Ученые изобрели новый процесс создания высокоточных чувствительных устройств, реагирующих на присутствие водорода

Исследовательская группа в университете Осаки открыла новый подход к разработке высокоточных сенсорных устройств, которые реагируют на присутствие газообразного водорода .

Схема определения водорода с использованием наночастиц палладия. Без присутствия водорода наночастицы металлического палладия (оранжевые точки) действуют как изолированные островки, и электрический ток не может легко протекать через устройство. Напротив, когда устройство подвергается воздействию даже небольшого количества водорода, атомы водорода могут перекрывать промежутки между островками, создавая соединенную сеть, которая пропускает большой ток (красные линии). (Фото предоставлено Университетом Осаки)

Посредством осторожного контроля накопления металлических наночастиц на поверхности кремния, ученые смогли разработать датчик, который может обнаруживать низкие уровни водорода на основе изменений электрического тока. Это исследование может иметь значительные преимущества как часть перехода на водородные виды топлива, что может привести к появлению неизбежных автомобилей с нулевым уровнем выбросов и помочь в борьбе с антропогенным изменением климата.

Чтобы создать датчик водорода, ученые нанесли металлический палладий на кремниевую подложку. Осажденный палладий развивает наночастицы на подложке, и они функционируют как крошечные островки, которые являются исключительными проводниками электричества; однако, поскольку они не образуют подключенную сеть, ток через устройство чрезвычайно меньше.

Однако, когда есть атомы водорода, они поглощаются наночастицами палладия, увеличивая объем наночастиц, и впоследствии соединяют пространства между островками. В конечном итоге создается полностью связанный путь, и электроны могут течь с гораздо меньшим сопротивлением. Таким образом, даже небольшое изменение концентрации водорода может привести к огромному увеличению тока; поэтому устройства можно сделать чрезвычайно чувствительными.

Важной проблемой, которую должны были решить ученые из Осаки, был точный контроль за местами между островами, чтобы в первую очередь отложить. Если бы время осаждения было очень коротким, промежутки между наночастицами были бы слишком широкими, и было бы невозможно связать их даже в присутствии водорода.

Напротив, если бы время осаждения было слишком большим, наночастицы сами образовали бы связанную сеть, даже до применения водорода. Чтобы улучшить реакцию датчика, группа ученых создала новый подход для мониторинга и контроля осаждения палладия, известный как пьезоэлектрический резонанс.

Пьезоэлектрические материалы, такие как кристалл кварца в наручных часах, могут вибрировать с очень определенной частотой в ответ на приложенное напряжение .

Доктор Хироцугу Оги, старший автор исследования, Университет Осаки

В этом методе кусок пьезоэлектрического ниобата лития был установлен для вибрации под образцом во время осаждения металлических наночастиц. Колеблющийся пьезоэлектрик формировал электрическое поле вокруг образца, которое, в свою очередь, создавало ток в устройстве, который зависел от возможности соединения сети палладия.

Следовательно, ослабление колебаний изменяется в зависимости от возможности соединения. Таким образом, прослушивая звук (измеряя затухание) пьезоэлектрического материала, можно контролировать связь.

Путем оптимизации времени осаждения с использованием метода пьезоэлектрического резонанса полученные водородные датчики были в 12 раз более чувствительными, чем. Эти устройства могут представлять собой шаг к более чистому энергетическому будущему с участием водорода .

Доктор Нобутомо Накамура, первый автор исследования, Университет Осаки

Об исследовании сообщается в Applied Physics Letters как «Точный контроль водородного отклика полунепрерывной пленки палладия с использованием метода пьезоэлектрического резонанса».

Source link