Esquema de detección de hidrógeno usando nanopartículas de paladio. Sin hidrógeno presente, las nanopartículas metálicas de paladio (puntos naranjas) actúan como islas aisladas, y la corriente eléctrica no puede fluir fácilmente a través del dispositivo. A diferencia de, cuando el dispositivo está expuesto incluso a una pequeña cantidad de hidrógeno, los átomos de hidrógeno pueden cerrar las brechas entre islas, creando una red conectada que permita el paso de una gran corriente (líneas rojas). Crédito:Universidad de Osaka
Un equipo de la Universidad de Osaka ha inventado un nuevo proceso para crear dispositivos de detección de alta precisión que respondan a la presencia de gas hidrógeno. Controlando cuidadosamente la deposición de nanopartículas metálicas en una superficie de silicio, los investigadores pudieron crear un sensor que puede detectar niveles bajos de hidrógeno sobre la base de cambios en la corriente eléctrica. Esta investigación puede tener importantes beneficios como parte de un cambio a combustibles a base de hidrógeno, que podría impulsar los automóviles de cero emisiones del futuro y ayudar a combatir el cambio climático antropogénico.
Para fabricar un sensor de hidrógeno, los investigadores depositaron paladio metálico sobre un sustrato de silicio. El paladio depositado forma nanopartículas sobre el sustrato, y actúan como pequeñas islas que son excelentes conductores de electricidad, pero debido a que no forman una red conectada, la corriente a través del dispositivo es muy pequeña.
Sin embargo, cuando hay átomos de hidrógeno presentes, se absorben en las nanopartículas de paladio, aumentando el volumen de las nanopartículas, y luego salvar las brechas entre las islas. Finalmente, se forma un camino completamente conectado, y los electrones pueden fluir con mucha menos resistencia. De este modo, incluso un pequeño cambio en la concentración de hidrógeno puede conducir a un aumento masivo de la corriente, por lo que los dispositivos pueden volverse muy sensibles.
Un desafío importante que los investigadores de Osaka tuvieron que superar fue precisamente controlar los espacios entre las islas para depositar en primer lugar. Si el tiempo de deposición fue demasiado corto, los espacios entre las nanopartículas son demasiado anchos y no se salvarían incluso cuando hubiera hidrógeno presente. En cambio, si el tiempo de deposición fue demasiado largo, las nanopartículas formarían una red conectada por sí mismas, incluso antes de que se aplicara hidrógeno. Para optimizar la respuesta del sensor, el equipo de investigación desarrolló un método novedoso para monitorear y controlar la deposición de paladio llamado resonancia piezoeléctrica.
Ilustración de cómo se puede utilizar la resonancia piezoeléctrica para evaluar la separación entre las partículas de paladio durante la fabricación del dispositivo. A medida que se agregan nanopartículas de paladio (amarillas) a la muestra, el material piezoeléctrico vibrante (paralelepípedo rectangular verde) genera un campo eléctrico alterno (flechas azules) cerca de la superficie del sustrato (gris), creando un flujo de corriente en el paladio depositado (partículas anaranjadas). Esto hace que se pierda parte de la energía vibratoria del material piezoeléctrico. El valor de la pérdida de energía es mayor cuando las partículas de paladio entran en contacto entre sí, por lo que la deposición se puede detener a la concentración óptima de nanopartículas. Crédito:Universidad de Osaka
"Materiales piezoeléctricos, como un cristal de cuarzo en un reloj de pulsera, puede vibrar a una frecuencia muy específica en respuesta a un voltaje aplicado, "explica el autor principal, el Dr. Hirotsugu Ogi. Aquí, una pieza de niobato de litio piezoeléctrico se puso a vibrar debajo de la muestra durante la deposición de nanopartículas metálicas. El piezoeléctrico oscilante creó un campo eléctrico alrededor de la muestra, que a su vez indujo una corriente en el dispositivo que dependía de la conectividad de la red de paladio.
Luego, la atenuación de la oscilación cambia según la conectividad. Por lo tanto, escuchando el sonido (midiendo la atenuación) del material piezoeléctrico, la conectividad se puede monitorear.
"Al optimizar el tiempo de deposición mediante el método de resonancia piezoeléctrica, los sensores de hidrógeno resultantes eran 12 veces más sensibles que antes, ", dice el primer autor, el Dr. Nobutomo Nakamura. Estos dispositivos pueden representar un paso hacia un futuro de energía más limpia con hidrógeno".
El trabajo está publicado en Letras de física aplicada como "Control preciso de la respuesta al hidrógeno de la película de paladio semicontinua mediante el método de resonancia piezoeléctrica".
