Pas på nanogap:Hurtige og følsomme iltgassensorer

Ilt (O ₂ ) er en essentiel gas, ikke kun for os og de fleste andre livsformer, men også for mange industrielle processer, biomedicin, og miljøovervågningsapplikationer. I betragtning af vigtigheden af ​​O ₂ og andre gasser, mange forskere har fokuseret på at udvikle og forbedre gassensing-teknologier. Ved grænsen til dette udviklende felt ligger moderne nanogap-gassensorer - enheder, der normalt består af et følemateriale og to ledende elektroder, der er adskilt af et lille mellemrum i størrelsesordenen nanometer (nm), eller tusinde milliontedele af en meter. Når molekyler af specifikke gasser kommer ind i dette hul, de interagerer elektronisk med det følende lag og elektroderne, ændring af målbare elektriske egenskaber såsom modstanden mellem elektroderne. På tur, dette giver mulighed for indirekte at måle koncentrationen af ​​en given gas.

Selvom nanogap-gassensorer har mange mere attraktive egenskaber end de nært beslægtede mikrogap-gassensorer, de har vist sig at være meget sværere at masseproducere pålideligt for afstande i størrelsesordenen titusinder af nanometer. På Laboratory for Materials and Structures of Tokyo Tech, et team af videnskabsmænd ledet af Dr. Yutaka Majima søger måder at fremstille bedre nanogap-sensorer på. I deres seneste undersøgelse, som blev offentliggjort i Sensors &Actuators:B. Chemical, holdet præsenterer en ny strategi til at producere nanogap oxygengassensorer ved hjælp af platin/titanium (Pt/Ti) elektroder og en ceriumoxid (CeO) ₂ ) følelag.

To sensordesigns blev testet af prof. Majima og hans team. I bundkontaktdesignet, den administrerende direktør ₂ sensinglaget afsættes først på et siliciumsubstrat, og de to Pt/Ti-elektroder lægges oven på CeO'en ₂ gennem elektronstrålelitografi (EBL). Med EBL, man tegner tilpassede former på en resistfilm ved hjælp af en fokuseret elektronstråle med ekstrem præcision. Dette giver derefter mulighed for selektiv ætsning eller fordampning af Pt/Ti-regioner, giver således form til nanogap-elektroderne. Det andet design (top-kontakt) blev også produceret ved hjælp af EBL, men den administrerende direktør ₂ blev påført oven på Pt/Ti-elektroderne som et tyndt belægningslag.

Med denne fabrikationsstrategi, holdet formåede pålideligt at producere stabile Pt nanogaps så små som 20 nm, hvilket var uden fortilfælde i litteraturen. Begge sensordesigns udviste lignende og meget lovende præstationer, som Dr. Majima bemærker:"For en spalteadskillelse på 35 nm, vores nanogap O ₂ gassensorer udviste en hurtig responstid på 10 sekunder ved en relativt lav driftstemperatur på 573 K (300 °C); denne responstid er cirka tre størrelsesordener kortere end den for mikrogap-sensorer under de samme måleforhold." deres procedure giver bedre skalerbarhed end dem for tidligere udviklede nanogap-gassensorer.

Ud over sensordesignerne, denne undersøgelse gav vigtig indsigt i de elektronhoppende mekanismer, hvorved O ₂ molekyler modulerer modstanden mellem Pt-elektroderne i nærvær af CeO ₂ ved nanogap. Taget sammen, resultaterne af denne undersøgelse baner vejen for bedre gassensorer, som Dr. Majima konkluderer:"Vores nanogap-gassensorer kunne være lovende kandidater til udviklingen af ​​en generel gassensorplatform med en lav driftstemperatur." Til sin tid, nanogap gassensorer vil helt sikkert finde vej til flere anvendelsesområder, herunder bærbart biomedicinsk udstyr, industriel tilstandsovervågning, og miljøsansning.