使用鈀納米顆粒進行氫感測的示意圖。如果沒有氫存在，金屬鈀納米粒子（橙色點）將充當孤立的島，電流將不會輕易流過器件。相反，當設(shè)備暴露于少量氫氣時，氫原子可以橋接島之間的間隙，從而形成一個連通的網(wǎng)絡(luò)，使大電流通過（紅線）。學分：大阪大學

大阪大學的一個團隊發(fā)明了一種新工藝，該工藝可以制造出能夠?qū)�氫氣的存在做出反應的高精度傳感設(shè)備。通過仔細控制金屬納米顆粒在硅表面的沉積，研究人員能夠創(chuàng)建一種傳感器，該傳感器可以根據(jù)電流變化來檢測低水平的氫。作為轉(zhuǎn)向氫基燃料的一部分，這項研究可能會帶來重要的好處，它可以為未來的零排放汽車提供動力，并有助于應對人為的氣候變化。

為了制造氫傳感器，研究人員在硅襯底上沉積了金屬鈀。沉積的鈀在基板上形成納米顆粒，它們的作用就像是極好的電導體的小島，但由于它們沒有形成連接的網(wǎng)絡(luò)，因此流經(jīng)器件的電流很小。

然而，當存在氫原子時，它們被吸收到鈀納米顆粒中，增加了納米顆粒的體積，然后彌合了島之間的間隙。最終，形成一個完全連接的路徑，電子可以以更少的電阻流動。這樣，即使氫濃度的微小變化也可以導致電流的大量增加，因此可以使器件非常敏感。

大阪研究人員必須克服的一個重大挑戰(zhàn)是精確控制島嶼之間的空隙以首先進行沉積。如果沉積時間太短，則納米顆粒之間的間隙太寬，即使存在氫也不會橋接。相反，如果沉積時間過長，則即使在施加氫之前，納米粒子也會自行形成連接網(wǎng)絡(luò)。為了優(yōu)化傳感器的響應，研究團隊開發(fā)了一種用于監(jiān)視和控制鈀沉積的新穎方法，稱為壓電共振。

在設(shè)備制造過程中如何使用壓電共振來評估鈀顆粒之間的分離的圖示。當將鈀納米顆粒（黃色）添加到樣品中時，振動的壓電材料（綠色長方體）在基板（灰色）表面附近產(chǎn)生交變電場（藍色箭頭），從而在沉積的鈀（橙色顆粒）中產(chǎn)生電流。這導致壓電材料的一些振動能量損失。當鈀顆粒彼此接觸時，能量損失的值最大，因此可以在最佳納米顆粒濃度下停止沉積。

高級作者Hirotsugu Ogi博士解釋說：“壓電材料，例如手表中的石英晶體，可以根據(jù)施加的電壓以非常特定的頻率振動。” 在此，設(shè)置一塊壓電鈮酸鋰，使其在金屬納米顆粒沉積過程中在樣品下方振動。振蕩壓電在樣品周圍產(chǎn)生電場，這又在設(shè)備中感應出電流，該電流取決于鈀網(wǎng)絡(luò)的連通性。

然后，振蕩的衰減取決于連接性。因此，通過聽壓電材料的聲音（測量衰減），可以監(jiān)視連接性。

第一作者中村信茂博士（Nobutomo Nakamura）說：“通過使用壓電共振方法優(yōu)化沉積時間，所得氫傳感器的靈敏度是以前的12倍�！� “這些裝置可能代表了邁向涉及氫的更清潔能源的一步�！�

這項工作發(fā)表在《應用物理學快報》上，標題為“使用壓電共振方法精確控制半連續(xù)鈀膜的氫響應”。