Huokoinen pii kaasu- ja kosteusanturimateriaalina

Professori Lauri Niinistö, Epäorgaanisen ja analyyttisen kemian laboratorio, Teknillinen korkeakoulu, PL 6100, 02015 Tkk

Johdanto

Koska huokoisella piillä (PS) on suuri ominaispinta-ala ja yhteensopivuus piiteknologian kanssa, on se potentiaalinen materiaali kehittyneille kaasu- ja kosteussensoreille. Huokoista piitä voidaan valmistaa suhteellisen helposti etsaamalla p- tai n-seostettuja piikiekkoja sähkökemiallisesti vetyfluoridiliuoksessa. Ongelmana ja samalla avaimena sovelluksiin on pintakemian modifiointi ja hallinta.

Kaasusensorisovellusta ajatellen kriittiset parametrit (3 S) ovat sensitiivisyys, selektiivisyys ja stabiilisuus. Huokoisen piin ollessa kyseessä pitkäaikainen stabiilisuus on avainkysymys, muut kaksi parametria voidaan kohtuullisesti hallita pinnoitteilla, seostuksilla ja metallisilla katalyysikeskuksilla.

Taustaa

Teknillisessä korkeakoulussa on ALE -teknologiasta (Atomic Layer Epitaxy) 15 vuoden käytännön kokemus eri materiaaleihin ja sovelluksiin. ALE -tutkimus on keskittynyt oksidimateriaaleihin ja katalyytteihin, joilla molemmilla on suora yhteys kaasusensorimateriaaleihin. Ohutkalvojen valmistusta ja sovellutuksia tukee kehittynyt hivenaine- ja pinta-analytiikka.

Vuonna 1998 päättyneessä EU:n Copernicus-ohjelman projektissa "Investigation of Porous Si-based Structures for Integrated Gas Sensing Applications" (PORSIS) tehtiin alustava tutkimus PS:n soveltuvuudesta anturimateriaalina. PORSIS -projekti ja muut laboratorion tutkimukset osoittivat, että huokoinen pii voidaan päällystää esim. tinadioksidilla tai galliumoksidilla ALE -tekniikan avulla. ALE -menetelmän käytön huokoisen piin modifioinnissa havaittiin lisäävän selektiivisyyttä ja laadukkaita oksidikalvoja valmistettiin vieläpä kun aspektisuhde oli 1:140.

Turun yliopiston teollisen fysiikan laboratoriossa on puolestaan pitkä kokemus mikrokalorimetriasta ja muista termoanalyyttisistä menetelmistä sekä kokemusta röntgensirontaan perustuvien erikoismenetelmien käytöstä materiaalitutkimuksessa. Yliopistolla on tutkittu mm. huokoisen piin hapettumista, mikä on usein ongelma teollisissa sovelluksissa. Eri hapettumismuotoja on tutkittu perusmekanismien selvittämiseksi ja hapettumista estävän stabilointikäsittelyn kehittämiseksi ilman että huokoisen piin suuri pinta-ala menetetään. Erityisesti on tutkittu kosteuden ja valon hapettavia vaikutuksia huokoiseen piihin uusilla mikrokalorimetriaan perustuvien menetelmien avulla.

Projekti

Tutkimushankkeen tavoitteina on selvittää huokoisen piin ja erilaisten kontaminaatioiden väliset vuorovaikutukset, sitoutumismekanismit ja dynamiikka, jotta pystyttäisiin PS -pinnan mielekkääseen modifiointiin sekä stabiloida PS erilaisilla termisillä ja kemiallisilla käsittelyillä. Lisäksi PS päällystetään konformaalisesti tinadioksidilla ja muilla kaasuherkillä materiaaleilla, jotta saataisiin muillekin kaasuille kuin ammoniakille ja vedelle soveltuvia kaasusensoreita. Lopullisena tavoitteena on kehittää piiteknologian kanssa yhteensopiva kaasuanturilaite, jolla on pinnan käsittelyn johdosta parempi stabiilisuus ja selektiivisyys.

Tutkimuksen osa-alueet voidaan jakaa huokoisen piin valmistusparametrien optimointiin, pintakäsittelyihin huokoisen piin stabiilisuuden ja adsorptio-ominaisuuksien optimoimiseksi, huokoisen piin konformaaliseen päällystämiseen kaasuherkillä materiaaleilla, eri sensorimateriaalien anturiominaisuuksien tutkimiseen, kahtaistaitteisuuden käyttöön sensorisovelluksissa sekä sensorilaitteen rakentamiseen ja testaukseen.

Tutkimusryhmä

Teknillinen korkeakoulu, Epäorgaanisen ja analyyttisen kemian laboratorio
Prof. Lauri Niinistö
DI Johanna Johansson, DI Matti Putkonen, Tekn. lis. Minna Nieminen, Tekn. yo. Juhana Kostamo

Turun Yliopisto, Teollisen fysiikan laboratorio
Dos. Ensio Laine
FT Jarno Salonen, FT Veli-Pekka Lehto, FM Mikko Björkqvist

Kansainvälinen yhteistyö

TKK (kaasusensorit)
Research Institute for Materials Research, Budapest, Hungary
Technical University of Budapest, Institute of Atomic Physics, Budapest, Hungary
Lithuanian Academy of Sciences, Institute of Physics, Vilnius, Lithuania
University of Twente, MESA Research Institute, Twente, The Netherlands

TY (huokoinen pii)
Ioffe Physicotechnical Institute, St. Petersburg, Russia
Worcester Polytechnic Institute, Worchester, MA, USA