Kredit:Tokyo Tech
Syre (O 2 ) är en viktig gas inte bara för oss och de flesta andra livsformer, men också för många industriella processer, biomedicin, och miljöövervakningstillämpningar. Med tanke på betydelsen av O 2 och andra gaser, många forskare har fokuserat på att utveckla och förbättra gasavkänningsteknologier. Vid gränsen för detta utvecklande fält ligger moderna nanogap-gassensorer - enheter som vanligtvis består av ett avkänningsmaterial och två ledande elektroder som är åtskilda av ett litet gap i storleksordningen nanometer (nm), eller tusen miljondelar av en meter. När molekyler av specifika gaser kommer in i detta gap, de interagerar elektroniskt med avkänningsskiktet och elektroderna, ändring av mätbara elektriska egenskaper såsom resistansen mellan elektroderna. I tur och ordning, detta gör att man indirekt kan mäta koncentrationen av en given gas.
Även om nanogap-gassensorer har många mer attraktiva egenskaper än de närbesläktade mikrogap-gassensorerna, de har visat sig vara mycket svårare att massproducera tillförlitligt för gapavstånd i storleksordningen tiotals nanometer. Vid Laboratory for Materials and Structures of Tokyo Tech, ett team av forskare under ledning av Dr. Yutaka Majima letar efter sätt att tillverka bättre nanogap-sensorer. I deras senaste studie, som publicerades i Sensors &Actuators:B. Chemical, teamet presenterar en ny strategi för att producera nanogap syrgassensorer med platina/titan (Pt/Ti) elektroder och en ceriumoxid (CeO) 2 ) avkänningsskikt.
Två sensordesigner testades av Prof. Majima och hans team. I bottenkontaktdesignen, vd 2 avkänningsskiktet avsätts först på ett kiselsubstrat och de två Pt/Ti-elektroderna läggs ovanpå CeO:n 2 genom elektronstrålelitografi (EBL). Med EBL, man ritar anpassade former på en resistfilm med hjälp av en fokuserad elektronstråle med extrem precision. Detta möjliggör sedan selektiv etsning eller förångning av Pt/Ti-regioner, vilket ger form åt nanogap-elektroderna. Den andra designen (toppkontakt) producerades också med EBL, men vd 2 applicerades ovanpå Pt/Ti-elektroderna som ett tunt beläggningsskikt.
Med denna tillverkningsstrategi, teamet lyckades på ett tillförlitligt sätt producera stabila Pt-nanogaps så små som 20 nm, som saknade motstycke i litteraturen. Båda sensordesignerna uppvisade liknande och mycket lovande prestanda, som Dr Majima anmärker:"För en gapseparation på 35 nm, vår nanogap O 2 gassensorer uppvisade en snabb svarstid på 10 sekunder vid en relativt låg driftstemperatur på 573 K (300 °C); denna svarstid är ungefär tre storleksordningar kortare än den för mikrogap-sensorer under samma mätförhållanden." Dessutom, deras procedur erbjuder bättre skalbarhet än de för tidigare utvecklade nanogap-gassensorer.
Förutom sensordesignerna, denna studie gav viktiga insikter om elektronhoppningsmekanismerna som O 2 molekyler modulerar resistansen mellan Pt-elektroderna i närvaro av CeO 2 vid nanogap. Tagen tillsammans, resultaten av denna studie banar väg för bättre gasavkännande enheter, som Dr Majima avslutar:"Våra nanogap-gassensorer kan vara lovande kandidater för utvecklingen av en allmän gasavkänningsplattform med låg driftstemperatur." Tids nog, nanogap-gassensorer kommer säkert att hitta sin väg till fler användningsområden, inklusive bärbar biomedicinsk utrustning, industriell tillståndsövervakning, och miljökänsla.
