わずかな酢がUVセンサに恩恵をもたらす

September, 13, 2024, Sydney--オーストラリアの科学チームは、酸化亜鉛ナノ粒子を室温で酢の煙にさらすことにより、ナノ粒子ベースの紫外線センサの感度を向上させる方法を示した(Small、doi:10.1002 / smll.202402558)。
研究チームによると、その発見により、ウェアラブルアプリケーションに適した安価で効率的で高性能なセンサが可能になる。また、関連する技術は他のナノ構造デバイスにも適用できると主張している。

コンタクトの改善
ナノ粒子の非常に多孔質なネットワークから作られたセンサは、表面積と体積の比率が高いため、高い感度を達成できる。しかし、弱点もある。ナノ粒子間の接触が不十分なために、検出を記録するために必要な電荷キャリアの流れが妨げられることがよくある。

これを回避する方法の1つは、多孔質ナノ粒子膜を高温にさらす熱アニールを導入して、ナノ粒子間の界面を強化すること。しかし、この加熱は製造コストを増加させ、現代のウェアラブルデバイスで使用されている種類のポリマや電極には適していない。

別のアプローチは、ナノ粒子を液体に浸し、毛細管現象にさらすことにより、ナノ粒子を互いに近づけること。液体はナノ粒子間の小さな隙間に流れ込み、蒸発すると、ナノ粒子は先端で引き寄せられて、材料内に明確な島を形成する。しかし、このプロセスはナノ粒子ネットワークの形状も変化させるため、アプリケーションの中には適さないものもある。

水っぽい酢の蒸気
最新の研究では、シドニーのMacquarie UniversityのNoushin Nasiriとチームが、蒸気によってもたらされる毛細管力を利用している。これはネットワークの形状への影響が最小限に抑えられている。具体的には、酸化亜鉛ナノ粒子を溶解できる酢酸を特徴とする蒸気を使用した。その結果、単に水蒸気を使用するだけでは十分な力が得られず、純粋な酢酸が過剰に生成され、ナノ粒子ネットワークが破壊されることを発見した。その結果、両者の妥協点、つまり水っぽい酢の蒸気がちょうどいいことが示された。

研究チームの作製技術は、亜鉛溶液をノズルに押し込み、それを燃焼させ、水冷式白金基板で酸化亜鉛ナノ粒子の微細なミストを遮断することから始まる。これにより、ナノ粒子は非常に多孔質な膜を形成し、それを室温のシャーレに移し、酢酸の蒸気分子に最大20分間さらす。その後、フィルムを130℃のオーブンに入れて乾燥させる。

研究チームは、酢酸への曝露を変化させ、ナノ粒子フィルムを無露光フィルムと、300℃で12時間熱アニールしたフィルムと比較することにより、ナノ粒子フィルムの光感知能力を測定した。その結果、最適な露光時間は約15分で、その時点で、フィルムは紫外線(UV)に対して、露光されていないフィルムよりも10万倍以上、熱アニールされたフィルムよりも少なくとも5,000倍も反応性が高いことがわかった。チームはまた、蒸気処理されたフィルムの暗電流が非常に低いことも発見した。

今回、Nasiriとチームは、電子顕微鏡を用いて広範な画像を記録し、蒸気に長時間さらされると多孔質ナノ粒子ネットワークの空隙の種類が変化することを立証した。未処理のフィルムのようにメソスケールとマクロスケールの両方に存在するのではなく、ボイドはより大きなスケールにますます集中し、ボイドを取り囲むようにフィラメントのような構造が密集する。その結果、電気伝導率が向上し、光検出が優れている。

スケールアップ
研究チームによると、彼らの研究は、熱焼鈍に必要な時間と高温を考えると、「時間とエネルギーの大幅な削減を示している」。また、この研究は、ナノエレクトロニクスやウェアラブルデバイスで使用できるナノ粒子ベースのセンシング技術への「道を開く」と、チームは考えている。これは、柔軟性があり、消費電力が少ないことが要求される。チームによると、酸化亜鉛センサを圧延プレート上に配置して、酸蒸気を含む閉じたボリューム内を移動することで、製造プロセスを商業的にスケールアップできる。

チームは、同じ手法で、ガスや光のセンサや太陽電池など、他の種類のナノ構造デバイスを生み出すことができると付け加えている。説明によると、これは出発材料と基板の種類を変えることで達成できる。しかし、フィルム全体のナノ粒子結合の均一性を確保し、ナノ構造を商用デバイスに統合するためには、さらに多くの研究を行う必要があるとチームは説明している。