Химический сенсор - устройство, избирательно реагирующее на данное вещество за счет проходящей химической реакции. Его можно использовать для качественного и количественного определения вещества.

Химическая сенсорика представляет собой самостоятельную область современной аналитической химии, которая вполне сложилась и продолжает интенсивно развиваться. Химические сенсоры стали удобным аналитическим инструментом, представляющим интерес для исследователей  и практиков. Постоянное развитие аналитических разработок привело к созданию новых сенсоров, совершенствованию теории их функционирования, расширению области применения, внедрению новых методических решений. Сенсоры привлекают внимание своей низкой стоимостью, небольшими размерами, возможностью в специальных условиях определять различные вещества как в лабораторном, так и внелабораторном применении.

Принцип работы и основные типы химических сенсоров

Схема работы химического сенсора:
Р - химически чувствительный слой, П - преобразователь сигнала, Э - электронный блок

Классификация химических сенсоров

Типы наноструктур ZnO, используемые в качестве сенсоров химических веществ

Вертикально упорядоченные массивы наностержней ZnO	Массивы наностержней ZnO, упорядоченные под 45o
Тонкая пленка оксида цинка допированная оловом	Нанокристаллы ZnO, покрытые тонкой пленкой оксида олова

Данные структуры, при помещении их в атмосферу, насыщенную определенными веществами (CO, CO₂, NH₃, H₂, бензин или ацетон), меняют свои вольт-амперные характеристики. Отслеживая и фиксируя данные изменения можно определять наличие данных веществ в атмосфере, что позволяет использоватьнаноструктуры оксида цинка в качестве сенсоров различных химических, в том числе и опасных веществ.

Наногенераторы изготавливаются путем размещения проводящего металлического электрода поверх массива наностержней ZnO.  Для функционированиянаногенератора необходимо наличие контакта Шоттки. Когда внешняя сила прикладывается к верху электрода, она также прикладывается к наностержням, заставляя их сжиматься. В результате сжатия возникает пьезоэлектрическое напряжение. Структура полупроводник-металл между наностержнями ZnO и электродом формирует контакт Шоттки.

Принципиальная схема наногенератора

Существуют различные разновидности наногенераторов, например, генератор на кевларовых волокнах.

Керамические и полупроводниковые подложки жесткие и непригодны для использования в живых средах, поэтому необходимо использовать проводящий полимер в качестве подложки. В этом есть ряд преимуществ:

-  рост массивов наностержней ZnO при температурах ниже 80 ^oC уменьшает издержки на производство наностержней,
- большой выбор гибких пластиковых подложек для роста массивов наностержней ZnO, которые могут сыграть важную роль в создании гибких и портативных устройств для генерации низкочастотной энергии (10 Hz) из окружающей среды, например из передвижения человека.

Электрод заменяется массивом металлических наностержней. Металлические стержни придают механическую деформацию наностержням ZnO и собирают индуцированный заряд. Металлические стержни созданы из покрытых золотом стержней ZnO, выращенных на кевларовом волокне. Золото напылено так как необходимо создать контакт шоттки. Спутывание двух волокон, одного покрытого золотом, а второго без покрытия – это принцип работы наногенератора на волокнах.

a)Схематическое изображение наногенератора. Нижняя часть сделана из нанострежней ZnO, а другая часть из металлических наностержней
(b) СЭМ изображение, показывающеераспределение наностержней,    выращенных на поверхности волокна.
(c) Изображение пары переплетенных волокон, одно покрыто золотом (темное на изображении)
(d) СЭМ изображение двух волокон покрытых наностержнями (верхнее покрыто золотом).
(e) Пьезоэлектрический потенциал двуволоконного наногенератора (при наличии и отсутствии внешней силы на верхнем электроде)

Таже сущесвует наногенератор, где наностержень ZnO закреплен на гибкой подложке с двух сторон. Механическим приводом создается изгиб подложки, и энергия генерируется вследствие механической деформации. Финальный радиус закругления подложки 2 см, это намного больше, чем длина самого наностержня.

Наногенератор с горизонтальным расположением наностержня ZnO

Одним из перспективных направлений нанотехнологии является создание устройств, в основе работы которых лежит явление автоэлектронной эмиссии. Автоэлектронная эмиссия – это уникальный квантово-механический эффект, который возникает при воздействии на заземлённый проводник внешнего электрического поля. В отсутствии внешнего электрического поля, в металлах и полупроводниках, для электронов проводимости имеется потенциальный барьер. Его высота определяется, как работа выхода электрона и обычно составляет несколько eV, что на 1 – 2 порядка превышает энергию описываемых свободных электронов при комнатной температуре. Суть явления автоэлектронной эмиссии заключается в том, что при наложении электрического поля, становится возможным квантово-механический туннельный эффект, при котором электроны проводимости получают возможность выхода за пределы материала. Также, при наложении поля, уменьшается высота потенциального барьера. Учитывая этот факт и вероятность преодоления потенциального барьера в процессе туннелирования очевидно, что возникающий в результате описанного явления эмиссионный ток является резко возрастающей функцией приложенного напряжения. Так как явление автоэлектронной может происходить при низких температурах, то его также  называют эмиссией холодного катода. Возможность использования низких температур является одним из достоинств данного явления.

Благодаря описанным выше особенностям, создание различных электронных приложений, в основе которых лежит явление автоэлектронной эмиссии, является перспективным направлением. Развитие нанотехнологии, а в частности, появление возможности создания, исследования и внедрения в устройства наноструктур повысило интерес учёных к разработке и развитию приложений связанных с эмиссией холодного катода. Различные теоретические расчёты и экспериментальные данные подтверждают, что одномерные наноструктуры проявляют более высокие эмиссионные свойства, по сравнению с традиционно используемыми автоэмиссионными катодами, изготовленными на основе макроскопических металлических острий. Одними из наиболее перспективных наноструктур в данной области являются углеродные нанотрубки (CNT). Однако полупроводниковые нанокристаллы ZnO  являются потенциальной альтернативой CNT для получения автоэлектронной эмиссии. Используя различные методы, были получены ZnO наноструктуры с разнообразными свойствами. Было продемонстрированно, что изменение формы и морфологии нанокристаллов, а также легирование их различными металлами значительно улучшает их эмиссионные свойства. Схематическое изображение устройства холодного катода с 1-D наноструктурами в качестве рабочего элемента, приведено на рисунке.

Принципиальная схема устройства холодного катода

В настоящее время ведутся активные работы по созданию таких устройств на основе явления автоэлектронной эмиссии, как например катоды газоразрядных устройств, источники рентгеновского излучения, катодолюминесцентные осветительные лампы, плоские дисплеи и многие другие. Плоские дисплеи на холодных катодах являются одними из наиболее ожидаемых мультимедийных приложений, так как вероятно, что они будут иметь множество преимуществ перед их существующими аналогами. В этом направлении уже достигнут определённый прогресс некоторыми научными группами.

Один из первых дисплеев на основе CNT

Сравнение двух дисплеев работающих на основе эмиссии электронов, с разным принципом построения изображения

Как один из многофункциональных тонких оксидных пленок с хорошей оптической передачей, электрической проводимостью, и катодолюминесценцией для различных электронных устройств или дисплеев, ZnO получил широкое применение и изучение. Он принадлежит к классу прозрачных оксидных проводников вместе с индий олово оксидом (ITO) и оксидом олова. ZnO имеет преимущество над ITO, так как он обладает способностью к восстановлению в окружающей среде. Он обладает, даже если не превышает, оптические и электрические свойства ITO. Также тонкие пленки полупроводника ZnO имеют прямую и широкую запрещенную зону (E_g=3.3 eV), если осаждение проводилось при умеренной температуре. Коэффициент пропускания видимого света через через тонкий слой ZnOбольше чем 80%.

В настоящее время активно ведётся разработка солнечных элементов (в том числе и из оксида цинка), и в основе многих прототипов лежат наноплазмонные эффекты. Если быть точнее, падающий на объект свет связывается с поверхностным плазмоном и создаются самостоятельные, распространяющиеся электромагнитные волны, которые называют поверхностные плазмон-поляритоны. На рисунке приведены некоторые из решений.

a. Геометрия «тандема». Полупроводники с различными запрещенными зонами укладываются друг на друга с разделением слоем металла. В результате различные части солнечного спектра связываются в плазмон-поляритоны в соответствующем слое полупроводника.

b. Плазмонные солнечные элементы на квантовых точках. Разрабатываются с целью усиления фотопоглощения в сверхтонких слоях квантовых точек с помощью связывания мод плазмон-поляритонов, распространяющихся в плоскости между Ag и слоем металла или диэлектрика с внедренными в него квантовыми точками.

c. Массив оптических антенн, расположенных параллельно плоскости, из металла и полупроводника. Свет сосредотачивается в наноразмерных границах между двумя частями антенны, и фототок генерируется в полупроводнике.

d. Массив коаксиальных отверстий в металлической пленке. Отверстия заполнены полупроводником с низким временем жизни неосновных носителей, и носители скапливаются в металле на внутренней и внешней сторонах структуры.