![Krediet: Tokyo Tech Let op de nanogap: snelle en gevoelige zuurstofgassensoren](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/mind-the-nanogap-fast.jpg)
Krediet: Tokyo Tech
Zuurstof (O2) is een essentieel gas, niet alleen voor ons en de meeste andere levensvormen, maar ook voor veel industriële processen, biogeneeskunde en toepassingen voor milieumonitoring. Gezien het belang van O2 en andere gassen hebben veel onderzoekers zich gericht op de ontwikkeling en verbetering van gasdetectietechnologieën. Aan de grens van dit zich ontwikkelende veld bevinden zich moderne nanogap-gassensoren – apparaten die meestal bestaan uit een detectiemateriaal en twee geleidende elektroden die gescheiden zijn door een minuscule opening in de orde van nanometer (nm), of duizend miljoenste van een meter. Wanneer moleculen van specifieke gassen in deze opening komen, interageren ze elektronisch met de sensorlaag en de elektroden, waardoor meetbare elektrische eigenschappen zoals de weerstand tussen de elektroden veranderen. Dit maakt het op zijn beurt mogelijk om indirect de concentratie van een bepaald gas te meten.
Hoewel nanogap-gassensoren veel aantrekkelijkere eigenschappen hebben dan de nauw verwante microgap-gassensoren, is het veel moeilijker gebleken om betrouwbaar in massa te produceren voor spleetafstanden in de orde van tientallen nanometers. In het Laboratory for Materials and Structures van Tokyo Tech zoekt een team van wetenschappers onder leiding van Dr. Yutaka Majima naar manieren om betere nanogap-sensoren te fabriceren. In hun laatste studie, die werd gepubliceerd in Sensors & Actuators: B. Chemical, presenteert het team een nieuwe strategie om nanogap-zuurstofgassensoren te produceren met behulp van platina/titanium (Pt/Ti) elektroden en een ceriumoxide (CeO2) detectielaag.
Twee sensorontwerpen zijn getest door Prof. Majima en zijn team. In het ontwerp met bodemcontact is de CeO2 detectielaag wordt eerst afgezet op een siliciumsubstraat en de twee Pt/Ti-elektroden worden bovenop de CeO gelegd2 door middel van elektronenstraallithografie (EBL). Met EBL tekent men met uiterste precisie aangepaste vormen op een resistfilm met behulp van een gefocusseerde bundel elektronen. Dit maakt vervolgens het selectief etsen of verdampen van Pt/Ti-gebieden mogelijk, waardoor de nanogap-elektroden vorm krijgen. Het andere ontwerp (topcontact) is ook gemaakt met EBL, maar de CeO2 werd als een dunne coatinglaag bovenop de Pt/Ti-elektroden aangebracht.
Met deze fabricagestrategie slaagde het team erin om op betrouwbare wijze stabiele Pt-nanogaps te produceren zo klein als 20 nm, wat ongekend was in de literatuur. Beide sensorontwerpen vertoonden vergelijkbare en veelbelovende prestaties, zoals Dr. Majima opmerkt: “Voor een spleetscheiding van 35 nm, onze nanogap O2 gassensoren vertoonden een snelle responstijd van 10 seconden bij een relatief lage bedrijfstemperatuur van 573 K (300 °C); deze responstijd is ongeveer drie ordes van grootte korter dan die van microgap-sensoren onder dezelfde meetomstandigheden.” Bovendien biedt hun procedure een betere schaalbaarheid dan die van eerder ontwikkelde nanogap-gassensoren.
Naast de sensorontwerpen heeft deze studie belangrijke inzichten opgeleverd over de elektronenhoppende mechanismen waarmee O2 moleculen moduleren de weerstand tussen de Pt-elektroden in aanwezigheid van CeO2 bij de nanogap. Al met al effenen de resultaten van deze studie de weg naar betere gasdetectieapparatuur, zoals Dr. Majima concludeert: “Onze nanogap-gassensoren kunnen veelbelovende kandidaten zijn voor de ontwikkeling van een algemeen gasdetectieplatform met een lage bedrijfstemperatuur. ” Na verloop van tijd zullen nanogap-gassensoren zeker hun weg vinden naar meer toepassingsgebieden, waaronder draagbare biomedische apparaten, industriële conditiebewaking en omgevingsdetectie.
Trong Tue Phan et al, 20-nm-Nanogap zuurstofgassensor met in oplossing verwerkt ceriumoxide, Sensoren en actuatoren B: Chemisch (2021). DOI: 10.1016/j.snb.2021.130098
Geleverd door Tokyo Institute of Technology