ガスセンサの材料設計と高感度化、選択性向上

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本セミナーでは、呼気、皮膚ガスを高精度かつ簡便に検知し、臨床・ヘルスケアに繋ぐ技術について解説いたします。

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プログラム

第1部 酸化物半導体ガスセンサの高感度設計 ～電極、形態、空乏層～

(2021年2月2日 10:00〜11:30)

　ガスセンサの市場分析を基に今後の半導体ガスセンサの開発戦略を説明します。半導体ガスセンサの特徴ではガス検知の原理、評価装置の概略を示します。低濃度のガスを高感度に検知するための3つの効果では、センサ素子の電極設計による高感度化、酸化物の形態制御による高感度化の指針、p-n接合を利用した高感度化、ケルビンプローブフォース顕微鏡 (KPRM) を用いたp-n接合形成による空乏層の可視化について説明します。

  1. はじめに:ガスセンサの市場
  2. 半導体ガスセンサの特徴
    1. ガス検知原理
    2. 評価装置の概略
  3. 電極設計の効果
    1. ギャップサイズ効果:電極-電極間距離の効果
    2. 界面効果:電極-粒子間の界面長さの効果
    3. ギャップサイズ効果+界面効果
  4. 形態制御の効果
    1. 酸化タングステンの形態制御とガス検知特性
    2. 酸化スズの形態制御とガス検知特性
    3. 陽極酸化による酸化物の形態制御とガス検知特性
  5. p-n接合の効果
    1. マグネシウムフェライトによる硫化水素検知
    2. KPFM測定による空乏層の可視化
  6. まとめ

第2部 ジルコニアを用いたガスセンサの開発と高感度、選択性向上

(2021年2月2日 12:10〜13:40)

　本講座では、安定化ジルコニアを固体電解質として用いる起電力検知型センサについて、その構造、材料、ガス検知特性などの観点から解説する。安定化ジルコニアは酸化物イオン伝導帯として知られており、その安定性の高さからセンサや固体酸化物形燃料電池などに実用されている。センサでは、自動車の空燃比制御用センサとして古くから実用されている。また、安定化ジルコニアを用いる酸素センサの検知電極を工夫することで、高感度化や高選択性が実現可能である。本講義では、それらの研究例についても紹介する。

  1. ジルコニアについて
    1. 安定化ジルコニアの構造
    2. 酸化物イオン導電機構
  2. 酸素センサと平衡電位
    1. 空燃比センサ
    2. ネルンスト式
    3. 酸素センサにおける電極種の影響
  3. 混成電位型センサ
    1. 混成電位について
    2. 電極触媒
  4. 電極補助層による高感度ガス検知
    1. 揮発性有機化合物 (VOC) 検知
    2. 水素検知

第3部 赤外プラズモニクス材料とガスセンサへの応用

(2021年2月2日 13:50〜15:20)

　本講演では、赤外のガスセンサへの応用を目指したプラズモン共鳴材料について解説する。特に中赤外で光熱変換を利用したプラズモン共鳴材料やそのセンサ応用など最先端の研究技術について講演する。併せて周辺技術として赤外分光や表面プラズモン共鳴の基礎についても併せて講演する。

  1. 赤外分光による分子の振動解析
    1. 赤外分光の基礎
    2. 分子振動の古典的・量子的な取り扱い
  2. 表面プラズモン共鳴の基礎
    1. 伝搬プラズモンと局在プラズモン
    2. 局在表面プラズモンを使ったシグナルの増強 (吸収・発光・散乱)
  3. 中赤外プラズモニクス
    1. プラズモン共鳴とスケーリング則
  4. 分子と光の結合:プラズモンによる赤外吸収状況
    1. 分子と光の結合:弱結合
    2. 分子と光の結合:強結合
  5. 表面増強赤外分光を利用したセンサ構築
    1. ガスセンサの実際
    2. 表面増強赤外吸収を利用したセンサの原理とガスセンサの構築
  6. 光と熱を制御する赤外表面プラズモン材料

第4部 吸着燃焼式マイクロガスセンサの原理、特性と高感度化

(2021年2月2日 15:30〜17:00)

　吸着燃焼式マイクロガスセンサは、低温で被検ガスを触媒層に吸着したのち、それらをフラッシュ燃焼したときの発熱挙動をシグナル出力することで作動する。そのため、特に揮発性有機化合物 (VOC) に対して高感度で特徴的なダイナミック (動的) 応答を示す。 　本稿では、吸着燃焼式ガスセンサの原理から基本的な特性、応答特性の改善に有効な材料設計法について紹介する。

  1. 吸着燃焼式マイクロガスセンサとは
    1. センサ構造と基本特性
    2. 他のガスセンサとの比較
  2. 吸着燃焼式マイクロガスセンサに適した材料設計
    1. コア (Au) /シェル (Pd) ナノ粒子の活用
    2. 貴金属/酸化物の共担持
    3. 熱伝導性の改善
  3. 吸着燃焼式マイクロガスセンサの高性能化に向けた研究開発動向
    1. 吸着特性・触媒活性
    2. 昇温脱離・昇温酸化特性
    3. 作動メカニズムの解明と高性能化への指針

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