[論文レビュー] Chemical Gas Sensors Based On Nanowires

Yaping Dan, Evoy, Stephane+1 more|ArXiv.org|Apr 30, 2008

Gas Sensing Nanomaterials and SensorsEngineering参考文献 92被引用数 19

ひとこと要約

本レビューでは、ナノワイヤベースの化学ガスセンサーについて、大規模な表面積対体積比と一次元的閉じ込め効果による高い感度に焦点を当て、プロトタイプセンサーでppbレベルの検出限界を達成していることを示している。合成法、デバイス構造（化学抵抗センサーやトランジスタ）、センシングメカニズム、組立技術をカバーし、ナノスケールセンシング技術の今後の研究動向に注目している。

ABSTRACT

Chemical gas sensors based on nanowires can find a wide range of applications in clinical assaying, environmental emission control, explosive detection, agricultural storage and shipping, and workplace hazard monitoring. Sensors in the forms of nanowires are expected to have significantly enhanced performance due to high surface-volume ratio and quasi-one-dimensional confinement in nanowires. Indeed, chemical gas sensors based on nanowires with a ppb level sensitivity have been demonstrated. In this review, the fundamental aspects on (i) methods of nanowire synthesis (ii) performance of nanowire sensors, (iii) chemiresistors, transistor sensors, and their sensing mechanism, and (iv) assembly technologies will be summarized and discussed. The prospects of the future research on chemical gas sensors based on nanowires will be also addressed.

研究の動機と目的

• 環境モニタリング、医療、セーフティ分野への応用を想定し、ナノワイヤベースの化学ガスセンサーについて包括的なレビューを提供すること。
• ナノワイヤ合成の基本的原則とそのセンサ性能に与える影響を分析すること。
• 化学抵抗センサーやトランジスタベースのナノワイヤセンサーの動作メカニズムを検討すること。
• ナノワイヤを機能的センサーデバイスに統合するための現在および新興の組立技術を評価すること。
• ナノワイヤガスセンサーテクノロジーを発展させるうえでの主な課題と今後の研究方向性を特定すること。

提案手法

• 蒸気-液体-固体法および溶液-液体-固体法を含む、ナノワイヤ合成技術の体系的レビュー。
• 気体吸着が表面電荷の変調によって電気的抵抗を変化させる、化学抵抗センサーにおけるセンシングメカニズムの分析。
• ゲート電圧が表面に吸着した分析物に応じて電流を制御するフィールド効果トランジスタ（FET）センサーの調査。
• ナノワイヤをデバイスプラットフォームに統合するための、誘電力による配向（dielectrophoresis）や指向性アセンブリなどのアセンブリ戦略の評価。
• センサ応答および選択性に与える物性および表面修飾の影響の検討。
• 発表済み研究からの実験データを用いて、検出限界、応答時間、可逆性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノワイヤに見られる高い表面積対体積比と一次元的閉じ込め効果は、どのようにガスセンシング性能を向上させるか？
• RQ2 気体分子がナノワイヤベースの化学抵抗センサーやFETにおいて、電気的伝導度をどのように変化させるか、主なメカニズムは何か？
• RQ3 高品質なナノワイヤを機能的ガスセンサーデバイスに統合するための、最も効果的な合成法および統合法は何か？
• RQ4 材料選択および表面修飾は、ナノワイヤセンサーの感度および選択性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 ナノワイヤガスセンサーの実世界への展開を制限する主な技術的および科学的課題は何か？

主な発見

• ナノワイヤベースの化学ガスセンサーは、部分毎十億分率（ppb）範囲での検出限界を達成しており、優れた感度を示している。
• ナノワイヤの高い表面積対体積比のおかげで、気体分子と強い相互作用が可能となり、応答の大きさが顕著に向上する。
• 化学抵抗センサータイプでは、標的ガスに露出した際に測定可能な抵抗変化が観察され、応答時間は数秒オーダーである。
• フィールド効果トランジスタ（FET）構成は、ゲート電圧制御および表面工学により、感度と調整性が向上している。
• 誘電力による配向などのアセンブリ技術により、事前にパターン加工された電極上へのナノワイヤの制御された配置が可能となり、デバイス統合が容易になる。
• NO2、NH3、H2Sなどの特定分析物に対して選択的に反応する受容体や触媒被膜による表面修飾が、選択性を向上させる。