Schéma de la détection d'hydrogène à l'aide de nanoparticules de palladium. Sans hydrogène présent, les nanoparticules de palladium métallique (points oranges) agissent comme des îlots isolés, et le courant électrique ne peut pas circuler facilement à travers l'appareil. En revanche, lorsque l'appareil est exposé à même une petite quantité d'hydrogène, les atomes d'hydrogène peuvent combler les lacunes entre les îles, créer un réseau connecté qui laisse passer un courant important (lignes rouges). Crédit :Université d'Osaka
Une équipe de l'Université d'Osaka a inventé un nouveau procédé pour créer des dispositifs de détection de haute précision qui répondent à la présence d'hydrogène gazeux. En contrôlant soigneusement le dépôt de nanoparticules métalliques sur une surface de silicium, les chercheurs ont pu créer un capteur capable de détecter de faibles niveaux d'hydrogène sur la base des changements de courant électrique. Cette recherche peut avoir des avantages importants dans le cadre d'un passage aux carburants à base d'hydrogène, qui pourraient propulser les voitures zéro émission du futur et aider à lutter contre le changement climatique anthropique.
Pour fabriquer un capteur d'hydrogène, les chercheurs ont déposé du palladium métallique sur un substrat de silicium. Le palladium déposé forme des nanoparticules sur le substrat, et ils agissent comme de minuscules îles qui sont d'excellents conducteurs d'électricité, mais parce qu'ils ne forment pas un réseau connecté, le courant à travers l'appareil est très faible.
Cependant, lorsque des atomes d'hydrogène sont présents, ils sont absorbés dans les nanoparticules de palladium, augmenter le volume des nanoparticules, puis combler les écarts entre les îles. Finalement, un chemin complètement connecté est formé, et les électrons peuvent circuler avec beaucoup moins de résistance. De cette façon, même un petit changement dans la concentration d'hydrogène peut entraîner une augmentation massive du courant, les appareils peuvent donc être rendus très sensibles.
Un défi important que les chercheurs d'Osaka ont dû surmonter était de contrôler avec précision les écarts entre les îles à déposer en premier lieu. Si le temps de dépôt était trop court, les écarts entre les nanoparticules sont trop larges et ils ne seraient pas comblés même en présence d'hydrogène. Inversement, si le temps de dépôt était trop long, les nanoparticules formeraient à elles seules un réseau connecté, avant même que l'hydrogène ne soit appliqué. Pour optimiser la réponse du capteur, l'équipe de recherche a développé une nouvelle méthode pour surveiller et contrôler le dépôt de palladium appelée résonance piézoélectrique.
Illustration de la façon dont la résonance piézoélectrique peut être utilisée pour évaluer la séparation entre les particules de palladium lors de la fabrication du dispositif. Au fur et à mesure que des nanoparticules de palladium (jaunes) sont ajoutées à l'échantillon, le matériau piézoélectrique vibrant (parallélépipède rectangle vert) génère un champ électrique alternatif (flèches bleues) à proximité de la surface du substrat (gris), créant un flux de courant dans le palladium déposé (particules oranges). Cela provoque la perte d'une partie de l'énergie vibratoire du matériau piézoélectrique. La valeur de la perte d'énergie est maximale lorsque les particules de palladium se touchent, ainsi le dépôt peut être arrêté à la concentration optimale de nanoparticules. Crédit :Université d'Osaka
"Matériaux piézoélectriques, comme un cristal de quartz dans une montre-bracelet, peut vibrer à une fréquence bien précise en réponse à une tension appliquée, ", explique l'auteur principal, le Dr Hirotsugu Ogi. Ici, un morceau de niobate de lithium piézoélectrique a été mis à vibrer sous l'échantillon pendant le dépôt de nanoparticules métalliques. Le piézoélectrique oscillant a créé un champ électrique autour de l'échantillon, qui à son tour induisait un courant dans l'appareil qui dépendait de la connectivité du réseau palladium.
Puis, l'atténuation de l'oscillation change en fonction de la connectivité. Par conséquent, en écoutant le son (mesure de l'atténuation) du matériau piézoélectrique, la connectivité peut être surveillée.
"En optimisant le temps de dépôt par la méthode de résonance piézoélectrique, les capteurs d'hydrogène résultants étaient 12 fois plus sensibles qu'auparavant, ", a déclaré le premier auteur, le Dr Nobutomo Nakamura. "Ces appareils peuvent représenter une étape vers un avenir énergétique plus propre impliquant l'hydrogène."
L'ouvrage est publié dans Lettres de physique appliquée comme "Contrôle précis de la réponse à l'hydrogène d'un film de palladium semi-continu à l'aide de la méthode de résonance piézoélectrique.".
