熱の局在化を基軸とした超低エネルギー金属ナノシートガスセンサの創出

基于热定位的超低能量金属纳米片气体传感器的研制

• 批准号: 22KJ0891
• 负责人: 加藤 太朗
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0891/
• 关键词: 金属ナノシート; ガスセンサ; ジュール熱; KFM; 自己組織化単分子膜

本研究課題では，気相の情報を低エネルギーで繰り返し認識できるガスセンサを，金属ナノシートで創出することを目的としている．その実現のために，高電流密度により発生するジュール熱をナノシート部だけに局在させる設計と，繰り返し動作に耐えるナノシートの表面制御が不可欠であり，これらを電極およびチャネル部の構造最適化と交流電流の利用によって実現することを目指している．本年度は，ジュール加熱の適用に向けて，(1)硫化水素を選択的に検知できるAuナノシートについて，電極に低熱伝導率材料を採用することによるAuナノシートチャネル部への熱の局在化，(2)印加電流に交流電流を用いることによるエレクトロマイグレーションの抑制，(3)ジュール加熱時の温度分布を推定する新規ナノスケール温度計測手法の開発を行った．その結果，(1)については，Auより熱伝導率が5倍程度低いPtを電極材料として用いることで，チャネル部に熱が局在し，Au電極を用いた時に比べてより低エネルギーでセンサが動作することを見出した．(2)については，印加する交流の周波数が増加するに従ってセンサ寿命が向上し，10kHz以上の高周波で長期間の測定に十分な寿命が得られることを確認した．(3)については，Auナノシートにチオール系の自己組織化単分子膜を修飾し，ジュール加熱前後のデバイス表面の表面電位を取得することで，自己組織化単分子膜の分布から温度を分解能100ナノメール以下のスケールで測定可能なことを見出した．今後は，チャネル構造および電極構造の最適化，および温度分布測定の定量化を行っていく．

该研究项目的目的是创建一种使用金属纳米片的气体传感器，能够以低能量重复识别气相信息。为了实现这一目标，必须进行一种设计，将高电流密度产生的焦耳热仅集中在纳米片部分，并控制纳米片的表面以承受重复的操作。我们的目标是通过使用电流来实现这一目标。今年，我们将重点关注焦耳加热的应用，（1）通过使用低导热率材料作为Au纳米片电极，将热量局部化到Au纳米片通道，从而可以选择性地检测硫化氢；2）我们通过使用Au纳米片来抑制电迁移； (3)开发了一种新的纳米级温度测量方法来估计焦耳加热过程中的温度分布。结果，关于(1)，通过使用热导率比Au低约5倍的Pt作为电极材料，热量集中在通道部分，并且传感器需要比使用Au时更低的能量我发现它有效。关于(2)，我们确认了传感器的寿命随着施加的交流电的频率的增加而提高，并且在10kHz或更高的高频下可以获得用于长期测量的足够的寿命。对于(3)，通过用硫醇基自组装单层修饰Au纳米片并获取焦耳加热前后器件表面的表面电势，可以从自组装单层的分布确定温度，分辨率为100。我们发现它可以在纳米或更小的尺度上进行测量。未来我们将优化通道结构和电极结构，量化温度分布测量。

项目成果

自己組織化単分子膜によるAuナノシートの温度分布計測

使用自组装单分子层测量金纳米片的温度分布

• 发表时间: 2023
• 作者: Taro Kato;Takahisa Tanaka;Hiromichi Miyagishi;Jun Terao;Ken Uchida;加藤太朗，田中貴久，宮岸拓路，寺尾潤，内田建
• 通讯作者: 加藤太朗，田中貴久，宮岸拓路，寺尾潤，内田建

Origin of the high selectivity of the Pt-Rh thin-film H2 gas sensor studied by operando ambient-pressure X-ray photoelectron spectroscopy at working conditions

工作条件下操作环境压力X射线光电子能谱研究Pt-Rh薄膜H2气体传感器高选择性的起源

• DOI: 10.1021/acs.jpclett.2c02365
• 发表时间: 2022
• 期刊: The Journal of Physical Chemistry Letters
• 作者: Ryo Toyoshima;Takahisa Tanaka;Taro Kato;Ken Uchida;Hiroshi Kondoh
• 通讯作者: Hiroshi Kondoh

Auナノシートを用いた低エネルギー・長寿命な硫化水素センサ

使用金纳米片的低能耗、长寿命硫化氢传感器

• 发表时间: 2022
• 作者: Taro Kato;Takahisa Tanaka;Hiromichi Miyagishi;Jun Terao;Ken Uchida;加藤太朗，田中貴久，宮岸拓路，寺尾潤，内田建;加藤太朗，田中貴久，内田建
• 通讯作者: 加藤太朗，田中貴久，内田建

Simultaneous Detection of Mixed-Gas Components by Ionic-Gel Sensors with Multiple Electrodes

• DOI: 10.1021/acssensors.1c02721
• 发表时间: 2022-03-25
• 期刊: ACS SENSORS
• 影响因子: 8.9
• 作者: Tanaka, Takahisa;Hamanaka, Yusuke;Uchida, Ken
• 通讯作者: Uchida, Ken

Study on sub-100-nm-scale measurement of temperature distribution in Joule-heated Au nanosheet gas sensors using self-assembled monolayers as temperature probes

使用自组装单分子膜作为温度探针的焦耳加热金纳米片气体传感器中亚100纳米尺度的温度分布测量研究

• 发表时间: 2023
• 作者: Taro Kato;Takahisa Tanaka;Hiromichi Miyagishi;Jun Terao;Ken Uchida
• 通讯作者: Ken Uchida