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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Material designs of micro gas sensors for selective detection in ppt level.

Research Project

Project/Area Number 19H02437
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

島ノ江 憲剛  九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (10274531)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 渡邉 賢  九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (90552480)
末松 昂一  九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (90637555)
Project Period (FY) 2019-04-01 – 2022-03-31
Keywordsガスセンサ / 半導体 / 金属酸化物 / 貴金属 / レセプター / 高感度 / 高選択性 / MEMS
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、SnO2やZnOのようなn型半導体表面上に異なる機能を持つレセプターを二種類担持することにより、ガス選択性に優れた高感度ガスセンサを見出すことを目的としている。2022年度は、①ベース材料である金属酸化物ナノ粒子における結晶面制御、②金属酸化物の制御結晶面へのナノレセプター担持技術構築、③レセプターによるガス選択的検知の評価、④MEMS型ガスセンサへの適用、⑤金属酸化物へのダブルナノレセプター担持と評価を行い、以下の結果を得た。
材料調製方法である湿式法のpHやキレート材などを最適化することにより、SnO2およびZnOにおいて結晶面が露出した粒子、ロッドを作製できることを明らかにした。
貴金属レセプターの担持方法としてコロイド法を検討し、3nm以下の粒子径をもつPdやAuの作製とベース材料への均一分散担持に成功した。また、金属酸化物レセプターとしてMoO3を選択し、pHを制御した担持法により微細なMoO3粒子をSnO2表面へ担持することができた。
SnO2およびZnOの結晶面の評価として、エタノールの検知特性を調べた結果、結晶面を制御していない粒子と比べ、一桁から二桁高いセンサ感度が得られることがわかった。レセプター効果として、Pd-SnO2ではメタン感度を二桁以上、Au-ZnOではイソプレン感度が数ppbレベルまであることを見出した。また、MoO3-SnO2ではエタノールがメタノールよりも数倍高い感度を示すことがわかった。
MoO3-SnO2をMEMS素子に展開し、さらなる高感度かつ高選択性を検討したところ、パルス駆動制御を最適化することで、メタノールに対するエタノールの選択性は二桁以上向上することを明らかにした。
Pd-MoO3-SnO2のダブルレセプター効果を検討したところ、さらに水素、CO、水蒸気などの影響を抑制し、選択性がさらに向上することを見出した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (15 results)

All 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 6 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 3 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] Jinlin University(中国)

    • Country Name
      CHINA
    • Counterpart Institution
      Jinlin University
  • [Journal Article] Amplifying the receptor function on Ba0.9La0.1FeO3-SnO2 composite particle surface for high sensitivity toward ethanol gas sensing2022

    • Author(s)
      Suematsu Koichi、Hiroyama Yuki、Watanabe Ken、Shimanoe Kengo
    • Journal Title

      Sensors and Actuators B: Chemical

      Volume: 354 Pages: 131256~131256

    • DOI

      10.1016/j.snb.2021.131256

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Highly Sensitive Carbon Monoxide Sensor Element with Wide-Range Humidity Resistance by Loading Pd Nanoparticles on SnO2 Surface2022

    • Author(s)
      Suematsu Koichi、Uchiyama Akihito、Watanabe Ken、Shimanoe Kengo
    • Journal Title

      Sensors

      Volume: 22 Pages: 2934~2934

    • DOI

      10.3390/s22082934

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] MOF-derived Au-NiO/In2O3 for selective and fast detection of toluene at ppb-level in high humid environments2022

    • Author(s)
      Sun Yongjiao、Zhao Zhenting、Suematsu Koichi、Zhang Wenlei、Zhang Wendong、Zhuiykov Serge、Shimanoe Kengo、Hu Jie
    • Journal Title

      Sensors and Actuators B: Chemical

      Volume: 360 Pages: 131631~131631

    • DOI

      10.1016/j.snb.2022.131631

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Highly sensitive isoprene gas sensor using Au-loaded pyramid-shaped ZnO particles2021

    • Author(s)
      Saito Noriko、Haneda Hajime、Watanabe Ken、Shimanoe Kengo、Sakaguchi Isao
    • Journal Title

      Sensors and Actuators B: Chemical

      Volume: 326 Pages: 128999~128999

    • DOI

      10.1016/j.snb.2020.128999

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] N-pentanol sensor based on ZnO nanorods functionalized with Au catalysts2021

    • Author(s)
      Wang Hongtao、Li Yueyue、Wang Chenchang、Li Yuan、Bai Jihao、liu Yueying、Zhou Linsheng、Liu Fengmin、Shimanoe Kengo、Lu Geyu
    • Journal Title

      Sensors and Actuators B: Chemical

      Volume: 339 Pages: 129888~129888

    • DOI

      10.1016/j.snb.2021.129888

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Impact of Pd nanoparticle loading method on SnO2 surface for natural gas detection in humid atmosphere2021

    • Author(s)
      Liu Chengcheng、Suematsu Koichi、Uchiyama Akihito、Watanabe Ken、Guo Yanbao、Wang Deguo、Shimanoe Kengo
    • Journal Title

      Journal of Materials Science

      Volume: 56 Pages: 13975~13988

    • DOI

      10.1007/s10853-021-06214-4

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] MoO3をレセプターとするSnO2-MEMSガスセンサの検知特性2022

    • Author(s)
      三田村康平、末松昂一、増本勝司、渡邉 賢、島ノ江憲剛
    • Organizer
      電気化学会第89回大会 The 70th Chemical Sensor Symposium
  • [Presentation] 加湿下における低濃度メタン検出に向けたSnO2表面へのPd担持法の検討2022

    • Author(s)
      末松昂一、劉 承誠、内山瑛人、渡邉 賢、島ノ江憲剛
    • Organizer
      電気化学会第89回大会 The 70th Chemical Sensor Symposium
  • [Presentation] New Design of MEMS-Type Gas Sensors Based on SnO22021

    • Author(s)
      Kengo Shimanoe
    • Organizer
      The 8th International Conference on Ceramics(ICC8)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] SnO2ガスセンサのVOCガス検出特性におけるMoO3担持法の影響2021

    • Author(s)
      三田村康平, 増本勝司, 末松昂一, 渡邉賢, 島ノ江憲剛
    • Organizer
      公益社団法人日本セラミックス協会 第34回秋季シンポジウム
  • [Presentation] Toward a New Concept for Development of MEMS-Type Gas Sensor2021

    • Author(s)
      Kengo Shimanoe
    • Organizer
      The International Union of Materials Research Societies - International Conference in Asia 2021 (IUMRS-ICA 2021)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Development of Ultra-High-Sensitive MEMS-type Gas Sensor in ppt Level2021

    • Author(s)
      Kengo Shimanoe
    • Organizer
      The 6th International Conference on Advanced Electromaterials (ICAE 2021)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Book] 固体表面キャラクタリゼーション 機能性材料・ナノマテリアルのためのスペクトロスコピー2022

    • Author(s)
      山下 弘巳、吉田 寿雄、田中 庸裕
    • Total Pages
      304
    • Publisher
      講談社
    • ISBN
      978-4-06526126-2
  • [Remarks]

    • URL

      https://www.mm.kyushu-u.ac.jp/lab_03/thesis.html

URL: 

Published: 2022-12-28  

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