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JP7829636B2 - Hydrogen gas sensor and method for manufacturing the same - Google Patents
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JP7829636B2 - Hydrogen gas sensor and method for manufacturing the same - Google Patents

Hydrogen gas sensor and method for manufacturing the same

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JP7829636B2 JP2024135541A JP2024135541A JP7829636B2 JP 7829636 B2 JP7829636 B2 JP 7829636B2 JP 2024135541 A JP2024135541 A JP 2024135541A JP 2024135541 A JP2024135541 A JP 2024135541A JP 7829636 B2 JP7829636 B2 JP 7829636B2
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Description

本発明は、水素ガスセンサ及びその製造方法に関し、特に、ナノスケールのグラフェン素子を用いた水素ガスセンサ及びその製造方法に関する。 This invention relates to a hydrogen gas sensor and a method for manufacturing the same, and more particularly to a hydrogen gas sensor using a nanoscale graphene element and a method for manufacturing the same.

カーボンニュートラル社会実現の要となる次世代エネルギー源として水素が注目されている。その他にも、医療や病気診断の場面でも水素ガスは有用と考えられている。 Hydrogen is attracting attention as a next-generation energy source that will be key to realizing a carbon-neutral society. Furthermore, hydrogen gas is considered useful in medical and disease diagnosis applications.

一方で、水素は4~75%という広い大気中の濃度範囲で爆発したり、物質への透過性が高いため鋼材を劣化させたりというデメリットがあるが、無色・無味・無臭のため人間には知覚できない。 On the other hand, hydrogen has disadvantages such as being explosive in a wide atmospheric concentration range of 4-75% and degrading steel due to its high permeability to materials. However, it is colorless, tasteless, and odorless, making it undetectable to humans.

そのため、水素を生成・貯蔵・運搬し利用する各ステージにおいて、水素の漏えいをチェックしたり、水素濃度を測定したりすることが重要である。 Therefore, it is crucial to check for hydrogen leaks and measure hydrogen concentration at each stage of hydrogen generation, storage, transportation, and utilization.

従来、精密な濃度測定を行える水素ガスセンサとして、質量分析の手法を用いたセンサがあるが、装置が大型化してしまう問題があった。 Traditionally, hydrogen gas sensors capable of precise concentration measurement have utilized mass spectrometry techniques, but these have been hampered by their large size.

一方、漏洩検査を主目的としたより小型なセンサには、水素との酸化還元反応により金属酸化物半導体の電気抵抗が変化することを検出するもの、水素ガスの燃焼による白金線の電気抵抗変化を検出するもの、気体の熱伝導度の変化から検出するものなどがある。ただし、いずれも数100℃の高温で動作させるため、消費電力が大きくなることに加えて、水素ガス濃度によっては爆発の心配もある。 On the other hand, smaller sensors primarily designed for leak detection include those that detect changes in the electrical resistance of metal oxide semiconductors due to oxidation-reduction reactions with hydrogen, those that detect changes in the electrical resistance of platinum wires due to the combustion of hydrogen gas, and those that detect changes in the thermal conductivity of gases. However, all of these operate at high temperatures of several hundred degrees Celsius, resulting in high power consumption and, depending on the hydrogen gas concentration, the risk of explosion.

そこで、小型かつ室温でも動作する低消費電力な水素ガスセンサ素子の開発が期待されている。 Therefore, there is a growing demand for the development of small, low-power hydrogen gas sensor elements that can operate at room temperature.

例えば、非特許文献1には、パラジウム(Pd)のナノ粒子を表面に蒸着したグラフェンを用いた水素ガスセンサ素子が開示されている。Pdは水素を吸蔵する金属として知られている。このような水素ガスセンサ素子は、水素との反応によるPdの物性変化をグラフェンを通して検出できるので、室温で使用することができる。 For example, Non-Patent Document 1 discloses a hydrogen gas sensor element using graphene with palladium (Pd) nanoparticles deposited on its surface. Pd is known as a metal that absorbs hydrogen. Such a hydrogen gas sensor element can detect changes in the physical properties of Pd due to its reaction with hydrogen through graphene, and therefore can be used at room temperature.

Rakesh Kumar, Shweta Malik, B.R. Mehta, "Interface induced hydrogen sensing in Pd nanoparticle/graphene composite layers," Sensors and Actuators B: Chemical Volume 209 , 31 March 2015, Pages 919-926.Rakesh Kumar, Shweta Malik, B.R. Mehta, "Interface induced hydrogen sensing in Pd nanoparticle/graphene composite layers," Sensors and Actuators B: Chemical Volume 209 , 31 March 2015, Pages 919-926.

しかしながら、非特許文献1に開示されたような従来の水素ガスセンサ素子は、水素濃度を数10ppm程度までしか検出することができず、近年要求されている高感度な水素ガス検出を行えないという課題があった。 However, conventional hydrogen gas sensor elements, such as those disclosed in Non-Patent Document 1, can only detect hydrogen concentrations down to about tens of ppm, which presents a challenge in achieving the high-sensitivity hydrogen gas detection required in recent years.

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、小型かつ室温で動作する高感度な水素ガスセンサ素子を備えた水素ガスセンサ及びその製造方法を提供することを目的とする。 This invention was made to solve the aforementioned conventional problems, and aims to provide a hydrogen gas sensor equipped with a compact, highly sensitive hydrogen gas sensor element that operates at room temperature, and a method for manufacturing the same.

上記課題を解決するために、本発明に係る水素ガスセンサは、水素ガスを検出する水素ガスセンサ(50)であって、ジグザグ端で終端され、パラジウムのナノ粒子(21)が表面に蒸着されたグラフェン薄膜(13)を備えるグラフェン素子(30)と、前記グラフェン素子が内部に設置された真空容器(56)と、真空引きされた前記真空容器に前記水素ガスを選択的に導入する水素ガス導入部(51,52,53,54)と、前記グラフェン素子の電気抵抗を測定する電気抵抗測定部(61)と、前記電気抵抗に基づいて、前記水素ガス導入部により前記真空容器に導入された前記水素ガスを検出する水素ガス検出部(62)と、を備える構成である。 To solve the above problems, the hydrogen gas sensor according to the present invention is a hydrogen gas sensor (50) for detecting hydrogen gas, comprising: a graphene element (30) having a graphene thin film (13) terminated with a zigzag end and having palladium nanoparticles (21) deposited on its surface; a vacuum vessel (56) in which the graphene element is installed; hydrogen gas introduction units (51, 52, 53, 54) for selectively introducing the hydrogen gas into the vacuum vessel under vacuum; an electrical resistance measuring unit (61) for measuring the electrical resistance of the graphene element; and a hydrogen gas detection unit (62) for detecting the hydrogen gas introduced into the vacuum vessel by the hydrogen gas introduction unit based on the electrical resistance.

この構成により、本発明に係る水素ガスセンサは、小型かつ室温で動作するグラフェン素子を用いて、1ppmに迫る高感度な水素ガスの検出を行うことができる。 This configuration allows the hydrogen gas sensor according to the present invention to detect hydrogen gas with high sensitivity approaching 1 ppm using a small, room-temperature operating graphene element.

また、本発明に係る水素ガスセンサは、前記水素ガス検出部が、真空中での前記グラフェン素子の前記電気抵抗と、前記水素ガス導入部により前記真空容器に前記水素ガスが導入されたときの前記グラフェン素子の前記電気抵抗との差が所定の閾値を超えたときに、前記所定の閾値に応じた濃度よりも高い濃度の水素ガスを検出したと判断する構成であってもよい。 Furthermore, the hydrogen gas sensor according to the present invention may be configured such that the hydrogen gas detection unit determines that a concentration of hydrogen gas higher than the concentration corresponding to the predetermined threshold has been detected when the difference between the electrical resistance of the graphene element in a vacuum and the electrical resistance of the graphene element when the hydrogen gas is introduced into the vacuum container by the hydrogen gas introduction unit exceeds a predetermined threshold.

この構成により、本発明に係る水素ガスセンサは、真空中でのグラフェン素子の電気抵抗と、真空容器に水素ガスが導入されたときのグラフェン素子の電気抵抗との差に基づいて、所定濃度よりも高い濃度の水素ガスを検出することができる。 With this configuration, the hydrogen gas sensor according to the present invention can detect hydrogen gas concentrations higher than a predetermined concentration based on the difference between the electrical resistance of the graphene element in a vacuum and the electrical resistance of the graphene element when hydrogen gas is introduced into a vacuum chamber.

また、本発明に係る水素ガスセンサは、前記グラフェン素子が、導電性基板(12)と、前記導電性基板の表面に形成された酸化膜(11)と、を更に有し、前記グラフェン薄膜が前記酸化膜の表面に形成され、前記水素ガス検出部は、前記導電性基板に印加されるゲート電圧を変化させることによって、前記所定の閾値に応じた濃度を変化させる構成であってもよい。 Furthermore, the hydrogen gas sensor according to the present invention may further comprise the graphene element with a conductive substrate (12) and an oxide film (11) formed on the surface of the conductive substrate, wherein the graphene thin film is formed on the surface of the oxide film, and the hydrogen gas detection unit may be configured to change the concentration according to a predetermined threshold by changing the gate voltage applied to the conductive substrate.

この構成により、本発明に係る水素ガスセンサは、グラフェン素子の導電性基板に印加するゲート電圧を変化させることによって、水素ガスの有無を検出する際の感度を変化させることができる。 This configuration allows the hydrogen gas sensor according to the present invention to change its sensitivity when detecting the presence or absence of hydrogen gas by changing the gate voltage applied to the conductive substrate of the graphene element.

また、本発明に係る水素ガスセンサは、前記水素ガス検出部が、前記水素ガスの濃度に応じた前記電気抵抗の変化率を算出し、前記変化率に基づいて前記水素ガスの濃度を推定する構成であってもよい。 Furthermore, the hydrogen gas sensor according to the present invention may be configured such that the hydrogen gas detection unit calculates the rate of change of the electrical resistance according to the concentration of the hydrogen gas, and estimates the concentration of the hydrogen gas based on the rate of change.

この構成により、本発明に係る水素ガスセンサは、真空容器における水素ガスの濃度変化に対するグラフェン素子の電気抵抗の変化率に基づいて、水素ガスの濃度を推定することができる。 With this configuration, the hydrogen gas sensor according to the present invention can estimate the hydrogen gas concentration based on the rate of change in the electrical resistance of the graphene element in response to a change in the hydrogen gas concentration in a vacuum vessel.

また、本発明に係る製造方法は、上記のいずれかに記載された前記水素ガスセンサを製造する製造方法であって、水素プラズマエッチングにより前記グラフェン素子の前記ジグザグ端を形成する構成である。 Furthermore, the manufacturing method according to the present invention is a manufacturing method for producing the hydrogen gas sensor described in any of the above, wherein the zigzag edge of the graphene element is formed by hydrogen plasma etching.

この構成により、本発明に係る製造方法は、水素プラズマエッチングによりグラフェン素子のジグザグ端を形成することにより、1ppmに迫る高感度な水素ガスの検出を室温で行うことができる水素ガスセンサを製造することができる。 This configuration allows the manufacturing method according to the present invention to produce a hydrogen gas sensor capable of detecting hydrogen gas with high sensitivity approaching 1 ppm at room temperature by forming a zigzag edge of a graphene element by hydrogen plasma etching.

本発明は、小型かつ室温で動作する高感度な水素ガスセンサ素子を備えた水素ガスセンサ及びその製造方法を提供するものである。 This invention provides a hydrogen gas sensor equipped with a compact, highly sensitive hydrogen gas sensor element that operates at room temperature, and a method for manufacturing the same.

グラフェンの端構造を説明する図である。This is a diagram illustrating the end structure of graphene. (a)はグラフェンのディラック・コーンと電気抵抗のゲート電圧依存性を示す模式図であり、(b)はグラフェンのジグザグ端近傍とバルクのグラフェンの電子状態密度を示すグラフである。(a) is a schematic diagram showing the gate voltage dependence of the Dirac cone and electrical resistance of graphene, and (b) is a graph showing the density of electronic states near the zigzag edge of graphene and of bulk graphene. ジグザグ端で終端されたナノスケールのグラフェン素子の構造例を示す図であり、(a)はジグザグ・グラフェン・ナノリボンのアレイを示しており、(b)はジグザグ・グラフェン・ナノメッシュを示しており、(c)はジグザグ・グラフェン・ナノスネークを示している。This figure shows examples of structures of nanoscale graphene elements terminated with zigzag ends: (a) shows an array of zigzag graphene nanoribbons, (b) shows a zigzag graphene nanomesh, and (c) shows a zigzag graphene nanosnake. 本発明の実施形態に係る水素ガスセンサが備えるPd修飾グラフェン素子を製造する方法を説明する図(その1)である。This is a diagram (part 1) illustrating a method for manufacturing a Pd-modified graphene element included in a hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る水素ガスセンサが備えるPd修飾グラフェン素子を製造する方法を説明する図(その2)である。This is a diagram (part 2) illustrating a method for manufacturing a Pd-modified graphene element included in a hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る水素ガスセンサが備えるPd修飾グラフェン素子を説明する図である。This figure illustrates a Pd-modified graphene element included in a hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention. Pd修飾グラフェン素子の電気抵抗を水素ガスの濃度を変えて測定した結果を示すグラフである。This graph shows the results of measuring the electrical resistance of a Pd-modified graphene element while varying the hydrogen gas concentration. Pd修飾グラフェン素子の電気抵抗のゲート電圧依存性を真空中と18ppmの濃度の水素ガス中で測定した結果を示すグラフである。This graph shows the gate voltage dependence of the electrical resistance of a Pd-modified graphene element, measured in a vacuum and in hydrogen gas at a concentration of 18 ppm. 本発明の実施形態に係る水素ガスセンサの構成を示す模式図である。This is a schematic diagram showing the configuration of a hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention.

以下、本発明に係る水素ガスセンサ及びその製造方法の実施形態について、図面を用いて説明する。 The following describes embodiments of the hydrogen gas sensor and its manufacturing method according to the present invention, with reference to the drawings.

本実施形態に係る水素ガスセンサは、パラジウム(Pd)のナノ粒子が蒸着されたナノスケールのグラフェン素子(以下、「Pd修飾グラフェン素子」とも呼ぶ)を水素ガスセンサ素子として用いて、水素ガスを検出するものである。 The hydrogen gas sensor according to this embodiment detects hydrogen gas by using a nanoscale graphene element (hereinafter also referred to as a "Pd-modified graphene element") on which palladium (Pd) nanoparticles have been deposited as a hydrogen gas sensor element.

図1は、グラフェンの端構造を説明する図である。グラフェンは、そのハニカム構造を反映して、ジグザグ端(図1左側)、アームチェア端(図1右側)、又はこれらが規則的あるいはランダムに混在した端構造を有する。そして、グラフェンの特性は、この端構造に影響される。特にナノリボンのように端構造が全体に占める割合が大きくなった場合にこの影響が顕著になる。 Figure 1 illustrates the end structure of graphene. Reflecting its honeycomb structure, graphene has end structures such as zigzag ends (left side of Figure 1), armchair ends (right side of Figure 1), or a mixture of these in a regular or random pattern. The properties of graphene are influenced by this end structure. This influence becomes particularly pronounced when the end structure occupies a large proportion of the whole, as in nanoribbons.

図2(a)に示すように、グラフェンは、ディラック点と呼ばれる電荷中性点で交わる線形なエネルギー分散(ディラック・コーン)を持っており、ゲート電圧による電界効果でフェルミ・エネルギー(E)を制御することで伝導度を大きく操作することができる。ディラック点では電子状態密度がゼロになるため、Eがディラック点近傍にあるときには電気抵抗は大きくなる。 As shown in Figure 2(a), graphene has a linear energy dispersion (Dirac cone) that intersects at a charge neutral point called the Dirac point, and its conductivity can be greatly manipulated by controlling the Fermi energy ( E₀F₀ ) through the field effect of the gate voltage. Since the density of electronic states is zero at the Dirac point, the electrical resistance is large when E₀F₀ is near the Dirac point.

アームチェア端では、ハニカム格子を構成する2つの等価な副格子であるA副格子とB副格子の対称性が保存されているのに対して、ジグザグ端近傍では対称性が破れている。このことに起因して、アームチェア端ではバルクのグラフェンと本質的に同等な電子状態が現れるのに対して、ジグザグ端では端に局在した電子状態(ジグザグ端状態)が現れる。 At the armchair ends, the symmetry between the two equivalent sublattices constituting the honeycomb lattice, sublattices A and B, is preserved, whereas near the zigzag ends, the symmetry is broken. As a result, at the armchair ends, electronic states essentially equivalent to those of bulk graphene appear, while at the zigzag ends, electronic states localized to the edge (zigzag edge states) appear.

図2(b)は、グラフェンのジグザグ端近傍と、バルクのグラフェンの電子状態密度を示すグラフである(Tomohiro Matsui, Hideki Sato, Kazuma Kita, Andre E. B. Amend, and Hiroshi Fukuyama, "Hexagonal Nanopits with the Zigzag Edge State on Graphite Surfaces Synthesized by Hydrogen-Plasma Etching," The Journal of Physical Chemistry C 2019, Volume 123, Issue 36 Pages 22665-22673のFigure 6bを一部改変)。ジグザグ端近傍では、Eに対応する0meV付近に、ジグザグ端状態を明瞭に示すピーク構造が現れている。 Figure 2(b) is a graph showing the density of electronic states near the zigzag edge of graphene and of bulk graphene (partially modified from Figure 6b in Tomohiro Matsui, Hideki Sato, Kazuma Kita, Andre EB Amend, and Hiroshi Fukuyama, "Hexagonal Nanopits with the Zigzag Edge State on Graphite Surfaces Synthesized by Hydrogen-Plasma Etching," The Journal of Physical Chemistry C 2019, Volume 123, Issue 36 Pages 22665-22673). Near the zigzag edge, a peak structure clearly indicating the zigzag edge state appears around 0 meV, corresponding to E F.

図3(a)~(c)は、ジグザグ端で終端されたナノスケールのグラフェン素子の構造例を示す図である。 Figures 3(a) to 3(c) show examples of nanoscale graphene element structures terminated with zigzag ends.

図3(a)の左側の図は、ジグザグ端を有するナノスケールのリボン状グラフェンであるジグザグ・グラフェン・ナノリボン(zGNR)のアレイ(zGNRA)を示している。図3(a)の中央の図は、約10nm大のPdのナノ粒子がzGNRAの表面全体に付着している様子を示している。図3(a)の右側の図は、中央の図の四角で囲まれた領域の拡大図であって、Pdのナノ粒子がジグザグ端に選択的に付着している様子を示している。 The left-hand image in Figure 3(a) shows an array of zigzag graphene nanoribbons (zGNRA), which are nanoscale ribbon-shaped graphene with zigzag edges. The center image in Figure 3(a) shows approximately 10 nm-sized Pd nanoparticles attached to the entire surface of the zGNRA. The right-hand image in Figure 3(a) is a magnified view of the area enclosed by the rectangle in the center image, showing the selective attachment of Pd nanoparticles to the zigzag edges.

図3(b)は、zGNRのネットワーク構造であるジグザグ・グラフェン・ナノメッシュ(zGNM)を示している。図3(c)は、zGNRが蛇行した構造であるジグザグ・グラフェン・ナノスネーク(zGNS)を示している。 Figure 3(b) shows the zigzag graphene nanomesh (zGNM), which is the network structure of zGNRs. Figure 3(c) shows the zigzag graphene nanosnake (zGNS), which is a meandering structure of zGNRs.

以下、図4~図6を参照しながら、本実施形態の水素ガスセンサが備えるPd修飾グラフェン素子30の製造方法を、zGNRAを有するPd修飾zGNRA素子を例に挙げて説明する。 The manufacturing method of the Pd-modified graphene element 30 of the hydrogen gas sensor of this embodiment will be described below with reference to Figures 4 to 6, using a Pd-modified zGNRA element having zGNRA as an example.

まず、表面に酸化膜11が形成された導電性基板12の上に任意の厚さのグラフェン薄膜13を形成する(ステップi)。 First, a graphene thin film 13 of any thickness is formed on a conductive substrate 12 on which an oxide film 11 has been formed on its surface (step i).

ここで、導電性基板12は、シリコン(Si)等の半導体、あるいは金属である。酸化膜11は、当該半導体の酸化膜(例えば、SiO)や当該金属の酸化膜である。グラフェン薄膜13は、例えば、へき開グラフェンを利用することができる。 Here, the conductive substrate 12 is a semiconductor such as silicon (Si) or a metal. The oxide film 11 is an oxide film of the semiconductor (for example, SiO₂ ) or an oxide film of the metal. For the graphene thin film 13, for example, cleaved graphene can be used.

次に、グラフェン薄膜13を含む酸化膜11上にレジスト膜15aを塗布する(ステップii)。 Next, a resist film 15a is applied onto the oxide film 11 containing the graphene thin film 13 (step ii).

次に、レジスト膜15aの所望位置に直線状のスリット14を形成して、グラフェン薄膜13の上にレジストマスク15を形成する(ステップiii)。 Next, a linear slit 14 is formed at a desired position in the resist film 15a to form a resist mask 15 on the graphene thin film 13 (step iii).

より詳細には、導電性基板12の、レジスト膜15aが塗布された側に光又は電子ビームを照射してレジスト膜15aを感光させ、直線状のスリット14を形成する。スリット14が形成されたレジスト膜15aがレジストマスク15となる。スリット14の長さや幅は、製造するGNRAの仕様(長さ、幅)に応じて適宜調整することができる。 More specifically, the side of the conductive substrate 12 coated with the resist film 15a is irradiated with light or an electron beam to expose the resist film 15a, thereby forming a linear slit 14. The resist film 15a with the slit 14 formed becomes the resist mask 15. The length and width of the slit 14 can be adjusted as appropriate according to the specifications (length, width) of the GNRA being manufactured.

次に、レジストマスク15のスリット14を介し、グラフェン薄膜13から酸化膜11までを深さ方向にエッチングする(ステップiv)。 Next, the graphene thin film 13 is etched in the depth direction through the slit 14 of the resist mask 15 to the oxide film 11 (step iv).

このエッチングは、CHFプラズマエッチングで行う。エッチング後、酸化膜11に深さ方向に溝16が形成される。溝16の深さは任意である。図4では、溝16の深さは、酸化膜11の厚さの中ほどに達する深さであるが、導電性基板12に達する深さでもよい。 This etching is performed using CHF3 plasma etching. After etching, grooves 16 are formed in the oxide film 11 in the depth direction. The depth of the grooves 16 is arbitrary. In Figure 4, the depth of the grooves 16 reaches about halfway through the thickness of the oxide film 11, but it may also reach the conductive substrate 12.

次に、レジストマスク15を剥離する(ステップv)。 Next, the resist mask 15 is removed (step v).

次に、溝16を核としてグラフェン薄膜13を導電性基板12の面方向にエッチング(異方性エッチング)する(ステップvi)。 Next, the graphene thin film 13 is etched in the plane direction of the conductive substrate 12 using the groove 16 as a nucleus (anisotropic etching) (step vi).

このエッチングは水素プラズマエッチングで行う。本エッチングにより、グラフェン薄膜13が溝16を核として等角六角形状にエッチングされていく。 This etching is performed using hydrogen plasma etching. Through this etching process, the graphene thin film 13 is etched into equiangular hexagonal shapes using the grooves 16 as nuclei.

エッチングされた等角六角形間にあるグラフェン薄膜13がGNRとなるので、当該等角六角形の間にあるグラフェン薄膜13が所望の幅となったところでエッチングを終了する。このような水素プラズマエッチングにより形成されたGNRは、ジグザグ端で終端された構造となる。 The graphene thin film 13 between the etched equiangular hexagons becomes the GNR (Ground Number Resonance). Etching is terminated when the graphene thin film 13 between the equiangular hexagons reaches the desired width. The GNR formed by this hydrogen plasma etching has a structure terminated at a zigzag edge.

次に、グラフェン薄膜13を、任意部分のGNRだけ残して全てエッチングで除去する(ステップvii)。このステップvii終了後、zGNRA20が完成する。 Next, the graphene thin film 13 is completely removed by etching, leaving only the GNR in the desired areas (step vii). After step vii is completed, the zGNRA 20 is finished.

次に、図6に模式的に示すように、zGNRA20の両端に電極22,23を形成する。 Next, electrodes 22 and 23 are formed at both ends of zGNRA20, as schematically shown in Figure 6.

次に、zGNRA20上に、およそ1nm厚のPd膜を真空蒸着する。Pd膜の真空蒸着は、5×10-4Pa以下の圧力で開始する。これにより、図6に模式的に示すように、10nm強の大きさのPdのナノ粒子21がzGNRA20上に付着し、Pd修飾zGNRA素子が完成する。 Next, a Pd film approximately 1 nm thick is vacuum-deposited onto the zGNRA 20. The vacuum deposition of the Pd film is started at a pressure of 5 × 10⁻⁴ Pa or less. As a result, Pd nanoparticles 21, slightly larger than 10 nm in size, are deposited onto the zGNRA 20, as schematically shown in Figure 6, completing the Pd-modified zGNRA element.

上記の説明では、zGNRA20の両端に電極22,23を形成してから、zGNRA20上にPd膜を真空蒸着するとしたが、この順序は逆でもよい。すなわち、ステップvii終了後に、zGNRA20上にPd膜を真空蒸着してから、zGNRA20の両端に電極22,23を形成してもよい。 In the above explanation, electrodes 22 and 23 are formed on both ends of zGNRA 20, and then the Pd film is vacuum-deposited onto zGNRA 20. However, this order can be reversed. That is, after step viii is completed, the Pd film may be vacuum-deposited onto zGNRA 20, and then electrodes 22 and 23 may be formed on both ends of zGNRA 20.

Pd修飾グラフェン素子30として、例えば、zGNM又はzGNSの構造を有する素子を作製する際には、ステップiiiにおいて、直線状のスリット14に代えて、丸い孔、又は、互い違いに並列するスリットをレジスト膜15aに形成すればよい。 When fabricating a Pd-modified graphene element 30, for example, an element having a zGNM or zGNS structure, in step iii, instead of the linear slit 14, a round hole or alternating parallel slits may be formed in the resist film 15a.

すなわち、図6に示すように、Pd修飾グラフェン素子30は、導電性基板12と、導電性基板12の表面に形成された酸化膜11と、酸化膜11の表面に形成されて、ジグザグ端で終端されたグラフェン薄膜13と、グラフェン薄膜13の表面に蒸着されたPdのナノ粒子21と、を有する。導電性基板12には、必要に応じてゲート電圧Vgが印加されるようになっている。 Specifically, as shown in Figure 6, the Pd-modified graphene element 30 comprises a conductive substrate 12, an oxide film 11 formed on the surface of the conductive substrate 12, a graphene thin film 13 formed on the surface of the oxide film 11 and terminated with a zigzag edge, and Pd nanoparticles 21 deposited on the surface of the graphene thin film 13. A gate voltage Vg is applied to the conductive substrate 12 as needed.

図7は、真空引きされた真空容器の内部に設置されたPd修飾グラフェン素子30の電気抵抗を、真空容器に導入する水素ガスの濃度を変えて測定した結果を示すグラフである。 Figure 7 is a graph showing the results of measuring the electrical resistance of a Pd-modified graphene element 30 installed inside a vacuum-filled container, while varying the concentration of hydrogen gas introduced into the vacuum container.

電気抵抗測定は、図6に示すような測定系を用いて、ゲート電圧Vgを0Vとして電極22,23間で行った。測定に使用したPd修飾グラフェン素子30は、2ないし3層グラフェンで、幅が約240nmのリボンが12本並列したPd修飾zGNRA素子である。 Electrical resistance measurements were performed between electrodes 22 and 23 using the measurement system shown in Figure 6, with the gate voltage Vg set to 0V. The Pd-modified graphene element 30 used for the measurement was a 2- or 3-layer graphene Pd-modified zGNRA element consisting of 12 ribbons with a width of approximately 240 nm arranged in parallel.

この測定は、Pd修飾グラフェン素子30が設置された真空引きされた真空容器内に水素ガスを導入した後に、真空容器から水素ガスを排気するという処理を繰り返しながら行っている。具体的には、0秒から300秒の300秒間に約18ppmの水素ガス、500秒から800秒の300秒間に約10ppmの水素ガス、1000秒から1300秒の300秒間に約2ppmの水素ガスを、真空容器内に導入している。なお、本明細書において、水素濃度(ppm)は、大気圧を基準としている。 This measurement is performed by repeatedly introducing hydrogen gas into a vacuum chamber containing a Pd-modified graphene element 30, followed by exhausting the hydrogen gas from the vacuum chamber. Specifically, approximately 18 ppm of hydrogen gas is introduced into the vacuum chamber during the 300-second period from 0 to 300 seconds, approximately 10 ppm of hydrogen gas during the 300-second period from 500 to 800 seconds, and approximately 2 ppm of hydrogen gas during the 300-second period from 1000 to 1300 seconds. In this specification, the hydrogen concentration (ppm) is based on atmospheric pressure.

図7のグラフは、3回の水素ガスの導入の開始時間(0秒、500秒、1000秒)におけるPd修飾グラフェン素子30の電気抵抗Rsをそれぞれ基準とした、Pd修飾グラフェン素子30の電気抵抗Rの変化率{(R-Rs)/Rs}×100(%)を示している。 The graph in Figure 7 shows the rate of change of the electrical resistance R of the Pd-modified graphene element 30 {(R - Rs) / Rs} × 100 (%), with the electrical resistance Rs of the Pd-modified graphene element 30 as the reference value, at the start times of three hydrogen gas introduction cycles (0 seconds, 500 seconds, and 1000 seconds).

この測定結果から、Pd修飾グラフェン素子30の電気抵抗Rは、Pd修飾グラフェン素子30が水素ガスに曝されることによって下がることが分かった。これは、水素ガスによって電気抵抗が上がる非特許文献1に開示された水素ガスセンサ素子とは逆の振る舞いである。なお、非特許文献1の水素ガスセンサ素子は大気圧中で測定しているのに対して、本実施形態のPd修飾グラフェン素子30は真空中で測定している点が異なる。したがって、この振る舞いの違いは、大気圧中では酸素や窒素など水素以外のガスが存在しているが、真空中では水素ガスのみが存在することによるものであると考えられる。 From these measurement results, it was found that the electrical resistance R of the Pd-modified graphene element 30 decreases when the Pd-modified graphene element 30 is exposed to hydrogen gas. This is the opposite behavior to the hydrogen gas sensor element disclosed in Non-Patent Document 1, where the electrical resistance increases when exposed to hydrogen gas. Note that the hydrogen gas sensor element in Non-Patent Document 1 is measured under atmospheric pressure, whereas the Pd-modified graphene element 30 in this embodiment is measured under vacuum. Therefore, this difference in behavior is thought to be due to the presence of gases other than hydrogen, such as oxygen and nitrogen, under atmospheric pressure, while only hydrogen gas is present under vacuum.

また、Pd修飾グラフェン素子30の電気抵抗Rの変化率は、Pd修飾グラフェン素子30が水素ガスに曝される時間が一定である場合には、水素濃度と線形関係にあることが分かった。 Furthermore, it was found that the rate of change of the electrical resistance R of the Pd-modified graphene element 30 is linearly related to the hydrogen concentration when the exposure time of the Pd-modified graphene element 30 to hydrogen gas is constant.

また、非特許文献1に開示されたような従来の水素ガスセンサ素子は、水素濃度を数100ppm程度までしか検出することができないのに対して、本実施形態のPd修飾グラフェン素子30は、上記のような真空中での測定であれば、1ppmに迫る水素濃度の検出が可能である。 Furthermore, while conventional hydrogen gas sensor elements, such as those disclosed in Non-Patent Document 1, can only detect hydrogen concentrations down to several hundred ppm, the Pd-modified graphene element 30 of this embodiment can detect hydrogen concentrations approaching 1 ppm when measured in a vacuum as described above.

図8は、図7に示した測定に用いたものと同様のPd修飾グラフェン素子30の電気抵抗のゲート電圧依存性を、真空中と18ppmの濃度の水素ガス中で測定した結果を示すグラフである。ここでの真空は、10-3Paである。 Figure 8 is a graph showing the gate voltage dependence of the electrical resistance of a Pd-modified graphene element 30, similar to the one used in the measurement shown in Figure 7, measured in vacuum and in hydrogen gas at a concentration of 18 ppm. The vacuum pressure here is 10⁻³ Pa.

図8の測定結果によれば、18ppmの水素ガス中での電気抵抗のピーク値を与えるゲート電圧が、真空中での電気抵抗のピーク値を与えるゲート電圧よりも高くなっていることから、水素ガスによってPd修飾グラフェン素子30のグラフェン薄膜13がホールドープされていることが分かる。これは、水素ガスによってグラフェンに電子がドープされると考えられている非特許文献1の水素ガスセンサ素子とは異なる振る舞いである。 According to the measurement results in Figure 8, the gate voltage that yields the peak electrical resistance in 18 ppm hydrogen gas is higher than the gate voltage that yields the peak electrical resistance in vacuum. This indicates that the graphene thin film 13 of the Pd-modified graphene element 30 is held-doped by the hydrogen gas. This behavior differs from the hydrogen gas sensor element described in Non-Patent Document 1, where it is believed that the graphene is doped with electrons by the hydrogen gas.

さらに、18ppmの水素ガス中での電気抵抗のピーク値は、真空中での電気抵抗のゲート電圧依存性のピーク値よりも低くなっている。 Furthermore, the peak electrical resistance value in 18 ppm hydrogen gas is lower than the peak value of the gate voltage dependence of electrical resistance in a vacuum.

つまり、Pd修飾グラフェン素子30は、水素ガスに曝されることで、グラフェン薄膜13がホールドープされるとともに、電気抵抗のゲート電圧依存性のピーク値が低下するため、真空中よりも電気抵抗が低下する。 In other words, when the Pd-modified graphene element 30 is exposed to hydrogen gas, the graphene thin film 13 is held-doped, and the peak value of the gate voltage dependence of the electrical resistance decreases, resulting in a lower electrical resistance compared to when it is in a vacuum.

さらに、導電性基板12に印加するゲート電圧を変化させてもよい。例えば、ゲート電圧が20Vのとき、真空中と18ppmの水素ガス中とでのPd修飾グラフェン素子30の電気抵抗の差は、約0.015kΩである。一方、ゲート電圧が0Vのとき、真空中と18ppmの水素ガス中とでのPd修飾グラフェン素子30の電気抵抗の差は、約0.03kΩである。 Furthermore, the gate voltage applied to the conductive substrate 12 may be varied. For example, when the gate voltage is 20V, the difference in electrical resistance of the Pd-modified graphene element 30 between a vacuum and 18 ppm hydrogen gas is approximately 0.015 kΩ. On the other hand, when the gate voltage is 0V, the difference in electrical resistance of the Pd-modified graphene element 30 between a vacuum and 18 ppm hydrogen gas is approximately 0.03 kΩ.

したがって、ゲート電圧が0~25Vの範囲では、ゲート電圧を電気抵抗の差が大きく出る0Vに設定することが電気抵抗測定の精度の面で望ましく、ゲート電圧を負の値にして更に電気抵抗測定の精度を上げてもよい。 Therefore, in the gate voltage range of 0 to 25V, setting the gate voltage to 0V, where the difference in electrical resistance is large, is desirable in terms of the accuracy of electrical resistance measurement. Furthermore, setting the gate voltage to a negative value may further improve the accuracy of electrical resistance measurement.

さらに、ゲート電圧を変化させることで、水素ガスの有無を検出する際の感度を変更することもできる。 Furthermore, by changing the gate voltage, the sensitivity for detecting the presence or absence of hydrogen gas can also be altered.

例えば、0.015kΩを電気抵抗の差の閾値とするときは、以下のようになる。ゲート電圧が20Vであり、電気抵抗の差が0.015kΩ以上のときには、濃度が18ppm以上の水素ガスの有無を検出できる。ゲート電圧が20Vよりも低く、電気抵抗の差が0.015kΩ以上のときには、18ppmよりも低い所定濃度以上の水素ガスの有無を検出できる。逆に、ゲート電圧が20Vよりも高く、電気抵抗の差が0.015kΩ以上のときには、18ppmよりも高い所定濃度以上の水素ガスの有無を検出できる。 For example, when the threshold for the difference in electrical resistance is 0.015 kΩ, the following can be observed: When the gate voltage is 20 V and the difference in electrical resistance is 0.015 kΩ or greater, the presence or absence of hydrogen gas at a concentration of 18 ppm or greater can be detected. When the gate voltage is lower than 20 V and the difference in electrical resistance is 0.015 kΩ or greater, the presence or absence of hydrogen gas at a predetermined concentration lower than 18 ppm can be detected. Conversely, when the gate voltage is higher than 20 V and the difference in electrical resistance is 0.015 kΩ or greater, the presence or absence of hydrogen gas at a predetermined concentration higher than 18 ppm can be detected.

以下、本実施形態の水素ガスセンサ50の具体的な構成の一例について説明する。 The following describes a specific example of the configuration of the hydrogen gas sensor 50 in this embodiment.

図9に示すように、水素ガスセンサ50は、例えば、可変リークバルブV1と、第1真空ポンプ52と、第2真空ポンプ53と、Pd修飾グラフェン素子30が内部に設置された真空容器56と、操作部57と、表示部58と、制御部60と、を主に備えている。 As shown in Figure 9, the hydrogen gas sensor 50 mainly comprises, for example, a variable leak valve V1, a first vacuum pump 52, a second vacuum pump 53, a vacuum vessel 56 in which a Pd-modified graphene element 30 is installed, an operating unit 57, a display unit 58, and a control unit 60.

真空容器56は、バルブV2と第2真空ポンプ53を介して第1真空ポンプ52に配管接続されている。 The vacuum chamber 56 is connected to the first vacuum pump 52 via piping through valve V2 and the second vacuum pump 53.

第1真空ポンプ52は、第2真空ポンプ53の排気口側に接続される。第1真空ポンプ52は、例えば、ドライポンプ、ロータリーポンプ、又はメンブレンポンプである。第2真空ポンプ53は、例えば、ターボ分子ポンプである。 The first vacuum pump 52 is connected to the exhaust port side of the second vacuum pump 53. The first vacuum pump 52 is, for example, a dry pump, a rotary pump, or a membrane pump. The second vacuum pump 53 is, for example, a turbomolecular pump.

可変リークバルブV1は、真空容器56の吸気口側に取り付けられている。可変リークバルブV1を介して、水素ガスが含まれている可能性がある試験気体が真空容器56に吸引されるようになっている。試験気体は、例えば、任意の配管や容器に存在する気体、又は外気である。 The variable leak valve V1 is installed on the intake side of the vacuum chamber 56. A test gas, potentially containing hydrogen gas, is drawn into the vacuum chamber 56 via the variable leak valve V1. The test gas is, for example, a gas present in any piping or container, or ambient air.

さらに、真空容器56には、ベントバルブV3が設けられており、水素ガス検出の終了時に必要に応じて、ベントバルブV3を介して窒素ガスなどを真空容器56内に導入できるようになっている。 Furthermore, the vacuum chamber 56 is equipped with a vent valve V3, allowing nitrogen gas or other gases to be introduced into the vacuum chamber 56 via the vent valve V3 as needed when hydrogen gas detection is complete.

また、第1真空ポンプ52には、ベントバルブV4が設けられており、第1真空ポンプ52の運転終了時にベントバルブV4を介して、空気や窒素ガスなどを第1真空ポンプ52内に導入できるようになっている。 Furthermore, the first vacuum pump 52 is equipped with a vent valve V4, allowing air, nitrogen gas, or other substances to be introduced into the first vacuum pump 52 via the vent valve V4 when the operation of the first vacuum pump 52 has ended.

なお、各バルブV1~V4の開閉状態は、ユーザによる操作部57への操作入力に応じて、制御部60により制御される。また、真空ポンプやバルブの数は、図9に示す態様に限らず、装置構成に応じて適宜変更可能である。 The open/closed states of each valve V1 to V4 are controlled by the control unit 60 in response to user input to the operation unit 57. Furthermore, the number of vacuum pumps and valves is not limited to the configuration shown in Figure 9 and can be appropriately changed depending on the device configuration.

制御部60は、電気抵抗測定部61と、水素ガス検出部62と、を含む。 The control unit 60 includes an electrical resistance measuring unit 61 and a hydrogen gas detection unit 62.

電気抵抗測定部61は、Pd修飾グラフェン素子30の電気抵抗を測定するようになっている。例えば、電気抵抗測定部61は、図6に示すように、所定のゲート電圧が導電性基板12に印加された状態で、電極22,23間の直流電気抵抗を測定するようになっている。 The electrical resistance measurement unit 61 is configured to measure the electrical resistance of the Pd-modified graphene element 30. For example, as shown in Figure 6, the electrical resistance measurement unit 61 measures the DC electrical resistance between electrodes 22 and 23 when a predetermined gate voltage is applied to the conductive substrate 12.

以下、本実施形態の水素ガスセンサ50を用いた水素ガス検出の手順の一例を説明する。 The following describes an example of a procedure for detecting hydrogen gas using the hydrogen gas sensor 50 of this embodiment.

まず、可変リークバルブV1、ベントバルブV3、V4を閉じるとともに、バルブV2を開いて、真空容器56内を第2真空ポンプ53及び第1真空ポンプ52の直列構成で所定の圧力以下になるまで真空排気する。ここで、「所定の圧力」は、例えば、大気中の水素の分圧よりも低い0.01Pa以下であることが望ましい。 First, the variable leak valve V1, vent valves V3 and V4 are closed, and valve V2 is opened to evacuate the vacuum chamber 56 using the second vacuum pump 53 and the first vacuum pump 52 in series until the pressure falls below a predetermined level. Here, the "predetermined pressure" is preferably, for example, 0.01 Pa or less, which is lower than the partial pressure of hydrogen in the atmosphere.

次に、電気抵抗測定部61は、Pd修飾グラフェン素子30の真空中での電気抵抗Rvを測定する。 Next, the electrical resistance measurement unit 61 measures the electrical resistance Rv of the Pd-modified graphene element 30 in a vacuum.

次に、可変リークバルブV1を開いて、試験気体を真空容器56に所定量吸引して、真空容器56におけるPd修飾グラフェン素子30による水素ガス検出を開始する。このとき、可変リークバルブV1の開き具合は、真空容器56に取り付けられた真空計Pの圧力に応じて、自動的に調整されてもよい。 Next, the variable leak valve V1 is opened to draw a predetermined amount of test gas into the vacuum chamber 56, and hydrogen gas detection by the Pd-modified graphene element 30 in the vacuum chamber 56 is started. At this time, the degree to which the variable leak valve V1 is opened may be automatically adjusted according to the pressure of the vacuum gauge P attached to the vacuum chamber 56.

すなわち、可変リークバルブV1、第1真空ポンプ52、及び第2真空ポンプ53は、真空引きされた真空容器56に水素ガスを選択的に導入する水素ガス導入部を構成する。 In other words, the variable leak valve V1, the first vacuum pump 52, and the second vacuum pump 53 constitute a hydrogen gas introduction unit that selectively introduces hydrogen gas into the evacuated vacuum vessel 56.

次に、水素ガス検出部62は、電気抵抗測定部61により測定されたPd修飾グラフェン素子30の電気抵抗Rに基づいて、水素ガス導入部により真空容器56に導入された水素ガスを検出する。 Next, the hydrogen gas detection unit 62 detects the hydrogen gas introduced into the vacuum container 56 by the hydrogen gas introduction unit, based on the electrical resistance R of the Pd-modified graphene element 30 measured by the electrical resistance measurement unit 61.

すなわち、電気抵抗測定部61は、例えば、所定の圧力以下の真空中でのPd修飾グラフェン素子30の電気抵抗Rvと、所定の圧力以下に真空引きされた真空容器56に水素ガス導入部により水素ガスが導入されたときのPd修飾グラフェン素子30の電気抵抗Rと、を測定するようになっている。 In other words, the electrical resistance measuring unit 61 measures, for example, the electrical resistance Rv of the Pd-modified graphene element 30 in a vacuum below a predetermined pressure, and the electrical resistance R of the Pd-modified graphene element 30 when hydrogen gas is introduced into a vacuum container 56 that has been evacuated to below a predetermined pressure via the hydrogen gas introduction unit.

例えば、水素ガス検出部62は、電気抵抗Rvと電気抵抗Rとの差が所定の閾値を超えたときに、その所定の閾値に応じた濃度よりも高い濃度の水素ガスを検出したと判断する。水素ガス検出部62は、既に述べたように、導電性基板12に印加されるゲート電圧を変化させることによって、所定の閾値に応じた濃度を変化させることができる。 For example, the hydrogen gas detection unit 62 determines that it has detected a concentration of hydrogen gas higher than the concentration corresponding to a predetermined threshold when the difference between the electrical resistance Rv and the electrical resistance R exceeds a predetermined threshold. As already mentioned, the hydrogen gas detection unit 62 can change the concentration corresponding to the predetermined threshold by changing the gate voltage applied to the conductive substrate 12.

既に述べたように、Pd修飾グラフェン素子30の電気抵抗の変化率は、水素ガスの濃度と線形関係にある。このため、水素ガス検出部62は、電気抵抗Rvを基準とした電気抵抗Rの変化率{(R-Rv)/Rv}×100(%)を算出し、算出した電気抵抗の変化率に応じた水素濃度を推定するようになっていてもよい。 As already mentioned, the rate of change in the electrical resistance of the Pd-modified graphene element 30 is linearly related to the hydrogen gas concentration. Therefore, the hydrogen gas detection unit 62 may calculate the rate of change of the electrical resistance R, based on the electrical resistance Rv, as {(R - Rv) / Rv} × 100 (%), and estimate the hydrogen concentration corresponding to the calculated rate of change in electrical resistance.

表示部58は、水素ガス検出部62による検出結果、すなわち、所定濃度よりも高い濃度の水素ガスの有無、あるいは、水素濃度の推定値を表示するようになっている。 The display unit 58 displays the detection result from the hydrogen gas detection unit 62, that is, the presence or absence of hydrogen gas at a concentration higher than a predetermined concentration, or an estimated value of the hydrogen concentration.

以上説明したように、本実施形態に係る水素ガスセンサ50は、ジグザグ端で終端され、Pdのナノ粒子21が表面に蒸着されたグラフェン薄膜13を備えるPd修飾グラフェン素子30が、真空引きされた真空容器56の内部に設置された構成である。 As described above, the hydrogen gas sensor 50 according to this embodiment has a configuration in which a Pd-modified graphene element 30, which comprises a graphene thin film 13 terminated at a zigzag end and on which Pd nanoparticles 21 are deposited on the surface, is installed inside a vacuum-sealed vacuum container 56.

これにより、本実施形態に係る水素ガスセンサ50は、小型かつ室温で動作するPd修飾グラフェン素子30を用いて、1ppmに迫る高感度な水素ガスの検出を行うことができる。 As a result, the hydrogen gas sensor 50 according to this embodiment can detect hydrogen gas with high sensitivity approaching 1 ppm using a compact, room-temperature operating Pd-modified graphene element 30.

また、本実施形態に係る水素ガスセンサ50は、真空中でのPd修飾グラフェン素子30の電気抵抗Rvと、真空容器56に水素ガスが導入されたときのPd修飾グラフェン素子30の電気抵抗Rとの差に基づいて、所定濃度よりも高い濃度の水素ガスを検出することができる。 Furthermore, the hydrogen gas sensor 50 according to this embodiment can detect hydrogen gas concentrations higher than a predetermined concentration based on the difference between the electrical resistance Rv of the Pd-modified graphene element 30 in a vacuum and the electrical resistance R of the Pd-modified graphene element 30 when hydrogen gas is introduced into the vacuum container 56.

また、本実施形態に係る水素ガスセンサ50は、Pd修飾グラフェン素子30の導電性基板12に印加するゲート電圧を変化させることによって、水素ガスの有無を検出する際の感度を変化させることができる。 Furthermore, the hydrogen gas sensor 50 according to this embodiment can change its sensitivity for detecting the presence or absence of hydrogen gas by changing the gate voltage applied to the conductive substrate 12 of the Pd-modified graphene element 30.

また、本実施形態に係る水素ガスセンサ50は、真空容器56における水素ガスの濃度変化に対するPd修飾グラフェン素子30の電気抵抗Rの変化率に基づいて、水素ガスの濃度を推定することができる。 Furthermore, the hydrogen gas sensor 50 according to this embodiment can estimate the hydrogen gas concentration based on the rate of change of the electrical resistance R of the Pd-modified graphene element 30 in response to a change in the hydrogen gas concentration in the vacuum container 56.

また、本実施形態に係る製造方法は、水素プラズマエッチングによりPd修飾グラフェン素子30のジグザグ端を形成することにより、1ppmに迫る高感度な水素ガスの検出を室温で行うことができる水素ガスセンサ50を製造することができる。 Furthermore, the manufacturing method according to this embodiment allows for the production of a hydrogen gas sensor 50 capable of detecting hydrogen gas with high sensitivity approaching 1 ppm at room temperature by forming the zigzag edge of the Pd-modified graphene element 30 by hydrogen plasma etching.

11 酸化膜
12 導電性基板
13 グラフェン薄膜
20 zGNRA
21 ナノ粒子
22,23 電極
30 Pd修飾グラフェン素子(グラフェン素子)
50 水素ガスセンサ
52 第1真空ポンプ
53 第2真空ポンプ
56 真空容器
57 操作部
58 表示部
60 制御部
61 電気抵抗測定部
62 水素ガス検出部
V1 可変リークバルブ
11 Oxide film 12 Conductive substrate 13 Graphene thin film 20 zGNRA
21 Nanoparticles 22, 23 Electrodes 30 Pd-modified graphene element (graphene element)
50 Hydrogen gas sensor 52 First vacuum pump 53 Second vacuum pump 56 Vacuum vessel 57 Operation unit 58 Display unit 60 Control unit 61 Electrical resistance measurement unit 62 Hydrogen gas detection unit V1 Variable leak valve

Claims (5)

水素ガスを検出する水素ガスセンサ(50)であって、
ジグザグ端で終端され、パラジウムのナノ粒子(21)が表面に蒸着されたグラフェン薄膜(13)を備えるグラフェン素子(30)と、
前記グラフェン素子が内部に設置された真空容器(56)と、
真空引きされた前記真空容器に前記水素ガスを選択的に導入する水素ガス導入部(51,52,53,54)と、
前記グラフェン素子の電気抵抗を測定する電気抵抗測定部(61)と、
前記電気抵抗に基づいて、前記水素ガス導入部により前記真空容器に導入された前記水素ガスを検出する水素ガス検出部(62)と、を備える水素ガスセンサ。
A hydrogen gas sensor (50) for detecting hydrogen gas,
A graphene element (30) comprising a graphene thin film (13) terminated at a zigzag end and having palladium nanoparticles (21) deposited on its surface,
A vacuum vessel (56) in which the graphene element is installed inside,
Hydrogen gas introduction units (51, 52, 53, 54) for selectively introducing the hydrogen gas into the vacuum-filled vacuum container,
An electrical resistance measuring unit (61) for measuring the electrical resistance of the graphene element,
A hydrogen gas sensor comprising a hydrogen gas detection unit (62) that detects the hydrogen gas introduced into the vacuum container by the hydrogen gas introduction unit based on the electrical resistance.
前記水素ガス検出部は、真空中での前記グラフェン素子の前記電気抵抗と、前記水素ガス導入部により前記真空容器に前記水素ガスが導入されたときの前記グラフェン素子の前記電気抵抗との差が所定の閾値を超えたときに、前記所定の閾値に応じた濃度よりも高い濃度の水素ガスを検出したと判断することを特徴とする請求項1に記載の水素ガスセンサ。 The hydrogen gas sensor according to claim 1, characterized in that the hydrogen gas detection unit determines that a concentration of hydrogen gas higher than the concentration corresponding to the predetermined threshold has been detected when the difference between the electrical resistance of the graphene element in a vacuum and the electrical resistance of the graphene element when the hydrogen gas is introduced into the vacuum container by the hydrogen gas introduction unit exceeds a predetermined threshold. 前記グラフェン素子は、導電性基板(12)と、前記導電性基板の表面に形成された酸化膜(11)と、を更に有し、前記グラフェン薄膜が前記酸化膜の表面に形成され、
前記水素ガス検出部は、前記導電性基板に印加されるゲート電圧を変化させることによって、前記所定の閾値に応じた濃度を変化させることを特徴とする請求項2に記載の水素ガスセンサ。
The graphene element further comprises a conductive substrate (12) and an oxide film (11) formed on the surface of the conductive substrate, wherein the graphene thin film is formed on the surface of the oxide film.
The hydrogen gas sensor according to claim 2, characterized in that the hydrogen gas detection unit changes the concentration according to a predetermined threshold by changing the gate voltage applied to the conductive substrate.
前記水素ガス検出部は、前記水素ガスの濃度に応じた前記電気抵抗の変化率を算出し、前記変化率に基づいて前記水素ガスの濃度を推定することを特徴とする請求項1に記載の水素ガスセンサ。 The hydrogen gas sensor according to claim 1, characterized in that the hydrogen gas detection unit calculates the rate of change of the electrical resistance according to the concentration of the hydrogen gas, and estimates the concentration of the hydrogen gas based on the rate of change. 請求項1から請求項4のいずれかに記載された前記水素ガスセンサを製造する製造方法であって、
水素プラズマエッチングにより前記グラフェン素子の前記ジグザグ端を形成することを特徴とする製造方法。
A manufacturing method for producing the hydrogen gas sensor described in any one of claims 1 to 4,
A manufacturing method characterized by forming the zigzag edge of the graphene element by hydrogen plasma etching.
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Title
横山誉宗 ほか,Pd修飾した架橋グラフェン水素センサにおける自己加熱の影響,第78回応用物理学会秋季学術講演会 講演予稿集,2017年,8a-C16-12

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