用於超低氫檢測的納米圖案氧化銅傳感器麵試

dongjinglikeyanjiusuodeyanjiurenyuankaifaleyizhongxinxingqingqichuanganqi，weishishiqingqixieloujiancetigongleyizhonghenyouqiantudejiejuefangan，jiejuelegongyeyingyongzhongdeanquanwenti。gaichuanganqiyoudaikongxidenamituanyanghuatong （CuO） 納米線 （NW） 製成，可以檢測極低濃度的氫氣
，具有高響應、恢複速度和精度，顯著改進了以前的基於 CuO 的傳感器。它有可能在清潔能源應用中更安全、更可靠地使用氫氣。

隨sui著zhe我wo們men轉zhuan向xiang清qing潔jie能neng源yuan，氫qing氣qi正zheng成cheng為wei越yue來lai越yue受shou歡huan迎ying的de選xuan擇ze。它ta可ke以yi像xiang傳chuan統tong燃ran料liao一yi樣yang燃ran燒shao，隻zhi產chan生sheng水shui作zuo為wei副fu產chan品pin，用yong於yu燃ran料liao電dian池chi時shi可ke以yi發fa電dian。然ran而er，隨sui著zhe氫qing氣qi生sheng產chan
、使用和運輸的增加，安全問題也隨之增加。氫氣在濃度低至 4% 時高度易燃，無味無色
，因此難以檢測泄漏。

為了解決這些問題，由東京理科研究所 （Science Tokyo） 的 Yutaka Majima 教授領導的研究人員開發了一種傳感器，可以在非常短的響應時間內檢測超低濃度的氫氣。他們的研究於 2024 年 11 月 5 日發表在《Advanced Functional Materials》雜誌上。

該傳感器由納米圖案多晶 CuO NW 製成
，對氫氣高度敏感
，放置在帶有鉑/鈦電極的矽 （SiO₂/Si） 襯底上。Majima 教授說：“我們采用電子束光刻和兩步非原位氧化開發了一種可靠且可重複的工藝，用於製備具有空隙的高性能納米圖案 CuO 納米線-納米間隙氫氣傳感器
，這與直接從銅源生長的傳統獨立式單晶 CuO 納米線有很大不同。

當暴露於氫氣中時，傳感器通過檢測 CuO NW 的電阻變化來工作。在空氣中
，氧分子附著在 CuO NW 的表麵，形成氧離子（
、
、），在表麵附近感應出一層正電荷載流子（空穴）。當引入氫時，它與 CuO NWs 表麵的氧離子反應形成水
，從而降低空穴濃度。結果，NW 的導電性降低。通過測量電阻的增加，傳感器可以檢測氫氣的存在和濃度。

研究人員通過在富氫環境中引入預退火步驟，然後在幹燥空氣中緩慢氧化，從而提高了傳感器的性能。最初
，製造的銅 （Cu） NW 具有低結晶度
，並在表麵形成銅氧化物層
，阻礙了與氧的相互作用。退火工藝將 Cu NW 從矩形重塑為半圓形拱形，從而提高其結晶度。在隨後的氧化步驟中，Cu NW 轉化為氧化銅。在此過程中
，銅原子向外擴散與氧反應，產生空隙，增加 NW 的表麵積，為氫和氧與 NW 相互作用提供更多活性位點。

由於這些改進，該傳感器可以檢測到低至十億分之 5 （ppb） 的氫氣濃度
，遠低於以前基於 CuO 的 H2 傳感器。此外
，它還耐潮濕
，這是 CuO 氣體傳感器的常見缺點。傳感器響應迅速
，僅需 7 秒即可檢測到氫氣。

研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)通(tong)過(guo)減(jian)少(shao)電(dian)極(ji)之(zhi)間(jian)的(de)納(na)米(mi)間(jian)隙(xi)分(fen)離(li)
，進(jin)一(yi)步(bu)增(zeng)強(qiang)了(le)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)性(xing)能(neng)。間(jian)隙(xi)越(yue)小(xiao)
，電(dian)場(chang)越(yue)強(qiang)

，越(yue)快(kuai)電(dian)荷(he)載(zai)流(liu)子(zi)的(de)移(yi)動(dong)，越(yue)快(kuai)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)響(xiang)應(ying)和(he)恢(hui)複(fu)速(su)度(du)越(yue)快(kuai)。該(gai)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)間(jian)隙(xi)尺(chi)寸(cun)為(wei) 33 nm，僅需 5 秒即可檢測到 1,000 ppm 的 H2，並在 10 秒內返回到基線條件。“我們將繼續利用這種工藝開發更廣泛的氣體傳感器
，以製造用於其他有害氣體的傳感器
，”Majima 教授說。

通過及早檢測泄漏或不安全的氣體水平，該傳感器可以幫助降低風險並實現氫技術的安全采用，從而支持向氫經濟過渡。

Ø  作者：Muqing Zhao1， Ryosuke Nitta1， Seiichiro Izawa1， Jun-ichi Yamaura2， and Yutaka Majima1*

Ø  題目：帶空隙的納米圖案化 CuO 納米線納米間隙氫氣傳感器（Nano-Patterned CuO Nanowire Nanogap Hydrogen Gas Sensor with Voids）

Ø  期刊：Advanced Functional Materials

Ø  所屬機構：

1 日本東京理科研究所綜合研究所材料與結構實驗室

2 日本東京大學固體物理研究所

翻譯人：沈亞皓

來源：

https://fuelcellsworks.com/2024/12/17/h2/nano-patterned-copper-oxide-sensor-for-ultra-low-hydrogen-detection