Improvement of gas sensing properties of metal oxide semiconductors in the form of ultra-thin film

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K04647
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: ADACHI Yutaka 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 電子・光機能材料研究センター, 主幹研究員 (30354418)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 酸化亜鉛薄膜 / 三酸化タングステン薄膜 / エピタキシャル成長 / 不純物添加 / ガス選択性 / 膜厚依存性 / エタノール / アセトン

Outline of Final Research Achievements

This study was carried out to clarify the relationship between doped impurities and gas sensing properties of oxide semiconductor gas sensors. Epitaxial films were used as oxide semiconductor gas sensors, instead of powders or nanostructures to make the role of doped impurities more visible. The sensing characteristics of ZnO epitaxial films doped with different kinds of impurities were investigated. It was found that the best ethanol gas selectivity was obtained when Mg was doped, and that gas selectivity tended to decrease when the acidity of doped impurities was higher or lower than that of Mg. This result suggests that it is important to consider the acidity of the doped impurity in designing gas sensors with excellent gas selectivity.

Free Research Field

酸化物薄膜合成

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

半導体ガスセンサの重要な課題の一つは、ガス選択性の向上である。その課題解決のため、母体材料である粉末・ナノ構造体に貴金属や金属酸化物を添加することが、これまでに数多く試みられてきた。しかし、粉末やナノ構造体の場合、不純物を添加すると粒子サイズなどセンサ特性に影響を与える他のパラメータも変わってしまうため、添加不純物が本当にガス選択性の向上に寄与しているのかは明確ではなかった。本研究では、センサ母体材料としてエピタキシャル薄膜を用いたので、添加不純物の役割をより明確にすることができた。また、この結果は小型でガス選択性に優れたガスセンサの設計に寄与し、携帯型呼気分析装置などへの適用が期待される。