Credito:Tokyo Tech
Ossigeno (O 2 ) è un gas essenziale non solo per noi e per la maggior parte delle altre forme di vita, ma anche per molti processi industriali, biomedicina, e applicazioni di monitoraggio ambientale. Data l'importanza di O 2 e altri gas, molti ricercatori si sono concentrati sullo sviluppo e sul miglioramento delle tecnologie di rilevamento dei gas. Alla frontiera di questo campo in evoluzione si trovano i moderni sensori di gas nanogap, dispositivi solitamente costituiti da un materiale di rilevamento e due elettrodi conduttori separati da un minuscolo spazio nell'ordine di nanometri (nm), o mille milionesimi di metro. Quando molecole di gas specifici entrano in questo spazio vuoto, interagiscono elettronicamente con lo strato di rilevamento e gli elettrodi, alterando le proprietà elettriche misurabili come la resistenza tra gli elettrodi. A sua volta, questo permette di misurare indirettamente la concentrazione di un dato gas.
Sebbene i sensori di gas nanogap abbiano molte proprietà più attraenti rispetto ai sensori di gas microgap strettamente correlati, si sono rivelati molto più difficili da produrre in serie in modo affidabile per distanze nell'ordine di decine di nanometri. Presso il Laboratorio di Materiali e Strutture di Tokyo Tech, un team di scienziati guidati dal Dr. Yutaka Majima sta cercando modi per fabbricare sensori nanogap migliori. Nel loro ultimo studio, che è stato pubblicato in Sensors &Actuators:B. Chemical, il team presenta una nuova strategia per produrre sensori di gas ossigeno nanogap utilizzando elettrodi di platino/titanio (Pt/Ti) e un ossido di cerio (CeO 2 ) strato di rilevamento.
Due progetti di sensori sono stati testati dal Prof. Majima e dal suo team. Nella progettazione del contatto inferiore, l'amministratore delegato 2 lo strato di rilevamento viene prima depositato su un substrato di silicio e i due elettrodi Pt/Ti vengono posati sopra il CeO 2 attraverso litografia a fascio di elettroni (EBL). Con EBL, si disegnano forme personalizzate su un film resist utilizzando un fascio focalizzato di elettroni con estrema precisione. Ciò consente quindi l'attacco selettivo o l'evaporazione delle regioni Pt/Ti, dando così forma agli elettrodi nanogap. Anche l'altro design (top-contact) è stato prodotto utilizzando EBL, ma il CeO 2 è stato applicato sopra gli elettrodi Pt/Ti come un sottile strato di rivestimento.
Con questa strategia di fabbricazione, il team è riuscito a produrre in modo affidabile nanogap di Pt stabili fino a 20 nm, che non aveva precedenti in letteratura. Entrambi i design dei sensori hanno mostrato prestazioni simili e molto promettenti, come osserva il Dr. Majima:"Per una separazione del gap di 35 nm, il nostro nanogap O 2 i sensori di gas hanno mostrato un tempo di risposta rapido di 10 secondi a una temperatura di esercizio relativamente bassa di 573 K (300 °C); questo tempo di risposta è di circa tre ordini di grandezza più breve di quello dei sensori microgap nelle stesse condizioni di misurazione." Inoltre, la loro procedura offre una migliore scalabilità rispetto a quelle per i sensori di gas nanogap sviluppati in precedenza.
Oltre al design dei sensori, questo studio ha fornito importanti informazioni sui meccanismi di salto di elettroni mediante i quali O 2 le molecole modulano la resistenza tra gli elettrodi di Pt in presenza di CeO 2 al nanogap. Presi insieme, i risultati di questo studio stanno aprendo la strada a migliori dispositivi di rilevamento del gas, come conclude il Dr. Majima:"I nostri sensori di gas nanogap potrebbero essere candidati promettenti per lo sviluppo di una piattaforma generale di rilevamento del gas con una bassa temperatura operativa". A tempo debito, i sensori di gas nanogap troveranno sicuramente la loro strada in più campi di applicazione, compresi dispositivi biomedici indossabili, monitoraggio delle condizioni industriali, e il rilevamento ambientale.
