イオン導電体/酸化物半導体異種接合界面の特異認識機能を利用した高性能センサの設計

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12450346
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 三浦 則雄 九州大学, 先端科学技術共同研究センター, 教授 (70128099)
• 研究分担者: 清水 陽一 九州工業大学, 工学部, 助教授 (20192114) ; 酒井 剛 九州大学, 大学院・総合理工学研究科, 助手 (40284567) ; 島ノ江 憲剛 九州大学, 大学院・総合理工学研究科, 助教授 (10274531)
• キーワード: イオン導電体 / 酸化物半導体 / 接合界面 / ガスセンサ / 固体電解質 / 安定化ジルコニア / NASICON

研究概要

本研究では、新たな異種接合界面であるイオン導電体/酸化物半導体接合を設計・形成・制御することにより、これまでにない特異なガス認識機能を付与し、センサの作動特性を飛躍的に改善させた高性能センシングデバイスを開発することを目指して検討を行い、以下のような知見を得た。
1)イットリア安定化ジルコニア(YSZ,酸化物イオン導電体)をセンサベース材料であるイオン導電体として用い、これに種々の酸化物半導体を付加することにより、異種接合界面を形成したセンシングデバイスを作製した。本年度はガス種としてまずNOxを取り上げて応答特性を検討したところ、ZnFe_2O_4やZnCr_2O_4の酸化物半導体を検知極として用いた場合に、650-700℃という高温においても高いNO_2感度や速い応答速度を示す優れた検知特性を与えることを見出した。また、本センサの検知メカニズムは、接合界面における混成電位に基づいていることを分極曲線の測定により確かめた。2)YSZと酸化物電極(特にSnO_2)を組み合わせた接合界面を用いれば、N_2Oを被検ガス種とした場合にも数十ppm程度の低濃度ガスの検知が可能なことを見出した。本センサは医療現場での麻酔ガスモニタリング用として使える可能性がある。3)Na^+導電体であるNASICONをイオン導電体として用い、これにIn_2O_3を付加して電位検出型素子とすれば、室温作動が可能なCO_2センサが得られることを見出した。4)NASICONに亜硝酸塩(NaNO_2)を付加して電流検出型素子とすれば高感度なNO_2センサが得られるが、界面での応答機構に過酸化物の関与があることや、WO_3を酸化物電極として用いた場合にはNO_2感度の向上やNOの酸化触媒機能が発現してトータルNOx濃度の測定も可能なことを見出した。

研究成果

• [文献書誌] S.Zhuiykov: "Potentiometric NOx Sensor Based on Stabilized Zirconia and NiCr_2O_4 Sensing Electrode Operating at High Temperature"Electrochemistry Communications. 3. 97-101 (2001)
• [文献書誌] K.Obata: "Potentiometric sensor based on NASICON and In_2O_3 for detection of CO_2 at room temperature-modification with foreign substances"Sensors and Actuators B. 76. 639-643 (2001)
• [文献書誌] E.Kanazawa: "Mixed-potential type N_2O sensor using stabilized zirconia-and SnO_2-based sensing electrode"Sensors and Actuators B. 75. 121-124 (2001)
• [文献書誌] M.Ono: "Reaction analysis on sensing electrode of amperometric NO_2 sensor based on sodium ion conductor by using chronopotentiometry"Sensors and Actuators B. 77. 78-83 (2001)
• [文献書誌] S.Zhuiykov: "Stabilized Zirconia-based NOx Sensor Using ZnFe2O4 Sensing Electrode"Electrochemical and Solid-State Letters. 4. 19-21 (2001)
• [文献書誌] N.Miura: "High-Temperature NOx Sensor Based on Stabilized Zirconia and ZnFe_2O_4 Electrode"Sensors and Actuators B. (印刷中). (2002)
• [文献書誌] S.Zhuiykov: "High-Temperature Zirconia-Based NOx Sensor Using Zinc-Family Oxide Sensing-Electrode"Solid State Ionics. (印刷中). (2002)
• [文献書誌] N.Miura: "Impedance-based total-NOx sensor using stabilized zirconia and ZnCr_2O_4 sensing electrode operating at high temperature"Electrochemistry Communications. (印刷中). (2002)
• [文献書誌] 三浦則雄: "車載用および大気監視用NOxセンサ"Electrochemistry. 69. 193-198 (2001)
• [文献書誌] 三浦則雄: "ガスセンシングデバイスへの応用"マテリアルインテグレーション. 14. 71-76 (2001)
• [文献書誌] 三浦則雄: "含酸素系環境ガスセンサ"アイピーシ. 314-328 (2002)