従来比10億分の1で動く分子センサー、単位はpJ：携帯型の健康センサーに応用へ

九州大学の柳田剛教授らの研究グループは、従来の10億分の1のエネルギーで駆動する分子センサーの開発に成功した。化学物質をモバイル端末で検知するといった応用が期待されるという。

[庄司智昭，EE Times Japan]

プラスチック基板上にも搭載可能

　九州大学の先導物質科学研究所で教授を務める柳田剛氏らの研究グループは、従来の10億分の1のエネルギーで駆動する分子センサーの開発に成功したと発表した。

　従来のガスセンサーは、消費エネルギーがミリジュール単位と大きく、電池駆動するモバイル機器への搭載は困難だった。そのため、IoT（モノのインターネット）時代に向けて、より少ない消費エネルギーでガスを検知できる化学分子センサーが求められていた。

今回開発したセンサーデバイスと既存技術との比較 （クリックで拡大） 出典：科学技術振興機構（JST）

　同研究グループは、ナノスケール領域における熱を時間、空間的に制御する新しい概念をナノ分子センサーに導入することで、開発に成功したという。ナノワイヤ分子センサーは、酸化物材料から構成されるナノワイヤ表面で、ターゲット分子が酸化還元反応を起こすことで、ナノワイヤの電気抵抗値を変化させる。しかし、ナノワイヤ表面に酸化還元反応を生じさせるには、反応の活性化エネルギーを超える熱が必要だ。

　今回、微小なナノワイヤ構造に自己加熱法を適用することにより、小さなエネルギーで必要最低限のナノサイズ空間だけの熱を制御することを可能にした。また、ナノワイヤのマイクロ秒未満という熱緩和時間を利用したパルス自己加熱法を適用し、検出が必要な時のみに熱を時系列で制御可能。従来の方法では、高温時の電気抵抗値を測定する必要があったが、パルス自己加熱法はパルス加熱を停止している間に抵抗値が読み取れるので、センサー感度も向上する。これにより、ピコジュール程度の消費エネルギーで100ppb^＊）のNO_x分子を電流検知できることを実証している。

＊）ppb：parts per billon。1ppbは、1g中に0.000001mg含まれていることを指す

　さらに、今回の手法では、所定のナノサイズ空間だけにピンポイントで加熱することが可能なため、温度に弱いプラスチック基板上に分子センサーを搭載できるとした。

左＝今回開発したサスペンドナノワイヤセンサーとパルス自己加熱法の概念図／右＝NO₂分子の分子の検出結果とプラスチック基板上におけるデバイス写真図 （クリックで拡大） 出典：JST

　実証した分子センサーは、健康状態に関連した揮発性化学物質を、携帯端末などで検知するといった応用が期待される。JSTはリリース上で、「危険物質の検出や肺がんマーカー分子などの電流検出への展開を見据えている」と語る。