使用钯纳米颗粒进行氢感测的示意图。如果没有氢存在，金属钯纳米粒子（橙色点）将充当孤立的岛，电流将不会轻易流过器件。相反，当设备暴露于少量氢气时，氢原子可以桥接岛之间的间隙，从而形成一个连通的网络，使大电流通过（红线）。学分：大阪大学

大阪大学的一个团队发明了一种新工艺，该工艺可以制造出能够对氢气的存在做出反应的高精度传感设备。通过仔细控制金属纳米颗粒在硅表面的沉积，研究人员能够创建一种传感器，该传感器可以根据电流变化来检测低水平的氢。作为转向氢基燃料的一部分，这项研究可能会带来重要的好处，它可以为未来的零排放汽车提供动力，并有助于应对人为的气候变化。

为了制造氢传感器，研究人员在硅衬底上沉积了金属钯。沉积的钯在基板上形成纳米颗粒，它们的作用就像是极好的电导体的小岛，但由于它们没有形成连接的网络，因此流经器件的电流很小。

然而，当存在氢原子时，它们被吸收到钯纳米颗粒中，增加了纳米颗粒的体积，然后弥合了岛之间的间隙。最终，形成一个完全连接的路径，电子可以以更少的电阻流动。这样，即使氢浓度的微小变化也可以导致电流的大量增加，因此可以使器件非常敏感。

大阪研究人员必须克服的一个重大挑战是精确控制岛屿之间的空隙以首先进行沉积。如果沉积时间太短，则纳米颗粒之间的间隙太宽，即使存在氢也不会桥接。相反，如果沉积时间过长，则即使在施加氢之前，纳米粒子也会自行形成连接网络。为了优化传感器的响应，研究团队开发了一种用于监视和控制钯沉积的新颖方法，称为压电共振。

在设备制造过程中如何使用压电共振来评估钯颗粒之间的分离的图示。当将钯纳米颗粒（黄色）添加到样品中时，振动的压电材料（绿色长方体）在基板（灰色）表面附近产生交变电场（蓝色箭头），从而在沉积的钯（橙色颗粒）中产生电流。这导致压电材料的一些振动能量损失。当钯颗粒彼此接触时，能量损失的值最大，因此可以在最佳纳米颗粒浓度下停止沉积。

高级作者Hirotsugu Ogi博士解释说：“压电材料，例如手表中的石英晶体，可以根据施加的电压以非常特定的频率振动。” 在此，设置一块压电铌酸锂，使其在金属纳米颗粒沉积过程中在样品下方振动。振荡压电在样品周围产生电场，这又在设备中感应出电流，该电流取决于钯网络的连通性。

然后，振荡的衰减取决于连接性。因此，通过听压电材料的声音（测量衰减），可以监视连接性。

第一作者中村信茂博士（Nobutomo Nakamura）说：“通过使用压电共振方法优化沉积时间，所得氢传感器的灵敏度是以前的12倍。” “这些装置可能代表了迈向涉及氢的更清洁能源的一步。”

这项工作发表在《应用物理学快报》上，标题为“使用压电共振方法精确控制半连续钯膜的氢响应”。