ses en optisk sensor med olika kontakter sedd ovanifrån.

Till vänster ses en optisk sensor med olika kontakter sedd ovanifrån. Den röda ringen indikerar aktiv sensoryta (cirka en kvadratmillimeter). I mitten visas en bild tagen med ett elektronmikroskop med 130 000 gångers förstoring. De processade nanotrådarna syns tydligt. Till höger ses en elektronmikroskopbild av en nanotråd som visar de inbäddade kvantsegmenten som en vit streckkod.

Unik lösning för mer effektiva sensorer

I projektet Supergitter-baserade IR-bildsensorer med hög arbetstemperatur, finansierat av Vinnova, har Håkan Petterssons forskningsgrupp tillsammans med företaget IRnova drastiskt förbättrat egenskaperna hos kommersiella sensorchip baserade på så kallade supergitter. Supergitterna består av hundratals extremt tunna skikt, bara några få nanometer tjocka, av omväxlande indiumarsenid (InAs) och galliumantimonid (GaSb). Skikten är odlade ovanpå varandra, och kopplas ihop enligt kvantfysikens lagar till ett helt nytt optiskt material med skräddarsydda elektriska och optiska egenskaper.

– Vi har hittat en unik lösning på det stora problemet med elektriska läckströmmar längs pixelytor. Detta kommer att leda till en betydligt lägre effektförbrukning i kamerasensorn och därmed mer konkurrenskraftiga sensorsystem, berättar Håkan Pettersson och fortsätter:

– I ett relaterat projekt, där vi nyligen sökt forskningsmedel, är målet att designa komplexa 3D-metallstrukturer i nanoskala på varje pixelyta. De kallas optiska metaytor och används för att effektivt fånga in IR-ljuset i pixlarna. Detta ökar sensorns effektivitet dramatiskt samtidigt som IR-läckaget mellan intilliggande pixlar minimeras. De utvecklade sensorsystemen har mycket stor användning inom säkerhet, termisk (värme) avbildning, miljöövervakning och medicin.

Till vänster syns en supergitterkamera med elektronik och Stirlingkylare. Till höger ses en elektronmikroskopbild av pixlarna på bildsensorchipet.

Till vänster visas en komplett supergitterkamera med elektronik och Stirlingkylare för att kyla ned det inbyggda bildsensorchipet till -130°C. Till höger ses en elektronmikroskopbild av pixlarna på bildsensorchipet.

Nanoteknik för att rena vatten

Innan sommaren disputerade doktoranden Ebrahim Chalangar med avhandlingen ”Synthesis and Characterization of ZnO/Graphene Nanostructures for Electronics and Photocatalysis”. I sitt doktorsarbete utvecklade han nya kompositmaterial av supertunna kolskikt, så kallat grafen, kombinerade med olika nanostrukturer av zinkoxid (ZnO). Forskningen finansierades av Ångpanneföreningen (Åforsk) och KK-stiftelsen. Kompositmaterialen kan användas för 3D-utskrifter av elektronik, fotokatalytisk rening och avsaltning av havsvatten till dricksvatten.

Översta bilden visar en avsaltningskomponent. Under ses två elektronmikroskopbilder och nanotrådar på ytan av fibrerna.

Översta bilden visar själva avsaltningskomponenten med två porösa elektroder. En spänningskälla kopplas in mellan elektroderna. Det elektriska fältet som då uppstår separerar positiva Na-joner och negativa Cl-joner i havsvattnet, vilka absorberas av respektive elektrod. Under ses två elektronmikroskopbilder av elektrodernas kolfiberstruktur (vänster) och nanotrådar på ytan av fibrerna (höger).

För vattenavsaltning har forskargruppen bland annat utvecklat en produkt som består av två porösa elektroder. Elektroderna är uppbyggda av nätverk av kolfiber som är klädda med supertunna nanotrådar av ZnO. Elektroderna separerar och binder positiva natriumjoner, respektive negativa klorjoner (havssalt är natriumklorid, NaCl) på ett effektivt sätt i flödande saltvatten som passerar mellan elektroderna. I detta projekt deltar också andra forskare vid lärosätet.

– Tekniken är mycket intressant och lovande. Vi arbetar nu med en liknande teknik för att utveckla billigare, säkrare och lättare batterier och superkondensatorer för energilagring, berättar Håkan Pettersson.

Text: ANNA-FRIDA AGARDSON
Bilder: IDA FRIDVALL
Grafik: HÅKAN PETTERSSON

Om nanoteknik och nanotrådar

Nanotrådar har en typisk längd om några mikrometer (1 mikrometer = 1 miljondels meter), medan diametern varierar mellan någon nanometer (1 nanometer = 1 miljarddels meter) till flera hundra nanometer. Genom den lilla storleken och möjligheten att kontrollera olika material på en atomskala beskrivs ofta nanoteknik som ”atomslöjd” – att designa material på atomnivå. Nanotrådarnas egenskaper kan varieras beroende på materialsammansättning, diameter och längd.

Det som gör nanoteknik så speciellt är att ämnen beter sig annorlunda på nanonivå än vad de gör i en större skala. Våra vanliga fysikaliska lagar gäller ofta inte längre, utan ersätts av kvantfysik. Som exempel kan nämnas att elektronerna i de små inbäddade InAsP segmenten, som beskrivits ovan (se mikroskopbilder), beter sig som ett slags vågor som styrs av kvantmekaniska lager. Segmenten kallas därför för kvantdiskar (quantum discs). Genom att optimera tjockleken på segmenten kan man skräddarsy deras elektriska och optiska egenskaper. I ett annat arbete som nyligen skickats in till en världsledande tidskrift har forskarna för första gången lyckats skapa interna optiska resonanser i enstaka kvantdiskar med ljus med mycket lång våglängd, vilket öppnar för möjligheten att med samma nanotrådar göra extremt ”bredbandiga” detektorer som är känsliga över mycket stora våglängdsintervall. I ytterligare ett annat arbete har de skapat de första nanotrådsdetektorerna med en intern förstärkare i form av ett annat materialsegment helt integrerad i ena änden av nanotråden.

Andra fördelar med nanopartiklar, som till exempel nanotrådar, är att de har en väldigt stor yta i förhållande till sin volym. Detta har stor betydelse för tillverkning av exempelvis nya typer av biosensorer. Nanoteknik används redan nu inom en rad olika tillämpningsområden av biologi, fysik och kemi, till exempel inom utveckling av nya material, elektronik, medicin, bioteknik och energiteknik.

1 nm = 0,000000001 m

Ett mänskligt hårstrå är ca 50 000 nanometer tjockt.

Källor: Nobelmuseet, Stiftelsen för Strategisk Forskning och SwedNanoTech.

Om tekniken att skapa nanotrådar

Forskarna skapar ett mönster av små guldpartiklar på den yta (ett chip) där nanotrådarna ska växa. Chipet stoppas in i en slags avancerad ugn som hettas upp. Sedan tillförs gaser som innehåller de grundämnen (indium, arsenik och fosfor) som ska bilda nanotrådens olika skikt, i detta fall indiumfosfid (InP) och indiumarsenidfosfid (InAsP). Guldpartiklarna katalyserar växten, det vill säga det växer en nanotråd under guldpartiklarna. En guldpartikel kan ses i figur c) ovan som det ljusa, halvklotformade objektet i högra änden av nanotråden. Genom att byta gaser kan skikt av olika material växa ovanpå varandra. Ett snabbt byte av gaser ger oerhört tunna skikt (kvantdiskar) av olika material längs med trådarna. Nanotrådarna kan växas med en förhållandevis enkel och självorganiserande teknik där atomerna hittar rätt plats automatiskt.