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．

This research topic is about the information of the gas phase. In order to optimize the utilization of AC current, the surface control of high current density heat generation unit should be designed, and the structure of high current density heat generation unit should be optimized in order to optimize the utilization of AC current. This year, the application direction of heating is: (1) the detection of sulfide water element selection, the application of low thermal conductivity materials in electrodes,(2) the suppression of AC current application,(3) New rules for estimating temperature distribution during heating. As a result,(1) the thermal conductivity of Au electrode is 5 times lower than that of Pt electrode material, and the thermal conductivity of Au electrode is 5 times lower than that of Pt electrode material, and the thermal conductivity of Au electrode is 5 times lower than that of Pt electrode material. (2)In addition, the number of AC cycles increases, and the service life increases. The service life of high frequency cycles above 10kHz is determined for a long time. (3)In addition, the self-organized molecular film of Au system was modified, and the surface potential of the surface before and after heating was obtained. The distribution of self-organized molecular film was determined by temperature decomposition energy of 100 ℃. In the future, optimization of electrode structure and quantification of temperature distribution will be carried out.

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