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.
Nanomateryal Katkılı PANI
PANI, elektrot değiştirme konusunda mükemmel bir malzemedir. Kolay sentezlenebilirliği, benzersiz elektroaktivitesi, çevresel stabilitesi ve olağanüstü de-doping/doping kimyası nedeniyle, elektronik cihazlar, biyosensörler, piller ve entegre devreler gibi çeşitli alanlarda incelenmektedir. Nanokompozitlerle katkılandığında, PANI'nin performansı geliştirilir ve daha iyi sonuçlar elde edilir.
Karbon Malzeme Katkılı PANI
Karbon nanotüpler, karbon malzemeler arasında öne çıkar. PANI'nin karbon malzemelerle katkılanmış polimerik nanokompozitleri, saf bileşenin özelliklerine kıyasla daha üstün işlevsellik ve özellikler sunar. Bu, biyosensörler ve kimyasal sensörlerde önemli uygulamalara sahiptir. CNT'ler ve grafen gibi karbon malzemeler yaygın olarak kullanılır.
Nanomalzeme Katkılı Polipirol (PPy)
Sensör uygulamaları için çekici bir diğer malzeme polipirol (PPy)'dir. Asidik ortama ihtiyaç duymaksızın nötr sulu çözeltide kolayca polimerize edilebilir. Kabul edilebilir stabilitesi ve yüksek elektrik iletkenliği ile biyosensörlerin ve elektrokimyasal sensörlerin üretiminde kullanılır. Nanomalzeme katkılı politiyofen kompozitleri, hem biyosensörlerin hem de elektrokimyasal sensörlerin geliştirilmesinde kullanılmaktadır. Nandini ve arkadaşları, H2O2 sensörleri için AuNP nanotüp (AuNPNT'ler) ile katkılanmış politiyofen bazlı bir sensör geliştirdi.
Poli(p-fenilen sülfit) PPS Nanokompozitler Poli(p-fenilen sülfit) PPS'nin performansı, karbon nanofiberler ve CNT gibi belirli nanomalzemelerle katkılandığında etkili bir şekilde geliştirilmiştir. Nanomalzeme katkılı PPS'nin, biyoalgılama ve elektrokimyasal algılama alanlarında gelecekte olağanüstü uygulamalar bulabileceği öngörülmektedir.
PANI bazında, çeşitli nanokompozitler katkı maddesi olarak uygulanır, geniş bir yelpazede geliştirmeler sağlar.
Elektrokemilüminesans ve Nanopartikül Katkılama (Doping)
Hassas algılama cihazlarının geliştirilmesinde, nanopartikül katkılamanın elektrokemilüminesans (ECL) transdüksiyon yöntemiyle entegrasyonu, yarı iletken malzemelerin kullanımında önemli bir ilerleme sağlamıştır. Bu yaklaşım, özellikle biyoalgılama uygulamaları için dikkat çekicidir. Mekanik ve kimyasal olayların etkin bir şekilde algılanması, hayat kurtaran teşhisler yapılmasına ve erken teşhisler ile potansiyel sağlık riskleri arasında ayrım yapılmasına olanak tanır.
Sonuç
Katkı maddelerinin özellikleri ile nanomalzemelerin özelliklerinin birleştirilmesi, malzemelerin performansını önemli ölçüde artırır. Nanopartikül ile katkılanmış malzemeler, düşük tespit limiti, hızlı tepki süresi, iyi seçicilik ve yüksek tekrarlanabilirlik gibi algılama performanslarını iyileştirir. Ayrıca, bu malzemelerin hazırlanması da kolaydır. Her katkı maddesi, belirli hedeflere yönelik özel bir katalitik aktiviteye sahiptir. Bu nedenle, birden fazla katkı maddesi ile zenginleştirilmiş iletken polimerler, bu özelliklerin bir kombinasyonundan yararlanır. Elektrik iletkenliği, katkı maddeleri ile modüle edilen uzun süreli π-konjuge moleküler yapılar sayesinde ayarlanabilir. Elektrokimyasal sensörler ve biyosensörlerde bu malzemelerin uygulamaları dikkat çekicidir. Makale ayrıca, ayarlanabilir sensörlerin oluşturulmasında altın nanopartiküllerinin kullanımına ve seçici NO2 gaz sensörlerine de odaklanmaktadır.
Nanoteknoloji alanındaki öğretici ve güncel gelişmeler hakkında daha fazla bilgi almak için Blografi'nin blog yazılarını takip edin.
Kaynakça
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/201...
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/...
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC64805...
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b07275
https://tr.wikipedia.org/wiki/%C4%B0letken_polimer