Zuurstof (O ₂ ) is een essentieel gas, niet alleen voor ons en de meeste andere levensvormen, maar ook voor veel industriële processen, biologie, en toepassingen voor milieumonitoring. Gezien het belang van O ₂ en andere gassen, veel onderzoekers hebben zich gericht op het ontwikkelen en verbeteren van gasdetectietechnologieën. Aan de grens van dit zich ontwikkelende veld bevinden zich moderne nanogap-gassensoren - apparaten die meestal bestaan ​​uit een detectiemateriaal en twee geleidende elektroden die gescheiden zijn door een minuscule opening in de orde van nanometers (nm), of duizend miljoenste van een meter. Wanneer moleculen van specifieke gassen in deze opening komen, ze interageren elektronisch met de detectielaag en de elektroden, het veranderen van meetbare elektrische eigenschappen zoals de weerstand tussen de elektroden. Beurtelings, hierdoor kan men indirect de concentratie van een bepaald gas meten.

Hoewel nanogap-gassensoren veel aantrekkelijkere eigenschappen hebben dan de nauw verwante microgap-gassensoren, het is veel moeilijker gebleken om betrouwbaar in massa te produceren voor spleetafstanden in de orde van tientallen nanometers. Bij het Laboratorium voor Materialen en Structuren van Tokyo Tech, een team van wetenschappers onder leiding van Dr. Yutaka Majima zoekt naar manieren om betere nanogap-sensoren te fabriceren. In hun laatste onderzoek, die werd gepubliceerd in Sensors &Actuators:B. Chemical, het team presenteert een nieuwe strategie om nanogap-zuurstofgassensoren te produceren met behulp van platina/titanium (Pt/Ti) elektroden en een ceriumoxide (CeO) ₂ ) detectielaag.

Twee sensorontwerpen zijn getest door Prof. Majima en zijn team. In het ontwerp met bodemcontact, de CEO ₂ detectielaag wordt eerst afgezet op een siliciumsubstraat en de twee Pt/Ti-elektroden worden bovenop de CeO gelegd ₂ door middel van elektronenstraallithografie (EBL). Met EBL, men tekent met uiterste precisie aangepaste vormen op een resistfilm met behulp van een gefocusseerde elektronenstraal. Dit zorgt vervolgens voor het selectief etsen of verdampen van Pt/Ti-gebieden, waardoor de nanogap-elektroden vorm krijgen. Het andere ontwerp (topcontact) is ook gemaakt met EBL, maar de CeO ₂ werd als een dunne coatinglaag op de Pt/Ti-elektroden aangebracht.

Met deze fabricagestrategie, het team is erin geslaagd om op betrouwbare wijze stabiele Pt-nanogaps te produceren zo klein als 20 nm, wat ongekend was in de literatuur. Beide sensorontwerpen vertoonden vergelijkbare en veelbelovende prestaties, zoals Dr. Majima opmerkt:"Voor een spleetscheiding van 35 nm, onze nanogap O ₂ gassensoren vertoonden een snelle responstijd van 10 seconden bij een relatief lage bedrijfstemperatuur van 573 K (300 °C); deze responstijd is ongeveer drie ordes van grootte korter dan die van microgap-sensoren onder dezelfde meetomstandigheden." hun procedure biedt een betere schaalbaarheid dan die voor eerder ontwikkelde nanogap-gassensoren.

Naast de sensorontwerpen, deze studie leverde belangrijke inzichten op over de elektronenhopmechanismen waarmee O ₂ moleculen moduleren de weerstand tussen de Pt-elektroden in aanwezigheid van CeO ₂ bij de nanogap. Bij elkaar genomen, de resultaten van dit onderzoek effenen de weg naar betere gasdetectieapparatuur, zoals Dr. Majima concludeert:"Onze nanogap-gassensoren kunnen veelbelovende kandidaten zijn voor de ontwikkeling van een algemeen gasdetectieplatform met een lage bedrijfstemperatuur." Op tijd, nanogap-gassensoren zullen zeker hun weg vinden naar meer toepassingsgebieden, inclusief draagbare biomedische apparaten, industriële conditiebewaking, en omgevingswaarneming.