Thermally regenerated volatile organic compound sensors based on IGZO-transistor functionalization with metal-organic frameworks

Promovendus/a: Maider Calderon González

Promotor(en): Prof. dr. ir. Jan Genoe, Prof. dr. ir. Rob Ameloot

We worden voortdurend omringd door geuren: van je favoriete gerecht, luchtverfrissers, sigarettenrook of zelfs oud afval. Maar wat als ik je vertel dat we door het bestuderen van geuren ongelooflijke dingen kunnen doen? Zo kunnen wetenschappers bijvoorbeeld vroege tekenen van bepaalde ziekten opsporen of ontdekken of voedsel dat er goed uitziet, eigenlijk onveilig is om te eten.

Hoewel er al veel vooruitgang is geboekt, zijn geurdetectoren vaak te groot, te duur of niet erg nauwkeurig. Daarom proberen we nog steeds bruikbare alternatieven te vinden die deze beperkingen kunnen overwinnen. In dit onderzoek stellen we een nieuwe geurdetector voor, opgebouwd uit drie belangrijke onderdelen.

Het eerste onderdeel is iets wat je in bijna elk elektronisch apparaat kunt vinden: een transistor. Transistors regelen de stroom van elektrische lading en zijn erg populair omdat ze klein, snel en goedkoop zijn. Wanneer een transistor in contact komt met bepaalde geuren, kan de manier waarop hij elektriciteit geleidt veranderen. Die veranderingen kunnen we vervolgens ‘lezen’ om de hoeveelheid en eigenschappen van de geur te bepalen.

Het tweede onderdeel is een bijzonder materiaal, een zogenoemd metaal-organisch raamwerk. Dit materiaal kun je zien als een soort ‘spons’ die in staat is bepaalde geuren op te vangen en te concentreren. Op die manier helpt het om een sterker signaal te produceren (hogere gevoeligheid) en verbetert het de mogelijkheid om doelgeuren te onderscheiden van storende geuren (hogere selectiviteit).

Het derde onderdeel is een microverwarmer, die wordt gebruikt om de temperatuur van de sensor te verhogen. Dit is nuttig om ongewenste geuren te verwijderen die in de sensor vastzitten en de geurmeting kunnen verstoren.

Voor de ontwikkeling van deze geursensor hebben we verschillende geometrieën van microverwarmers onderzocht om te bestuderen wat hun invloed is op de warmteverdeling en temperatuursuniformiteit. Deze studies zijn zowel experimenteel als via simulaties uitgevoerd en hebben ons geholpen het meest geschikte ontwerp te selecteren. Daarnaast hebben we een gedetailleerd overzicht gegeven van de fundamentele werking van de transistors, twee ontwerpen vergeleken om het optimale te kiezen, en aangetoond dat hun gedrag kan worden gemodelleerd met een simulatietool die normaal niet in dit onderzoeksveld wordt gebruikt. Verder hebben we een nieuwe methode getest om het metaal-organisch raamwerk te integreren.

De prestaties van onze sensor zijn uitgebreid onderzocht voor de detectie van methanol, waarbij we veel verschillende parameters hebben geanalyseerd die belangrijk zijn voor transistors. In vergelijking met andere sensoren hebben we een zeer sterke respons aangetoond, al is die beperkt bij lage concentraties. We hebben een interessant gedrag van de transistor waargenomen dat optreedt wanneer geur­moleculen worden vastgehouden. Bovendien hebben we bewezen dat korte temperatuurpulsen nuttig kunnen zijn om storende geuren te verwijderen en de metingen te verbeteren. De sensor is ook getest op andere gassen, zoals ethanol, 2-propanol en water, maar reageert het sterkst op methanol. Hoewel de resultaten veelbelovend zijn, zijn er enkele beperkingen door de gebruikte materialen die in toekomstig onderzoek moeten worden overwonnen.