Oxigênio (O ₂ ) é um gás essencial não apenas para nós e para a maioria das outras formas de vida, mas também para muitos processos industriais, biomedicina, e aplicações de monitoramento ambiental. Dada a importância de O ₂ e outros gases, muitos pesquisadores têm se concentrado no desenvolvimento e aprimoramento de tecnologias de detecção de gás. Na fronteira desse campo em evolução estão os modernos sensores de gás nanogap - dispositivos geralmente compostos por um material de detecção e dois eletrodos condutores que são separados por uma lacuna minúscula na ordem de nanômetros (nm), ou milionésimos de um metro. Quando as moléculas de gases específicos entram nessa lacuna, eles interagem eletronicamente com a camada de detecção e os eletrodos, alterar propriedades elétricas mensuráveis, como a resistência entre os eletrodos. Por sua vez, isso permite medir indiretamente a concentração de um determinado gás.

Embora os sensores de gás nanogap tenham propriedades muito mais atraentes do que os sensores de gás microgap intimamente relacionados, eles provaram ser muito mais difíceis de produzir em massa de maneira confiável para distâncias da ordem de dezenas de nanômetros. No Laboratório de Materiais e Estruturas da Tokyo Tech, uma equipe de cientistas liderada pelo Dr. Yutaka Majima está buscando maneiras de fabricar melhores sensores nanogap. Em seu último estudo, que foi publicado em Sensors &Actuators:B. Chemical, a equipe apresenta uma nova estratégia para produzir sensores de gás oxigênio nanogap usando eletrodos de platina / titânio (Pt / Ti) e um óxido de cério (CeO ₂ ) camada de detecção.

Dois projetos de sensores foram testados pelo Prof. Majima e sua equipe. No projeto de contato inferior, o CEO ₂ camada de detecção é primeiro depositada sobre um substrato de silício e os dois eletrodos de Pt / Ti são colocados no topo do CeO ₂ através da litografia por feixe de elétrons (EBL). Com EBL, desenha-se formas personalizadas em um filme resistente usando um feixe de elétrons focalizado com extrema precisão. Isso então permite a corrosão seletiva ou evaporação de regiões Pt / Ti, dando forma aos eletrodos nanogap. O outro design (contato superior) foi produzido usando EBL também, mas o CeO ₂ foi aplicado no topo dos eletrodos de Pt / Ti como uma fina camada de revestimento.

Com esta estratégia de fabricação, a equipe conseguiu produzir de forma confiável nanogaps de Pt tão pequenos quanto 20 nm, algo sem precedentes na literatura. Ambos os projetos de sensores exibiram desempenhos semelhantes e altamente promissores, como observa o Dr. Majima:"Para uma separação de hiato de 35 nm, nosso nanogap O ₂ os sensores de gás exibiram um tempo de resposta rápido de 10 segundos a uma temperatura operacional relativamente baixa de 573 K (300 ° C); este tempo de resposta é aproximadamente três ordens de magnitude menor do que o dos sensores microgap sob as mesmas condições de medição. "Além disso, seu procedimento oferece melhor escalabilidade do que os sensores de gás nanogap desenvolvidos anteriormente.

Além dos projetos do sensor, este estudo forneceu informações importantes sobre os mecanismos de salto de elétrons pelos quais O ₂ moléculas modulam a resistência entre os eletrodos de Pt na presença de CeO ₂ no nanogap. Tomados em conjunto, os resultados deste estudo estão abrindo caminho para melhores dispositivos de detecção de gás, como o Dr. Majima conclui:"Nossos sensores de gás nanogap podem ser candidatos promissores para o desenvolvimento de uma plataforma geral de detecção de gás com baixa temperatura de operação." No tempo devido, sensores de gás nanogap certamente encontrarão seu caminho em mais campos de aplicação, incluindo dispositivos biomédicos vestíveis, monitoramento de condições industriais, e sensoriamento ambiental.