Een team van de Universiteit van Osaka heeft een nieuw proces uitgevonden voor het maken van uiterst nauwkeurige meetapparatuur die reageert op de aanwezigheid van waterstofgas. Door de afzetting van metalen nanodeeltjes op een siliciumoppervlak zorgvuldig te beheersen, de onderzoekers konden een sensor maken die lage niveaus van waterstof kan detecteren op basis van veranderingen in elektrische stroom. Dit onderzoek kan belangrijke voordelen hebben als onderdeel van een omschakeling naar brandstoffen op waterstof, die de emissievrije auto's van de toekomst kunnen aandrijven en de antropogene klimaatverandering kunnen helpen bestrijden.

Om een ​​waterstofsensor te fabriceren, de onderzoekers deponeerden metallisch palladium op een siliciumsubstraat. Het afgezette palladium vormt nanodeeltjes op het substraat, en ze gedragen zich als kleine eilandjes die uitstekende geleiders van elektriciteit zijn - maar omdat ze geen verbonden netwerk vormen, de stroom over het apparaat is erg klein.

Echter, wanneer waterstofatomen aanwezig zijn, ze worden geabsorbeerd in de palladium nanodeeltjes, het vergroten van het volume van de nanodeeltjes, en dan de kloven tussen de eilanden te overbruggen. Eventueel, een volledig verbonden pad wordt gevormd, en elektronen kunnen met veel minder weerstand stromen. Op deze manier, zelfs een kleine verandering in de waterstofconcentratie kan leiden tot een enorme toename van de stroom, dus de apparaten kunnen zeer gevoelig worden gemaakt.

Een belangrijke uitdaging die de Osaka-onderzoekers moesten overwinnen, was het precies beheersen van de openingen tussen eilanden om in de eerste plaats te storten. Als de depositietijd te kort was, de openingen tussen de nanodeeltjes zijn te groot en zouden niet overbrugd kunnen worden, zelfs niet als er waterstof aanwezig was. Omgekeerd, als de depositietijd te lang was, de nanodeeltjes zouden op zichzelf een verbonden netwerk vormen, zelfs voordat waterstof werd toegepast. Om de respons van de sensor te optimaliseren, het onderzoeksteam ontwikkelde een nieuwe methode voor het bewaken en beheersen van de afzetting van palladium, piëzo-elektrische resonantie genaamd.

"Piëzo-elektrische materialen, zoals een kwartskristal in een polshorloge, kan trillen op een zeer specifieke frequentie als reactie op een aangelegde spanning, " legt senior auteur Dr. Hirotsugu Ogi uit. Hier, een stuk piëzo-elektrisch lithiumniobaat werd ingesteld om onder het monster te trillen tijdens de afzetting van metalen nanodeeltjes. De oscillerende piëzo-elektrische creëerde een elektrisch veld rond het monster, die op zijn beurt een stroom in het apparaat veroorzaakte die afhankelijk was van de connectiviteit van het palladiumnetwerk.

Vervolgens, de demping van de oscillatie verandert afhankelijk van de connectiviteit. Daarom, door te luisteren naar het geluid (meten van de demping) van het piëzo-elektrische materiaal, de connectiviteit kan worden gecontroleerd.

"Door de depositietijd te optimaliseren met behulp van de piëzo-elektrische resonantiemethode, de resulterende waterstofsensoren waren 12 keer gevoeliger dan voorheen, " zegt eerste auteur Dr. Nobutomo Nakamura. "Deze apparaten kunnen een stap zijn in de richting van een schonere energietoekomst met waterstof."

Het werk is gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven als "Nauwkeurige regeling van waterstofrespons van semi-continue palladiumfilm met behulp van piëzo-elektrische resonantiemethode.".