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良好的振动:使用压电性来确保氢传感器的灵敏度

发布时间:2019-06-05 14:15:20 来源:

大阪大学的一个团队发明了一种新工艺,用于制造能够应对氢气存在的高精度传感装置。通过仔细控制金属纳米粒子在硅表面上的沉积,研究人员能够创建一种能够根据电流变化检测低水平氢的传感器。作为转向氢基燃料的一部分,这项研究可能具有重要的益处,氢燃料可以为未来的零排放汽车提供动力,并有助于对抗人为气候变化。

为了制造氢传感器,研究人员将金属钯沉积在硅衬底上。沉积的钯在基板上形成纳米颗粒,它们就像微小的岛状物一样,是良好的电导体,但是,由于它们不形成连接的网络,因此设备上的电流非常小。

然而,当存在氢原子时,它们被吸收到钯纳米颗粒中,增加纳米颗粒的体积,然后桥接岛之间的间隙。最终,形成完全连接的路径,并且电子可以以更小的电阻流动。通过这种方式,即使氢浓度的微小变化也可以导致电流的大量增加,因此可以使器件非常灵敏。

大阪研究人员必须克服的一个重大挑战是首先精确控制岛屿之间的差距。如果沉积时间太短,则纳米颗粒之间的间隙太宽并且即使存在氢气也不会桥接。相反,如果沉积时间太长,即使在施加氢之前,纳米颗粒也会自己形成连接网络。为了优化传感器的响应,研究团队开发了一种监测和控制钯沉积的新方法,称为压电共振。

“压电材料,如手表中的石英晶体,可以响应施加的电压以非常特定的频率振动,”资深作者Hirotsugu Ogi博士解释说。这里,在金属纳米颗粒沉积期间,将一片压电铌酸锂设定为在样品下方振动。振荡压电在样品周围产生电场,从而在器件中感应出依赖于钯网络连接的电流。

然后,振荡的衰减根据连通性而改变。因此,通过收听压电材料的声音(测量衰减),可以监测连接性。

“通过使用压电共振方法优化沉积时间,得到的氢传感器的灵敏度比以前高12倍,”第一作者Nobutomo Nakamura博士说。“这些设备可能代表着朝向更清洁能源未来的一步,涉及氢气。”

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