Nanopartikül Katkılama (Doping) Yapılarak Sensör Performansının Artırılması

Elektriksel ve kimyasal değişimleri algılamak amacıyla tasarlanan sensörler, oldukça hassas uygulamalar için nanopartiküller kullanılarak geliştirilmiş yarı iletkenler içerir. Bu yarı iletken sensörler, yüksek hassasiyet ve doğruluk sağlayan nanopartiküller ile katkılama (doping) işlemi yoluyla üretilir.

Bu teknolojiye olan ilgi, elektriksel iletkenliğin ayarlanabilir olması, kolay polimerizasyon imkanı, yumuşak organik malzemenin özellikleri ve katkı maddeleriyle geliştirilebilir olmasından kaynaklanır. Özellikle, benzersiz kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip nanomalzemeler kullanılarak yapılan katkılama, iletken polimerlerin yeni ve geliştirilmiş özellikler kazanmasını sağlar. Bu özellikler arasında geliştirilmiş güç, iletkenlik, ek fonksiyonel gruplar ve geniş yüzey alanı bulunur.  Nanografi olarak, yüksek kalite üretilmiş nanopartiküllerimizle geliştirilmiş yarı iletkenler sunarak üstün iletkenlik, güç ve hassasiyet sağlıyoruz.

Giriş

İletken polimerlerin nanomalzemelerle katkılanması, bu iki malzemenin özelliklerini birleştirerek çeşitli uygulamalarda kullanımlarını genişletir. Bu yöntem güneş panelleri, katalizörler, yakıt hücreleri, süperkapasitörler, termoelektrik cihazlar ve sensörler gibi alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Hem teorik hem de deneysel çalışmalar, nanobilimde ve yeni fonksiyonel malzemelerin gelişiminde dopingin önemini göstermektedir. Bu makale, özellikle nanomalzemelerle katkılanmış iletken polimerlere dayalı biyosensörler ve elektrokimyasal sensörlerdeki en son gelişmelere odaklanmaktadır. Ek olarak, NO2 gazını tespit etmek için altın nanopartiküller kullanılan ayarlanabilir sensörler, polistiren nanopartiküllerle geliştirilmiş biyosensörler ve  ZnO nanopartikülleri temelinde geliştirilen hidrojen sensörleri gibi konularda da tartışmalar sunulmaktadır.

Sensörler, kimyasal, elektriksel, mekanik, radyant, manyetik ve termal değişiklikleri algılamak için tasarlanmıştır. Bu alanda, yarı iletken malzemelerin kullanımı, daha karmaşık üç boyutlu cihazların üretilmesine imkan tanımıştır. Yarı iletken üretimindeki kritik bir aşama dopingdir, burada malzemeye yabancı maddeler eklenir, bu da ona istenen özellikleri kazandırır. Özellikle nanopartiküller, dopingde katkı maddesi olarak kullanıldığında yarı iletkenleri hassas algılama uygulamaları için ideal hale getirir.

Son on yılda nanoteknolojinin ilerlemesi, yarı iletken üretimini önemli ölçüde iyileştirdi. Araştırmacılar, çeşitli sensör uygulamaları için nanopartiküllerin dopingde nasıl kullanılabileceğini inceliyor. Bu makalede, bu konudaki bazı araştırma örneklerine değinilmektedir.

NO2 Gaz Sensörleri

NO2 Gaz Sensörleri konusunda,  seryum (Ce) ile sentezlenmiş nikel oksit (NiO) kullanımı önemli bir gelişmedir. Bu yöntem, sol-jel tekniği ile uygulanır ve nitrojen dioksit (NO2) algılamada, geleneksel malzemelere göre daha etkili bir performans sergiler. Ce ile katkılanmış NiO'nun NO2'ye özel duyarlılığı, nanopartikül katkılamanın sensörlerin işlevselliğini nasıl iyileştirebileceğinin güçlü bir örneğini sunar. Bu artan hassasiyet, çevresel takip ve endüstriyel güvenlik gibi alanlarda, düşük NO2 konsantrasyonlarının tespiti için oldukça değerlidir.

ZnO Nanopartikül Katkılı Hidrojen Sensörleri

Bu sensörler üzerinde yapılan çalışmalarda,  ZnO nanopartiküllerinin H2, etanol ve CO gibi gazları algılayabildiği görülmüştür. Wang ve ekibi, geleneksel ZnO malzemesinin yetersiz duyarlılığını aşmak için Pd ile kaplanmış ZnO nanoçubukları kullanarak, 10 ppm H2'yi %2.6 bağıl yanıt ve 25.8°C'de 20 saniyeden daha kısa iyileşme süresi ile tespit etmeyi başardılar. Ayrıca, ZnO nanopartiküllerinin %1 Pt ile emprenye edilmesi, Pt'nin gaz algılama özelliklerini geliştirici etkilerini ekledi ve daha fazla Pt emprenyesi, iyileşme ve tepki sürelerini daha da iyileştirdi. Düşük sıcaklıklarda, Pt ve Co ile katkılanmış ZnO nanopartikülleri, H2 algılamada yüksek hassasiyet sağladı. Uzun süreli kullanımlarda, ZnO nanopartikül sensörleri stabil kaldı ve H2 sensörleri olarak pratik uygulamalarını kanıtladı. ZnO: Ag nanosütunlu filmler, tamamen modifiye edilmiş ince film yapısı ile tepki ve iyileşme sürelerini önemli ölçüde azalttı ve Ag ile katkılanmış ZnO sütunlu filmler, aseton, etanol, metanol ve 2-propanol buharları gibi diğer gazların algılanmasını da geliştirdi.

Altın Nanopartikülleri İle Ayarlanabilir Sensörler

Katkılama (doping) işleminin ayarlanabilir yapısı, üreticilere, uçucu organik bileşikler (VOC) ve yarı iletken malzemeleri algılama uygulamalarında yabancı madde seviyesini hassas bir şekilde kontrol etme imkanı sunar. Örneğin, molibden disülfür (MoS2), sadece 10 nanometre boyutundaki  altın (Au) nanopartikülleri ile katkılandığında, Au ve MoS2 arasında yük transferine izin vererek, sensör üretiminin gerçekleştirilmesini mümkün kılar.

Polistiren Nanopartikülleri Kullanılarak Biyosensörlerin Üretilmesi 

Biyoalgılama alanında, nabız, yutkunma ve sırt duruşu gibi bedensel süreçlerin gerçek zamanlı takibi için özel mekanik sensörler kullanılmaktadır. Son araştırmalar, polistiren katkılı  grafen oksit nanopartiküllerinin bu tür uygulamalarda oldukça duyarlı, esnek bir piezoelektrik sensör olarak nasıl kullanılabileceğini göstermektedir.

Nanomalzeme Katkılı İletken Polimerler ve Bunların Biyosensörler ile Elektrokimyasal Sensörlerde Kullanımı 

1977 yılında, iyotla katkılandığında yüksek elektronik iletkenlik gösteren organik bir polimer olan  poliasetilen keşfedildi. Bugün, iletken polimerlere, biyomedikal uygulamalar, biyoelektronik, korozyon önleme ve enerji depolama gibi alanlarda büyük ilgi gösterilmektedir. Bu ilgi, yumuşak organik malzemelerin katkılanması ve elektriksel iletkenliği ayarlayabilme özellikleri sayesindedir. Katkı maddeleri, π-konjuge moleküler yapıyı modüle ederek elektriksel iletkenliği düzenler ve biyosensörler ile elektrokimyasal sensörlerde etkili uygulamalar sağlar.

Son gelişmelerle birlikte, negatif yük taşıyan nanomalzemeler, polimerlerin polimerizasyonunda yeni katkı maddeleri olarak kullanılmaya başlandı. İletken polimerler, nanomalzemelerle katkılandığında, geliştirilmiş iletkenlik, geniş yüzey alanı, ek fonksiyonel gruplar ve artırılmış dayanıklılık gibi önemli özellikler kazanır. Bu kombinasyon, farklı alanlarda geniş uygulama olanakları sunar. Şimdiye kadar geliştirilen pek çok iletken polimer arasında en dikkat çekicileri polianilin (PANI), poliindol ve poli(3,4-etilen dioksitiyofen) (PEDOT) olmuştur.

Nanomalzeme Katkılı PEDOT

PEDOT, yüksek iletkenliği ve olağanüstü stabilitesi nedeniyle, politiyofenler arasında en yaygın ve örnek alınan tür olarak kabul edilir. PEDOT ve nanomalzemelerin birleştirilmesi, elektrokimyasal alanda son dönemlerde hızlı bir gelişme gösteren, gelecek vaat eden birçok yeni kompozit malzeme üretimine yol açmıştır.

Karbon Nanotüp (CNT) Katkılı PEDOT 

Son dönemde,  karbon nanotüpleri ve grafen gibi karbon nanomalzemeleri PEDOT içinde katkı maddesi olarak kullanılmıştır. Bu yöntemle farklı sensörler geliştirilmiş ve algılama kapasitelerinde etkileyici ilerlemeler kaydedilmiştir.

Elektrokataliz alanında, PEDOT nanokompozitlerinin katkılandığı CNT'ler de büyük önem taşımaktadır. PEDOT-CNT kompozitlerine nanopartiküller eklendiğinde, bu kompozitlerin performansının arttığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, biyosensörlerde de CNT ile katkılanmış PEDOT kompozitleri dikkat çekici malzemeler olarak kabul edilir.

Metal Nanopartikül Katkılı PEDOT 

Yüksek iletkenlik ve 3 boyutlu mikro gözenekli yapıya sahip bir ağ, belirli nanomalzemelerle işlenerek oluşturulmuştur. Özellikle, nitritin elektrokimyasal algılanması için, altın nanokümeleri (AuNC'ler) ile katkılanmış PEDOT üretimi mümkündür.

Diğer Nanomalzeme Katkılı PEDOT 

Algılama hassasiyeti ve gelecek vadeden uygulamalar açısından, nanomalzeme katkılı PEDOT geniş bir uygulama yelpazesi sunar. PEDOT'a katkı yapılması için nanokristalin selüloz iyi bir aday olarak görülmektedir, bu durum düşük maliyeti, yüksek yüzey alanı ve iyi biyouyumluluğu ile ilişkilidir. Elektrokimyasal olarak polimerize edilen PEDOT-NCC, elektrokatalitik aktivite ve şarj depolama kapasitesi açısından üstün performans sergiler. Dopaminin (DA) hassas tespiti, bu malzemenin iyi elektrokatalitik aktivitesi sayesinde gerçekleştirilmiştir. H2O2 için, Prusya Mavisi (PB) nanopartikülleri dikkat çekici bir katalizör olarak kullanılır ve bu nanopartiküller polimer katkılama sürecinde kullanılır. H2O2'nin elektrokimyasal katalitik indirgemesi için PB-PEDOT nanokompoziti kullanılmıştır, bu Wang ve iş arkadaşları tarafından bildirilmiştir. Nanokompozit içinde PEDOT, sadece PB nanopartiküllerinin stabilitesini artırmakla kalmaz, aynı zamanda PB nanopartikülleri arasında bağlayıcı olarak hareket ederek elektrokimyasal performansını da iyileştirir.

Altın nanoparçacıkların sentezindeki yeni yöntemi öğrenmek için,  şimdi blog sayfamızı ziyaret edin.