Sprengstoffe mit schwarzem Silizium detektieren

29.11.2019

FEFU press office

(a) Schematische Darstellung des Herstellungsverfahrens. (b) Das Seitenansichts-REM-Bild des funktionalisierten b-Si-Einsatzes zeigt blankes b-Si zum Vergleich). (c) Si 2p hochauflösendes XPS-Spektrum (Solid Curve) mit drei Komponenten oder chemischen Zuständen (gestrichelte Kurven). (d) Normierte Absorption ohne Ordnung (1-R) FTIR-Spektrum des cbz-bSi. Inset zeigt schematisch die Struktur des Carbazolmoleküls. Farbige Bereiche heben mehrere identifizierte Schwingungsbänder des Carbazols hervor.

Wissenschaftler der Far Eastern Federal University (FEFU), der Far Eastern Branch der Russischen Akademie der Wissenschaften, der Swinburne University of Technology und des Melbourne Center for Nanofabrikation entwickelten einen ultrasensitiven Detektor auf Basis von schwarzem Silizium. Das Gerät ist in der Lage, Spuren von Nitroaromaten zu erkennen und kann zur Identifizierung der meisten Sprengstoffe oder hochgiftigen Schadstoffe für medizinische und forensische Untersuchungen eingesetzt werden.

Der neuartige Sensor basiert auf dem sogenannten "schwarzen Silizium", das durch leistungsstarkes reaktives Ätzen von handelsüblichen Siliziumsubstraten hergestellt wird. Dieses geätzte Silizium weist eine nanostrukturierte stachelige Oberfläche auf, die einzigartige optische Eigenschaften aufweist. Nach dem Ätzen wird die Oberfläche mit einer Monoschicht aus Carbazolmolekülen bedeckt. Dieser Prozess wird als chemische Funktionalisierung bezeichnet, da die gebundenen Moleküle dem Substrat eine bestimmte wichtige Funktion verleihen, nämlich die Fähigkeit, Nitroaromaten an der Oberfläche zu binden und zu konzentrieren. Die Carbazol-Monoschicht macht das Gerät empfindlich gegenüber so weit verbreiteten nitroaromatischen Substanzen wie Nitrobenzol, o-Nitrotoluol, 2,4-Dinitrotoluol usw. Der Sensor reagiert jedoch nicht auf das Vorhandensein anderer Moleküle, wie z. B. Benzol, Toluol, Tetrachlormethan, Methanol, Ethanol usw.

"Nitroaromatische Verbindungen sind in den Abwässern von Lackieranlagen oder Militäranlagen zu finden und stellen eine große Gefahr für die Umwelt dar. Außerdem sind sie auch Bestandteil vieler Sprengstoffe. Ihr Nachweis in Spurenkonzentration stellt eine wichtige und komplexe praktische Aufgabe dar. Unsere Sensorplattform identifiziert das Vorhandensein von Nitroaromaten, indem sie die Veränderungen im Lumineszenzspektrum der Funktionsschicht von Carbazol registriert, die selektiv auf Nitroaromatenmoleküle reagiert", sagt Alexander Kuchmizhak, wissenschaftlicher Mitarbeiter am VR und AR Center of the Science and Technology, FEFU.

Nach Ansicht des Wissenschaftlers verleiht nanostrukturiertes schwarzes Silizium, das als Basis für das Gerät verwendet wird, ihm eine hohe Empfindlichkeit und einen beispiellosen dynamischen Messbereich. Im Labor ist der Sensor in der Lage, innerhalb weniger Minuten Informationen über das Vorhandensein von toxischen Molekülen in Flüssigkeiten oder Gasen zu liefern.

"Die Kombination einzigartiger morphologischer und optischer Eigenschaften von schwarzem Silizium in Kombination mit einfach zu implementierenden Methoden der Oberflächenchemie zur Funktionalisierung der Siliziumoberfläche mit Carbazolmolekülen ermöglichte eine bisher unerreichte Empfindlichkeit. Unser Sensor ist in der Lage, nitroaromatische Verbindungen in Konzentrationen bis hinunter zu ppt (Teil pro Billion oder 10-10 %) nachzuweisen. Ein extrem breiter dynamischer Messbereich wird durch die einzigartige stachelige Morphologie von schwarzem Silizium verursacht, die eine ungleichmäßige lokale Konzentration von Carbazolmolekülen ermöglicht, die Oberflächenstellen mit unterschiedlicher Empfindlichkeit bilden", erklärt Alexander Mironenko, der Konstrukteur des Sensors und leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Chemie, FEB RAS.

Wissenschaftler gaben an, dass die Herstellung der neuen Sensorplattform im Vergleich zu den bestehenden Analoga recht günstig sein dürfte. Darüber hinaus kann der gleiche Sensor mehrfach verwendet werden. Es kann Teil von Gassensorsystemen werden, die die öffentliche und ökologische Sicherheit gewährleisten.

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Far Eastern Federal University (FEFU)

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