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．

该研究主题旨在创建一个气体传感器，该传感器可以使用金属纳米片反复识别低能的气相信息。为了实现这一目标，必须设计只能将高电流密度产生的焦点热量仅在纳米片部分中产生，并控制可以承受重复操作的纳米片​​的表面。目的是通过优化电极和通道部分的结构以及使用交流电流来实现这些目标。在今年，在准备焦耳加热时，我们开发了一种新型的纳米级温度测量方法，该方法在焦耳供暖过程中估计温度分布（1）通过使用电极的低热电导率材料将热量定位到Au NanoshEet通道中，（2）通过使用j.2）抑制电流的电流当前电流时（2）估计的当前和（3）估计（3）估计（3）。结果，在（1）中，我们发现使用PT，其导热率比AU低约五倍，因为电极材料，热量位于通道中，并且传感器的能量比使用AU电极时低。关于（2），证实传感器寿命随应用的交流频率的增加而增加，并且可以获得长期测量的高频或更高的高频。关于（3），我们发现，通过在Au纳米片上修改基于硫醇的自组装单层膜，并在焦耳加热前后获得设备表面的表面电势，可以从自组装单层的分布中以100纳米邮件或更少的尺度测量温度。将来，我们将优化通道和电极结构并量化温度分布测量。

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