- 良好的振動：利用壓電性來確保氫傳感器的靈敏度
- 來源：賽斯維傳感器網 發(fā)表于 2020/11/9
使用鈀納米顆粒進行氫感測的示意圖。如果沒有氫存在，金屬鈀納米粒子（橙色點）將充當孤立的島，電流將不會輕易流過器件。相反，當設備暴露于少量氫氣時，氫原子可以橋接島之間的間隙，從而形成一個連通的網絡，使大電流通過（紅線）。學分：大阪大學
大阪大學的一個團隊發(fā)明了一種新工藝，該工藝可以制造出能夠對氫氣的存在做出反應的高精度傳感設備。通過仔細控制金屬納米顆粒在硅表面的沉積，研究人員能夠創(chuàng)建一種傳感器，該傳感器可以根據電流變化來檢測低水平的氫。作為轉向氫基燃料的一部分，這項研究可能會帶來重要的好處，它可以為未來的零排放汽車提供動力，并有助于應對人為的氣候變化。
為了制造氫傳感器，研究人員在硅襯底上沉積了金屬鈀。沉積的鈀在基板上形成納米顆粒，它們的作用就像是極好的電導體的小島，但由于它們沒有形成連接的網絡，因此流經器件的電流很小。
然而，當存在氫原子時，它們被吸收到鈀納米顆粒中，增加了納米顆粒的體積，然后彌合了島之間的間隙。最終，形成一個完全連接的路徑，電子可以以更少的電阻流動。這樣，即使氫濃度的微小變化也可以導致電流的大量增加，因此可以使器件非常敏感。
大阪研究人員必須克服的一個重大挑戰(zhàn)是精確控制島嶼之間的空隙以首先進行沉積。如果沉積時間太短，則納米顆粒之間的間隙太寬，即使存在氫也不會橋接。相反，如果沉積時間過長，則即使在施加氫之前，納米粒子也會自行形成連接網絡。為了優(yōu)化傳感器的響應，研究團隊開發(fā)了一種用于監(jiān)視和控制鈀沉積的新穎方法，稱為壓電共振。
在設備制造過程中如何使用壓電共振來評估鈀顆粒之間的分離的圖示。當將鈀納米顆粒（黃色）添加到樣品中時，振動的壓電材料（綠色長方體）在基板（灰色）表面附近產生交變電場（藍色箭頭），從而在沉積的鈀（橙色顆粒）中產生電流。這導致壓電材料的一些振動能量損失。當鈀顆粒彼此接觸時，能量損失的值最大，因此可以在最佳納米顆粒濃度下停止沉積。
高級作者Hirotsugu Ogi博士解釋說：“壓電材料，例如手表中的石英晶體，可以根據施加的電壓以非常特定的頻率振動�！� 在此，設置一塊壓電鈮酸鋰，使其在金屬納米顆粒沉積過程中在樣品下方振動。振蕩壓電在樣品周圍產生電場，這又在設備中感應出電流，該電流取決于鈀網絡的連通性。
然后，振蕩的衰減取決于連接性。因此，通過聽壓電材料的聲音（測量衰減），可以監(jiān)視連接性。
第一作者中村信茂博士（Nobutomo Nakamura）說：“通過使用壓電共振方法優(yōu)化沉積時間，所得氫傳感器的靈敏度是以前的12倍。” “這些裝置可能代表了邁向涉及氫的更清潔能源的一步�！�
這項工作發(fā)表在《應用物理學快報》上，標題為“使用壓電共振方法精確控制半連續(xù)鈀膜的氫響應”。
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