| 研究課題/領域番号 |
24241025
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| 研究機関 | 高知工科大学 |
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研究代表者 |
山本 哲也 高知工科大学, 公私立大学の部局等, 教授 (30320120)
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| 研究分担者 |
野本 淳一 高知工科大学, 公私立大学の部局等, 助教 (30711288)
牧野 久雄 高知工科大学, 公私立大学の部局等, 准教授 (40302210)
岸本 誠一 高知工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (90177816)
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| 研究期間 (年度) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| キーワード | 水素センサー / 半導体式センサー / t90 / 酸化亜鉛 / 吸着酸素 / peroxide / superoxide |
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| 研究実績の概要 |
前年度、動作温度 170℃、応答時間 t90= 1s（t90 とは水素分子濃度の変化に応答して抵抗の90％変化に達するまでの時間であり、本分野での共通指標）、及び電流変化 0.1 mA、といった従来よりも実用的な水素センサ研究開発に成功を収めた。今年度は本研究の目的であるセンサ機構について、実験と理論との両面から検討した。
実験では、仮説「酸化亜鉛薄膜（膜厚）表面付近に吸着酸素が高濃度（10E+20 /cm3）に内蔵している」の実証を行った。内蔵型酸素量を増大させるために、表面エネルギーの大きい (101) 面の成長モードが、(002) 成長モードに加わる直流マグネトロンスパッタリング法（JAP, 117, 045304 (2015)）を用いて Al 添加酸化亜鉛薄膜を成膜した。その結果、前年度観察された電流変化の大きさが仮説通り、1桁増大した。一方で、キャリア輸送は高濃度吸着酸素に因り抑止され、t90 は 20 s まで増大した。
理論としては、第１原理電子構造計算法を用いた。実験的に判明している Zn 極性表面モデルを用いた。第１に孤立酸素分子の配位状態を全エネルギー最小の条件から決定した。結果は酸素分子がやや表面に並行にならぶ状態であり、電子を２つ受容する peroxide であることが判った。次に水酸基表面被覆率最大までモデル化し、酸素分子表面吸着状態を同条件で決定した。結果の解析から、酸素分子吸着状態は水酸基のない孤立状態とは大きく異なり、１つの酸素原子(O1)が電子を受容し、他方の酸素原子(O2)は化学結合を維持しながら、表面から遠ざかる superoxide と判った。これに因り次のセンサ機構を提案する。先ず上記 O2 が水素分子と反応し、水分子を形成し、次に上記電荷過剰状態の O1 が他の水素分子と反応し、水分子形成と共にセンシングとなる自由電子を放出する。
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| 現在までの達成度 (段落) |
26年度が最終年度であるため、記入しない。
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| 今後の研究の推進方策 |
26年度が最終年度であるため、記入しない。
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| 備考 |
上記特許は前年度出願済み（出願日2013/8/22）の優先権主張に該当するもである。
主旨は、本水素センサが、従来の直流電源のみでなく、交流電源も使用可能であることを加えたものである。本件の成果は日本経済新聞（2015/04/02 p.29）「知の明日を築く」に掲載された。
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