Pembangunan penderia gas berprestasi tinggi, mudah alih dan kecil semakin mendapat perhatian dalam bidang pemantauan alam sekitar, keselamatan, diagnostik perubatan dan pertanian.Di antara pelbagai alat pengesanan, penderia gas kemo-resistif logam-oksida-semikonduktor (MOS) ialah pilihan paling popular untuk aplikasi komersial kerana kestabilan tinggi, kos rendah dan kepekaan yang tinggi.Salah satu pendekatan yang paling penting untuk meningkatkan lagi prestasi sensor ialah penciptaan heterojunction berasaskan MOS bersaiz nano (hetero-nanostructured MOS) daripada bahan nano MOS.Walau bagaimanapun, mekanisme penderiaan penderia MOS berstruktur heteronano adalah berbeza daripada penderia gas MOS tunggal, kerana ia agak rumit.Prestasi penderia dipengaruhi oleh pelbagai parameter, termasuk sifat fizikal dan kimia bahan sensitif (seperti saiz butiran, ketumpatan kecacatan dan kekosongan oksigen bahan), suhu operasi dan struktur peranti.Kajian ini membentangkan beberapa konsep untuk mereka bentuk penderia gas berprestasi tinggi dengan menganalisis mekanisme penderiaan penderia MOS berstruktur nano heterogen.Di samping itu, pengaruh struktur geometri peranti, yang ditentukan oleh hubungan antara bahan sensitif dan elektrod kerja, dibincangkan.Untuk mengkaji tingkah laku penderia secara sistematik, artikel ini memperkenalkan dan membincangkan mekanisme umum persepsi tiga struktur geometri tipikal peranti berdasarkan pelbagai bahan heteronanostructured.Gambaran keseluruhan ini akan menjadi panduan untuk pembaca masa depan yang mengkaji mekanisme sensitif penderia gas dan membangunkan penderia gas berprestasi tinggi.
Pencemaran udara adalah masalah yang semakin serius dan masalah alam sekitar global yang serius yang mengancam kesejahteraan manusia dan makhluk hidup.Penyedutan bahan pencemar gas boleh menyebabkan banyak masalah kesihatan seperti penyakit pernafasan, kanser paru-paru, leukemia dan juga kematian pramatang1,2,3,4.Dari 2012 hingga 2016, berjuta-juta orang dilaporkan mati akibat pencemaran udara, dan setiap tahun, berbilion orang terdedah kepada kualiti udara yang buruk5.Oleh itu, adalah penting untuk membangunkan penderia gas mudah alih dan kecil yang boleh memberikan maklum balas masa nyata dan prestasi pengesanan tinggi (cth, kepekaan, selektiviti, kestabilan dan masa tindak balas dan pemulihan).Selain pemantauan alam sekitar, penderia gas memainkan peranan penting dalam keselamatan6,7,8, diagnostik perubatan9,10, akuakultur11 dan bidang lain12.
Sehingga kini, beberapa penderia gas mudah alih berdasarkan mekanisme penderiaan berbeza telah diperkenalkan, seperti optik13,14,15,16,17,18, elektrokimia19,20,21,22 dan penderia rintangan kimia23,24.Antaranya, penderia rintangan kimia logam-oksida-semikonduktor (MOS) adalah yang paling popular dalam aplikasi komersial kerana kestabilan yang tinggi dan kos yang rendah25,26.Kepekatan bahan cemar boleh ditentukan hanya dengan mengesan perubahan rintangan MOS.Pada awal 1960-an, penderia gas kemo-resistif pertama berdasarkan filem nipis ZnO telah dilaporkan, menjana minat yang besar dalam bidang pengesanan gas27,28.Hari ini, banyak MOS yang berbeza digunakan sebagai bahan sensitif gas, dan ia boleh dibahagikan kepada dua kategori berdasarkan sifat fizikalnya: MOS jenis-n dengan elektron sebagai pembawa cas majoriti dan MOS jenis-p dengan lubang sebagai pembawa cas majoriti.pembawa caj.Secara umum, MOS jenis-p kurang popular daripada MOS jenis-n kerana tindak balas induktif MOS jenis-p (Sp) adalah berkadar dengan punca kuasa dua MOS jenis-n (\(S_p = \sqrt { S_n}\ ) ) pada andaian yang sama (contohnya, struktur morfologi yang sama dan perubahan yang sama dalam lenturan jalur di udara) 29,30.Walau bagaimanapun, penderia MOS asas tunggal masih menghadapi masalah seperti had pengesanan yang tidak mencukupi, kepekaan rendah dan selektiviti dalam aplikasi praktikal.Isu selektiviti boleh ditangani sedikit sebanyak dengan mencipta tatasusunan penderia (dipanggil "hidung elektronik") dan menggabungkan algoritma analisis pengiraan seperti pengkuantitian vektor latihan (LVQ), analisis komponen utama (PCA), dan analisis kuasa dua terkecil separa (PLS)31 , 32, 33, 34, 35. Selain itu, penghasilan MOS32,36,37,38,39 berdimensi rendah (cth bahan nano satu dimensi (1D), 0D dan 2D), serta penggunaan bahan nano lain ( cth MOS40,41,42 , nanozarah logam mulia (NPs))43,44, bahan nano karbon45,46 dan polimer konduktif47,48) untuk mencipta heterojunctions skala nano (iaitu, MOS berstruktur heteronano) adalah pendekatan pilihan lain untuk menyelesaikan masalah di atas.Berbanding dengan filem MOS tebal tradisional, MOS berdimensi rendah dengan luas permukaan khusus yang tinggi boleh menyediakan tapak yang lebih aktif untuk penjerapan gas dan memudahkan resapan gas36,37,49.Di samping itu, reka bentuk heteronanostruktur berasaskan MOS boleh menala lagi pengangkutan pembawa di antara muka hetero, menyebabkan perubahan besar dalam rintangan disebabkan oleh fungsi operasi yang berbeza50,51,52.Di samping itu, beberapa kesan kimia (cth, aktiviti pemangkin dan tindak balas permukaan sinergistik) yang berlaku dalam reka bentuk heteronostruktur MOS juga boleh meningkatkan prestasi sensor.50,53,54 Walaupun mereka bentuk dan mereka bentuk heteronanostruktur MOS akan menjadi pendekatan yang menjanjikan untuk menambah baik. prestasi sensor, sensor kemo-resistif moden biasanya menggunakan percubaan dan ralat, yang memakan masa dan tidak cekap.Oleh itu, adalah penting untuk memahami mekanisme penderiaan penderia gas berasaskan MOS kerana ia boleh membimbing reka bentuk penderia arah berprestasi tinggi.
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penderia gas MOS telah berkembang pesat dan beberapa laporan telah diterbitkan pada struktur nano MOS55,56,57, penderia gas suhu bilik58,59, bahan penderia MOS khas60,61,62 dan penderia gas khusus63.Kertas kajian dalam Tinjauan Lain memberi tumpuan kepada menjelaskan mekanisme penderiaan penderia gas berdasarkan sifat fizikal dan kimia intrinsik MOS, termasuk peranan kekosongan oksigen 64, peranan struktur heteronano 55, 65 dan pemindahan cas pada antara muka hetero 66. Selain itu , banyak parameter lain mempengaruhi prestasi sensor, termasuk heterostruktur, saiz butiran, suhu operasi, ketumpatan kecacatan, kekosongan oksigen, dan juga satah kristal terbuka bagi bahan sensitif25,67,68,69,70,71.72, 73. Walau bagaimanapun, struktur geometri peranti (jarang disebut), ditentukan oleh hubungan antara bahan penderiaan dan elektrod kerja, juga memberi kesan ketara kepada sensitiviti penderia74,75,76 (lihat bahagian 3 untuk butiran lanjut) .Sebagai contoh, Kumar et al.77 melaporkan dua penderia gas berdasarkan bahan yang sama (cth, penderia gas dua lapisan berdasarkan TiO2@NiO dan NiO@TiO2) dan memerhatikan perubahan berbeza dalam rintangan gas NH3 disebabkan oleh geometri peranti yang berbeza.Oleh itu, apabila menganalisis mekanisme penderiaan gas, adalah penting untuk mengambil kira struktur peranti.Dalam ulasan ini, penulis memberi tumpuan kepada mekanisme pengesanan berasaskan MOS untuk pelbagai struktur nano dan struktur peranti heterogen.Kami percaya bahawa ulasan ini boleh menjadi panduan untuk pembaca yang ingin memahami dan menganalisis mekanisme pengesanan gas dan boleh menyumbang kepada pembangunan penderia gas berprestasi tinggi pada masa hadapan.
Pada rajah.1a menunjukkan model asas mekanisme penderiaan gas berdasarkan MOS tunggal.Apabila suhu meningkat, penjerapan molekul oksigen (O2) pada permukaan MOS akan menarik elektron daripada MOS dan membentuk spesies anionik (seperti O2- dan O-).Kemudian, lapisan penyusutan elektron (EDL) untuk MOS jenis-n atau lapisan pengumpulan lubang (HAL) untuk MOS jenis-p kemudiannya terbentuk pada permukaan MOS 15, 23, 78. Interaksi antara O2 dan MOS menyebabkan jalur pengaliran MOS permukaan membengkok ke atas dan membentuk halangan berpotensi.Selepas itu, apabila sensor terdedah kepada gas sasaran, gas yang terjerap pada permukaan MOS bertindak balas dengan spesies oksigen ionik, sama ada menarik elektron (gas pengoksidaan) atau menderma elektron (gas pengurangan).Pemindahan elektron antara gas sasaran dan MOS boleh melaraskan lebar EDL atau HAL30,81 mengakibatkan perubahan dalam rintangan keseluruhan sensor MOS.Sebagai contoh, untuk gas pengurangan, elektron akan dipindahkan daripada gas pengurangan kepada MOS jenis-n, menghasilkan EDL yang lebih rendah dan rintangan yang lebih rendah, yang dirujuk sebagai tingkah laku sensor jenis-n.Sebaliknya, apabila MOS jenis-p terdedah kepada gas pengurangan yang menentukan tingkah laku sensitiviti jenis-p, HAL mengecut dan rintangan meningkat disebabkan oleh pendermaan elektron.Untuk gas pengoksidaan, tindak balas sensor adalah bertentangan dengan tindak balas untuk mengurangkan gas.
Mekanisme pengesanan asas untuk MOS jenis-n dan p-jenis untuk mengurangkan dan mengoksidakan gas b Faktor utama dan sifat fiziko-kimia atau bahan yang terlibat dalam penderia gas semikonduktor 89
Selain daripada mekanisme pengesanan asas, mekanisme pengesanan gas yang digunakan dalam penderia gas praktikal adalah agak kompleks.Contohnya, penggunaan sebenar penderia gas mesti memenuhi banyak keperluan (seperti kepekaan, selektiviti dan kestabilan) bergantung pada keperluan pengguna.Keperluan ini berkait rapat dengan sifat fizikal dan kimia bahan sensitif.Sebagai contoh, Xu et al.71 menunjukkan bahawa penderia berasaskan SnO2 mencapai kepekaan tertinggi apabila diameter hablur (d) adalah sama atau kurang daripada dua kali panjang Debye (λD) SnO271.Apabila d ≤ 2λD, SnO2 habis sepenuhnya selepas penjerapan molekul O2, dan tindak balas penderia kepada gas pengurangan adalah maksimum.Selain itu, pelbagai parameter lain boleh menjejaskan prestasi penderia, termasuk suhu operasi, kecacatan kristal, dan juga satah kristal terdedah bahan penderiaan.Khususnya, pengaruh suhu operasi dijelaskan oleh persaingan yang mungkin antara kadar penjerapan dan penyahjerapan gas sasaran, serta kereaktifan permukaan antara molekul gas terjerap dan zarah oksigen4,82.Kesan kecacatan kristal sangat berkaitan dengan kandungan kekosongan oksigen [83, 84].Operasi penderia juga boleh dipengaruhi oleh kereaktifan berbeza muka hablur terbuka67,85,86,87.Satah kristal terbuka dengan ketumpatan yang lebih rendah mendedahkan lebih banyak kation logam tidak selaras dengan tenaga yang lebih tinggi, yang menggalakkan penjerapan permukaan dan kereaktifan88.Jadual 1 menyenaraikan beberapa faktor utama dan mekanisme persepsi bertambah baik yang berkaitan.Oleh itu, dengan melaraskan parameter bahan ini, prestasi pengesanan boleh dipertingkatkan, dan adalah penting untuk menentukan faktor utama yang mempengaruhi prestasi penderia.
Yamazoe89 dan Shimanoe et al.68,71 melakukan beberapa kajian tentang mekanisme teori persepsi sensor dan mencadangkan tiga faktor utama bebas yang mempengaruhi prestasi sensor, khususnya fungsi reseptor, fungsi transduser dan utiliti (Rajah 1b)..Fungsi reseptor merujuk kepada keupayaan permukaan MOS untuk berinteraksi dengan molekul gas.Fungsi ini berkait rapat dengan sifat kimia MOS dan boleh dipertingkatkan dengan ketara dengan memperkenalkan penerima asing (contohnya, NP logam dan MOS lain).Fungsi transduser merujuk kepada keupayaan untuk menukar tindak balas antara gas dan permukaan MOS kepada isyarat elektrik yang dikuasai oleh sempadan butiran MOS.Oleh itu, fungsi deria dipengaruhi dengan ketara oleh saiz zarah MOC dan ketumpatan reseptor asing.Katoch et al.90 melaporkan bahawa pengurangan saiz butiran nanofibril ZnO-SnO2 mengakibatkan pembentukan pelbagai heterojunctions dan peningkatan kepekaan sensor, selaras dengan fungsi transduser.Wang et al.91 membandingkan pelbagai saiz butiran Zn2GeO4 dan menunjukkan peningkatan 6.5 kali ganda dalam kepekaan sensor selepas memperkenalkan sempadan butiran.Utiliti ialah satu lagi faktor prestasi sensor utama yang menerangkan ketersediaan gas kepada struktur MOS dalaman.Jika molekul gas tidak dapat menembusi dan bertindak balas dengan MOS dalaman, sensitiviti sensor akan berkurangan.Kegunaan berkait rapat dengan kedalaman resapan gas tertentu, yang bergantung pada saiz liang bahan penderiaan.Sakai et al.92 memodelkan kepekaan penderia kepada gas serombong dan mendapati bahawa kedua-dua berat molekul gas dan jejari liang membran penderia mempengaruhi kepekaan penderia pada kedalaman resapan gas yang berbeza dalam membran penderia.Perbincangan di atas menunjukkan bahawa penderia gas berprestasi tinggi boleh dibangunkan dengan mengimbangi dan mengoptimumkan fungsi reseptor, fungsi transduser dan utiliti.
Kerja di atas menjelaskan mekanisme persepsi asas bagi MOS tunggal dan membincangkan beberapa faktor yang mempengaruhi prestasi MOS.Selain faktor ini, penderia gas berdasarkan heterostruktur boleh meningkatkan lagi prestasi penderia dengan meningkatkan fungsi penderia dan reseptor dengan ketara.Selain itu, heteronanostructures boleh meningkatkan lagi prestasi penderia dengan meningkatkan tindak balas pemangkin, mengawal selia pemindahan caj dan mencipta lebih banyak tapak penjerapan.Sehingga kini, banyak penderia gas berdasarkan heteronanostructures MOS telah dikaji untuk membincangkan mekanisme untuk penderiaan yang dipertingkatkan95,96,97.Miller et al.55 meringkaskan beberapa mekanisme yang berkemungkinan meningkatkan sensitiviti heteronanostructure, termasuk bergantung pada permukaan, bergantung antara muka, dan bergantung kepada struktur.Antaranya, mekanisme penguatan bergantung antara muka terlalu rumit untuk merangkumi semua interaksi antara muka dalam satu teori, kerana pelbagai sensor berdasarkan bahan heteronanostructured (contohnya, nn-heterojunction, pn-heterojunction, pp-heterojunction, dll.) boleh digunakan. .Simpulan Schottky).Biasanya, penderia heteronanostructured berasaskan MOS sentiasa merangkumi dua atau lebih mekanisme sensor termaju98,99,100.Kesan sinergistik mekanisme penguatan ini boleh meningkatkan penerimaan dan pemprosesan isyarat sensor.Oleh itu, memahami mekanisme persepsi penderia berdasarkan bahan berstruktur nano heterogen adalah penting untuk membantu penyelidik membangunkan penderia gas bottom-up mengikut keperluan mereka.Di samping itu, struktur geometri peranti juga boleh menjejaskan kepekaan sensor 74, 75, 76 dengan ketara. Untuk menganalisis secara sistematik tingkah laku sensor, mekanisme penderiaan tiga struktur peranti berdasarkan bahan heteronanostructured yang berbeza akan dibentangkan. dan dibincangkan di bawah.
Dengan perkembangan pesat penderia gas berasaskan MOS, pelbagai MOS berstruktur nano hetero telah dicadangkan.Pemindahan caj pada heterointerface bergantung pada tahap Fermi (Ef) yang berbeza bagi komponen.Pada heterointerface, elektron bergerak dari satu sisi dengan Ef yang lebih besar ke sisi lain dengan Ef yang lebih kecil sehingga tahap Fermi mereka mencapai keseimbangan, dan lubang, sebaliknya.Kemudian pembawa pada heterointerface habis dan membentuk lapisan susut.Sebaik sahaja penderia terdedah kepada gas sasaran, kepekatan pembawa MOS berstruktur heteronano berubah, begitu juga dengan ketinggian penghalang, dengan itu meningkatkan isyarat pengesanan.Di samping itu, kaedah fabrikasi heteronanostruktur yang berbeza membawa kepada hubungan yang berbeza antara bahan dan elektrod, yang membawa kepada geometri peranti yang berbeza dan mekanisme penderiaan yang berbeza.Dalam ulasan ini, kami mencadangkan tiga struktur peranti geometri dan membincangkan mekanisme penderiaan untuk setiap struktur.
Walaupun heterojunctions memainkan peranan yang sangat penting dalam prestasi pengesanan gas, geometri peranti keseluruhan sensor juga boleh mempengaruhi tingkah laku pengesanan dengan ketara, kerana lokasi saluran pengaliran sensor sangat bergantung pada geometri peranti.Tiga geometri tipikal peranti MOS heterojunction dibincangkan di sini, seperti ditunjukkan dalam Rajah 2. Dalam jenis pertama, dua sambungan MOS diedarkan secara rawak antara dua elektrod, dan lokasi saluran konduktif ditentukan oleh MOS utama, yang kedua ialah pembentukan struktur nano heterogen daripada MOS yang berbeza, manakala hanya satu MOS disambungkan ke elektrod.elektrod disambungkan, maka saluran konduktif biasanya terletak di dalam MOS dan disambungkan terus ke elektrod.Dalam jenis ketiga, dua bahan dilekatkan pada dua elektrod secara berasingan, membimbing peranti melalui heterojunction yang terbentuk di antara kedua-dua bahan.
Tanda sempang antara sebatian (cth. “SnO2-NiO”) menunjukkan bahawa kedua-dua komponen itu hanya bercampur (jenis I).Tanda “@” antara dua sambungan (cth “SnO2@NiO”) menunjukkan bahawa bahan perancah (NiO) dihiasi dengan SnO2 untuk struktur sensor jenis II.Garis miring (cth “NiO/SnO2”) menunjukkan reka bentuk penderia jenis III .
Untuk penderia gas berdasarkan komposit MOS, dua elemen MOS diedarkan secara rawak antara elektrod.Banyak kaedah fabrikasi telah dibangunkan untuk menyediakan komposit MOS, termasuk kaedah sol-gel, kopresipitasi, hidroterma, electrospinning dan mekanikal98,102,103,104.Baru-baru ini, rangka kerja logam-organik (MOF), kelas bahan berstruktur kristal berliang yang terdiri daripada pusat logam dan penghubung organik, telah digunakan sebagai templat untuk fabrikasi komposit MOS berliang105,106,107,108.Perlu diingat bahawa walaupun peratusan komposit MOS adalah sama, ciri kepekaan boleh sangat berbeza apabila menggunakan proses pembuatan yang berbeza.109,110 Sebagai contoh, Gao et al.109 mengarang dua penderia berdasarkan komposit MoO3±SnO2 dengan nisbah atom yang sama. ( Mo:Sn = 1:1.9) dan mendapati kaedah fabrikasi yang berbeza membawa kepada sensitiviti yang berbeza.Shaposhnik et al.110 melaporkan bahawa tindak balas SnO2-TiO2 yang dimendakkan bersama kepada gas H2 berbeza daripada bahan campuran mekanikal, walaupun pada nisbah Sn/Ti yang sama.Perbezaan ini timbul kerana hubungan antara MOP dan saiz kristal MOP berbeza dengan kaedah sintesis yang berbeza109,110.Apabila saiz dan bentuk butiran adalah konsisten dari segi ketumpatan penderma dan jenis semikonduktor, tindak balas harus kekal sama jika geometri sentuhan tidak berubah 110 .Staerz et al.111 melaporkan bahawa ciri pengesanan nanofiber sarung teras (CSN) SnO2-Cr2O3 dan CSN SnO2-Cr2O3 tanah adalah hampir sama, menunjukkan bahawa morfologi nanofiber tidak menawarkan sebarang kelebihan.
Sebagai tambahan kepada kaedah fabrikasi yang berbeza, jenis semikonduktor bagi dua MOSFET berbeza juga mempengaruhi kepekaan sensor.Ia boleh dibahagikan lagi kepada dua kategori bergantung kepada sama ada kedua-dua MOSFET adalah daripada jenis semikonduktor yang sama (simpang nn atau pp) atau jenis yang berbeza (simpang pn).Apabila penderia gas diasaskan pada komposit MOS daripada jenis yang sama, dengan menukar nisbah molar dua MOS, ciri tindak balas kepekaan kekal tidak berubah, dan kepekaan penderia berbeza-beza bergantung pada bilangan persimpangan nn- atau pp-heterojunction.Apabila satu komponen mendominasi dalam komposit (cth 0.9 ZnO-0.1 SnO2 atau 0.1 ZnO-0.9 SnO2), saluran pengaliran ditentukan oleh MOS dominan, dipanggil saluran pengaliran homojunction 92 .Apabila nisbah kedua-dua komponen adalah setanding, diandaikan bahawa saluran pengaliran dikuasai oleh heterojunction98,102.Yamazoe et al.112,113 melaporkan bahawa kawasan heterokontak kedua-dua komponen boleh meningkatkan sensitiviti sensor kerana halangan heterojunction yang terbentuk disebabkan oleh fungsi operasi komponen yang berbeza dapat mengawal mobiliti hanyut sensor yang terdedah kepada elektron dengan berkesan.Pelbagai gas ambien 112,113.Pada rajah.Rajah 3a menunjukkan bahawa penderia berdasarkan struktur hierarki gentian SnO2-ZnO dengan kandungan ZnO yang berbeza (dari 0 hingga 10 mol % Zn) boleh secara selektif mengesan etanol.Antaranya, sensor berdasarkan gentian SnO2-ZnO (7 mol.% Zn) menunjukkan kepekaan tertinggi disebabkan oleh pembentukan sejumlah besar heterojunctions dan peningkatan dalam kawasan permukaan tertentu, yang meningkatkan fungsi penukar dan bertambah baik. kepekaan 90 Walau bagaimanapun, dengan peningkatan kandungan ZnO lagi kepada 10 mol.%, komposit struktur mikro SnO2-ZnO boleh membalut kawasan pengaktifan permukaan dan mengurangkan sensitiviti sensor85.Trend yang sama juga diperhatikan untuk penderia berdasarkan komposit heterojunction NiO-NiFe2O4 pp dengan nisbah Fe/Ni yang berbeza (Rajah 3b)114.
Imej SEM gentian SnO2-ZnO (7 mol.% Zn) dan tindak balas sensor terhadap pelbagai gas dengan kepekatan 100 ppm pada 260 °C;54b Tindak balas penderia berdasarkan komposit NiO dan NiO-NiFe2O4 tulen pada 50 ppm pelbagai gas, 260 °C;114 ( c) Gambarajah skematik bilangan nod dalam komposisi xSnO2-(1-x)Co3O4 dan rintangan dan tindak balas kepekaan yang sepadan bagi komposisi xSnO2-(1-x)Co3O4 setiap 10 ppm CO, aseton, C6H6 dan SO2 gas pada 350 °C dengan menukar nisbah molar Sn/Co 98
Komposit pn-MOS menunjukkan tingkah laku sensitiviti yang berbeza bergantung pada nisbah atom MOS115.Secara umum, tingkah laku deria komposit MOS sangat bergantung pada MOS yang bertindak sebagai saluran pengaliran utama untuk sensor.Oleh itu, adalah sangat penting untuk mencirikan komposisi peratusan dan struktur nano komposit.Kim et al.98 mengesahkan kesimpulan ini dengan mensintesis satu siri nanofiber komposit xSnO2 ± (1-x)Co3O4 dengan melakukan electrospinning dan mengkaji sifat sensornya.Mereka memerhatikan bahawa kelakuan sensor komposit SnO2-Co3O4 bertukar daripada jenis-n kepada jenis-p dengan mengurangkan peratusan SnO2 (Rajah 3c)98.Selain itu, penderia yang dikuasai heterojunction (berdasarkan 0.5 SnO2-0.5 Co3O4) menunjukkan kadar penghantaran tertinggi untuk C6H6 berbanding dengan penderia dominan homojunction (cth, penderia SnO2 atau Co3O4 tinggi).Rintangan tinggi yang wujud pada sensor berasaskan 0.5 SnO2-0.5 Co3O4 dan keupayaannya yang lebih besar untuk memodulasi rintangan sensor keseluruhan menyumbang kepada kepekaan tertingginya kepada C6H6.Selain itu, kecacatan ketidakpadanan kekisi yang berpunca daripada heterointerface SnO2-Co3O4 boleh mencipta tapak penjerapan keutamaan untuk molekul gas, dengan itu meningkatkan tindak balas sensor109,116.
Selain MOS jenis semikonduktor, gelagat sentuhan komposit MOS juga boleh disesuaikan menggunakan kimia MOS-117.Huo et al.117 menggunakan kaedah rendam-bakar yang mudah untuk menyediakan komposit Co3O4-SnO2 dan mendapati bahawa pada nisbah molar Co/Sn sebanyak 10%, penderia mempamerkan tindak balas pengesanan jenis-p kepada H2 dan kepekaan jenis-n terhadap H2.tindak balas.Tindak balas sensor terhadap gas CO, H2S dan NH3 ditunjukkan dalam Rajah 4a117.Pada nisbah Co/Sn yang rendah, banyak homojunction terbentuk pada sempadan nanograin SnO2±SnO2 dan mempamerkan tindak balas sensor jenis-n kepada H2 (Rajah 4b,c)115.Dengan peningkatan nisbah Co/Sn sehingga 10 mol.%, bukannya homojunctions SnO2-SnO2, banyak heterojunctions Co3O4-SnO2 telah terbentuk secara serentak (Rajah 4d).Oleh kerana Co3O4 tidak aktif berkenaan dengan H2, dan SnO2 bertindak balas kuat dengan H2, tindak balas H2 dengan spesies oksigen ionik terutamanya berlaku pada permukaan SnO2117.Oleh itu, elektron bergerak ke SnO2 dan Ef SnO2 beralih ke jalur konduksi, manakala Ef Co3O4 kekal tidak berubah.Akibatnya, rintangan penderia meningkat, menunjukkan bahawa bahan dengan nisbah Co/Sn yang tinggi mempamerkan tingkah laku penderiaan jenis p (Rajah 4e).Sebaliknya, gas CO, H2S dan NH3 bertindak balas dengan spesies oksigen ionik pada permukaan SnO2 dan Co3O4, dan elektron bergerak dari gas ke sensor, mengakibatkan penurunan ketinggian penghalang dan kepekaan jenis-n (Rajah 4f)..Tingkah laku sensor yang berbeza ini disebabkan oleh kereaktifan berbeza Co3O4 dengan gas yang berbeza, yang selanjutnya disahkan oleh Yin et al.118 .Begitu juga, Katoch et al.119 menunjukkan bahawa komposit SnO2-ZnO mempunyai selektiviti yang baik dan sensitiviti yang tinggi kepada H2.Tingkah laku ini berlaku kerana atom H boleh diserap dengan mudah ke kedudukan O ZnO kerana penghibridan yang kuat antara orbital s H dan orbital p O, yang membawa kepada pengetatan ZnO120,121.
a Co/Sn-10% lengkung rintangan dinamik untuk gas penurun biasa seperti H2, CO, NH3 dan H2S, b, c Co3O4/SnO2 rajah mekanisme penderiaan komposit untuk H2 pada % m rendah.Co/Sn, df Co3O4 Mekanisme pengesanan H2 dan CO, H2S dan NH3 dengan komposit Co/Sn/SnO2 yang tinggi
Oleh itu, kita boleh meningkatkan sensitiviti penderia jenis-I dengan memilih kaedah fabrikasi yang sesuai, mengurangkan saiz butiran komposit, dan mengoptimumkan nisbah molar komposit MOS.Di samping itu, pemahaman mendalam tentang kimia bahan sensitif boleh meningkatkan lagi selektiviti sensor.
Struktur penderia Jenis II ialah satu lagi struktur penderia popular yang boleh menggunakan pelbagai bahan berstruktur nano heterogen, termasuk satu bahan nano "induk" dan bahan nano kedua atau ketiga.Sebagai contoh, bahan satu dimensi atau dua dimensi yang dihiasi dengan zarah nano, cangkerang teras (CS) dan bahan heteronanostruktur berbilang lapisan biasanya digunakan dalam struktur penderia jenis II dan akan dibincangkan secara terperinci di bawah.
Untuk bahan heteronanostructure pertama (heteranonostructure berhias), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2b(1), saluran konduktif sensor disambungkan oleh bahan asas.Disebabkan oleh pembentukan heterojunctions, nanopartikel yang diubah suai boleh menyediakan lebih banyak tapak reaktif untuk penjerapan atau penyahjerapan gas, dan juga boleh bertindak sebagai pemangkin untuk meningkatkan prestasi penderiaan109,122,123,124.Yuan et al.41 menyatakan bahawa menghiasi wayar nano WO3 dengan nanodot CeO2 boleh memberikan lebih banyak tapak penjerapan pada heterointerface CeO2@WO3 dan permukaan CeO2 dan menjana lebih banyak spesies oksigen yang diserap kimia untuk tindak balas dengan aseton.Gunawan et al.125. Sensor aseton kepekaan ultra tinggi berdasarkan Au@α-Fe2O3 satu dimensi telah dicadangkan dan telah diperhatikan bahawa kepekaan sensor dikawal oleh pengaktifan molekul O2 sebagai sumber oksigen.Kehadiran Au NP boleh bertindak sebagai pemangkin yang menggalakkan penceraian molekul oksigen ke oksigen kekisi untuk pengoksidaan aseton.Keputusan yang sama diperolehi oleh Choi et al.9 di mana pemangkin Pt digunakan untuk mengasingkan molekul oksigen terjerap ke dalam spesies oksigen terion dan meningkatkan tindak balas sensitif terhadap aseton.Pada tahun 2017, pasukan penyelidik yang sama menunjukkan bahawa nanozarah dwilogam jauh lebih cekap dalam pemangkinan daripada nanozarah logam mulia tunggal, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5126. 5a ialah skema proses pembuatan untuk NP bimetal (PtM) berasaskan platinum menggunakan sel apoferritin dengan saiz purata kurang daripada 3 nm.Kemudian, menggunakan kaedah electrospinning, nanofibers PtM@WO3 diperolehi untuk meningkatkan kepekaan dan selektiviti kepada aseton atau H2S (Rajah 5b–g).Baru-baru ini, pemangkin atom tunggal (SAC) telah menunjukkan prestasi pemangkin yang sangat baik dalam bidang pemangkinan dan analisis gas kerana kecekapan maksimum penggunaan atom dan struktur elektronik yang ditala127,128.Shin et al.129 menggunakan lembaran nano Pt-SA berlabuh karbon nitrida (MCN), SnCl2 dan PVP sebagai sumber kimia untuk menyediakan gentian sebaris Pt@MCN@SnO2 untuk pengesanan gas.Walaupun kandungan Pt@MCN sangat rendah (dari 0.13 wt.% hingga 0.68 wt.%), prestasi pengesanan formaldehid gas Pt@MCN@SnO2 adalah lebih baik daripada sampel rujukan lain (SnO2 tulen, MCN@SnO2 dan Pt NPs@ SnO2)..Prestasi pengesanan yang sangat baik ini boleh dikaitkan dengan kecekapan atom maksimum pemangkin Pt SA dan liputan minimum tapak aktif SnO2129.
Kaedah enkapsulasi dimuatkan apoferritin untuk mendapatkan nanozarah PtM-apo (PtPd, PtRh, PtNi);sifat sensitif gas dinamik bd murni WO3, PtPd@WO3, PtRn@WO3 dan Pt-NiO@WO3 nanofibers;berdasarkan, sebagai contoh, pada sifat selektiviti PtPd@WO3, PtRn@WO3 dan sensor nanofiber Pt-NiO@WO3 kepada 1 ppm gas mengganggu 126
Selain itu, heterojunctions yang terbentuk antara bahan perancah dan nanopartikel juga boleh memodulasi saluran pengaliran secara berkesan melalui mekanisme modulasi jejarian untuk meningkatkan prestasi sensor130,131,132.Pada rajah.Rajah 6a menunjukkan ciri penderia wayar nano SnO2 dan Cr2O3@SnO2 tulen untuk mengurangkan dan mengoksidakan gas dan mekanisme penderia yang sepadan131.Berbanding dengan wayar nano SnO2 tulen, tindak balas wayar nano Cr2O3@SnO2 untuk mengurangkan gas sangat dipertingkatkan, manakala tindak balas terhadap gas pengoksidaan bertambah teruk.Fenomena ini berkait rapat dengan nyahpecutan tempatan saluran pengaliran wayar nano SnO2 dalam arah jejarian heterojunction pn yang terbentuk.Rintangan sensor boleh ditala dengan mudah dengan menukar lebar EDL pada permukaan wayar nano SnO2 tulen selepas terdedah kepada gas pengurangan dan pengoksidaan.Walau bagaimanapun, untuk wayar nano Cr2O3@SnO2, DEL awal wayar nano SnO2 dalam udara meningkat berbanding wayar nano SnO2 tulen, dan saluran pengaliran ditindas kerana pembentukan heterojunction.Oleh itu, apabila sensor terdedah kepada gas pengurangan, elektron yang terperangkap dilepaskan ke dalam wayar nano SnO2 dan EDL berkurangan secara drastik, menghasilkan kepekaan yang lebih tinggi daripada wayar nano SnO2 tulen.Sebaliknya, apabila bertukar kepada gas pengoksidaan, pengembangan DEL adalah terhad, menyebabkan kepekaan rendah.Keputusan tindak balas deria yang serupa telah diperhatikan oleh Choi et al., 133 di mana wayar nano SnO2 yang dihiasi dengan nanopartikel WO3 jenis p menunjukkan tindak balas deria yang bertambah baik dengan ketara untuk mengurangkan gas, manakala sensor SnO2 yang dihiasi n telah meningkatkan kepekaan terhadap gas pengoksidaan.Nanozarah TiO2 (Rajah 6b) 133. Keputusan ini disebabkan terutamanya oleh fungsi kerja yang berbeza bagi nanozarah SnO2 dan MOS (TiO2 atau WO3).Dalam nanozarah jenis p (jenis n), saluran pengaliran bahan rangka kerja (SnO2) mengembang (atau mengecut) dalam arah jejari, dan kemudian, di bawah tindakan pengurangan (atau pengoksidaan), pengembangan selanjutnya (atau pemendekan) saluran pengaliran SnO2 – rusuk ) gas (Rajah 6b).
Mekanisme modulasi jejari disebabkan oleh LF MOS yang diubah suai.Ringkasan tindak balas gas terhadap 10 ppm gas pengurangan dan pengoksidaan berdasarkan wayar nano SnO2 dan Cr2O3@SnO2 tulen dan gambar rajah skema mekanisme penderiaan yang sepadan;dan skema sepadan nanorod WO3@SnO2 dan mekanisme pengesanan133
Dalam peranti heterostruktur dwilapis dan berbilang lapisan, saluran pengaliran peranti dikuasai oleh lapisan (biasanya lapisan bawah) yang bersentuhan langsung dengan elektrod, dan heterojunction yang terbentuk pada antara muka dua lapisan boleh mengawal kekonduksian lapisan bawah. .Oleh itu, apabila gas berinteraksi dengan lapisan atas, ia boleh menjejaskan saluran pengaliran lapisan bawah dan rintangan 134 peranti dengan ketara.Sebagai contoh, Kumar et al.77 melaporkan kelakuan bertentangan lapisan berganda TiO2@NiO dan NiO@TiO2 untuk NH3.Perbezaan ini timbul kerana saluran pengaliran kedua-dua penderia mendominasi dalam lapisan bahan yang berbeza (masing-masing NiO dan TiO2), dan kemudian variasi dalam saluran pengaliran asas adalah berbeza77.
Struktur heteronano bilayer atau berbilang lapisan biasanya dihasilkan oleh sputtering, pemendapan lapisan atom (ALD) dan sentrifugasi56,70,134,135,136.Ketebalan filem dan kawasan sentuhan kedua-dua bahan boleh dikawal dengan baik.Rajah 7a dan b menunjukkan nanofilem NiO@SnO2 dan Ga2O3@WO3 yang diperolehi dengan sputtering untuk pengesanan etanol135,137.Walau bagaimanapun, kaedah ini secara amnya menghasilkan filem rata, dan filem rata ini kurang sensitif daripada bahan berstruktur nano 3D kerana luas permukaan spesifiknya yang rendah dan kebolehtelapan gas.Oleh itu, strategi fasa cecair untuk fabrikasi filem dwilapisan dengan hierarki yang berbeza juga telah dicadangkan untuk meningkatkan prestasi persepsi dengan meningkatkan luas permukaan tertentu41,52,138.Zhu et al139 menggabungkan teknik sputtering dan hidroterma untuk menghasilkan wayar nano ZnO yang sangat teratur berbanding wayar nano SnO2 (wayar nano ZnO@SnO2) untuk pengesanan H2S (Rajah 7c).Tindak balasnya terhadap 1 ppm H2S adalah 1.6 kali lebih tinggi daripada penderia berdasarkan nanofilem ZnO@SnO2 yang terbantut.Liu et al.52 melaporkan penderia H2S berprestasi tinggi menggunakan kaedah pemendapan kimia in situ dua langkah untuk menghasilkan struktur nano SnO2@NiO hierarki diikuti dengan penyepuhlindapan haba (Rajah 10d).Berbanding dengan filem dwilapisan SnO2@NiO terpercik konvensional, prestasi kepekaan struktur dwilapisan hierarki SnO2@NiO bertambah baik dengan ketara disebabkan oleh peningkatan luas permukaan tertentu52,137.
Penderia gas lapisan dua berdasarkan MOS.Nanofilm NiO@SnO2 untuk pengesanan etanol;137b Ga2O3@WO3 nanofilm untuk pengesanan etanol;135c tersusun tinggi SnO2@ZnO struktur hierarki dwilapisan untuk pengesanan H2S;139d SnO2@NiO struktur hierarki dwilapisan untuk mengesan H2S52.
Dalam peranti jenis II berdasarkan heteronanostructures cangkang teras (CSHN), mekanisme penderiaan adalah lebih kompleks, kerana saluran pengaliran tidak terhad kepada cangkang dalam.Kedua-dua laluan pembuatan dan ketebalan (hs) bungkusan boleh menentukan lokasi saluran konduktif.Sebagai contoh, apabila menggunakan kaedah sintesis bawah ke atas, saluran pengaliran biasanya terhad kepada teras dalam, yang serupa dalam struktur kepada struktur peranti dua lapisan atau berbilang lapisan (Rajah 2b(3)) 123, 140, 141, 142, 143. Xu et al.144 melaporkan pendekatan bawah ke atas untuk mendapatkan CSHN NiO@α-Fe2O3 dan CuO@α-Fe2O3 dengan mendepositkan lapisan NiO atau CuO NPs pada nanorod α-Fe2O3 di mana saluran pengaliran dihadkan oleh bahagian tengah.(nanorods α-Fe2O3).Liu et al.142 juga berjaya menyekat saluran pengaliran ke bahagian utama CSHN TiO2 @ Si dengan mendepositkan TiO2 pada tatasusunan wayar nano silikon yang disediakan.Oleh itu, tingkah laku penderiaannya (jenis-p atau jenis-n) bergantung hanya pada jenis semikonduktor wayar nano silikon.
Walau bagaimanapun, kebanyakan penderia berasaskan CSHN yang dilaporkan (Rajah 2b(4)) telah direka dengan memindahkan serbuk bahan CS tersintesis ke cip.Dalam kes ini, laluan pengaliran sensor dipengaruhi oleh ketebalan perumahan (hs).Kumpulan Kim menyiasat kesan hs pada prestasi pengesanan gas dan mencadangkan mekanisme pengesanan yang mungkin100,112,145,146,147,148. Adalah dipercayai bahawa dua faktor menyumbang kepada mekanisme penderiaan struktur ini: (1) modulasi jejari EDL cangkerang dan (2) kesan calitan medan elektrik (Rajah 8) 145. Para penyelidik menyebut bahawa saluran pengaliran daripada pembawa kebanyakannya terhad kepada lapisan shell apabila hs > λD lapisan shell145. Adalah dipercayai bahawa dua faktor menyumbang kepada mekanisme penderiaan struktur ini: (1) modulasi jejari EDL cangkerang dan (2) kesan calitan medan elektrik (Rajah 8) 145. Para penyelidik menyebut bahawa saluran pengaliran daripada pembawa kebanyakannya terhad kepada lapisan shell apabila hs > λD lapisan shell145. Считается, что в механизме восприятия этой структуры участвуют два фактора: (1) радиальная модуляция ДЭС оболочки и (2) эффект размытия электрического поля (рис. 8) 145. Исследователи отметили, что канал проводимости носителей в основном приурочено к оболочке, когда hs > λD оболочки145. Adalah dipercayai bahawa dua faktor terlibat dalam mekanisme persepsi struktur ini: (1) modulasi jejari EDL cangkerang dan (2) kesan mengaburkan medan elektrik (Rajah 8) 145. Para penyelidik menyatakan bahawa saluran pengaliran pembawa terutamanya terhad kepada cengkerang apabila hs > λD cengkerang145.Adalah dipercayai bahawa dua faktor menyumbang kepada mekanisme pengesanan struktur ini: (1) modulasi jejari DEL cangkerang dan (2) kesan calitan medan elektrik (Rajah 8) 145.研究人员提到传导通道当壳层的hs > λD145 时，载流子的数量主要局限于壳层。 > λD145 时，载流子的数量主要局限于壳层。 Исследователи отметили, что канал проводимости Когда hs > λD145 оболочки, количество носителей в основночочом . Para penyelidik menyatakan bahawa saluran pengaliran Apabila hs > λD145 shell, bilangan pembawa terutamanya dihadkan oleh shell.Oleh itu, dalam modulasi perintang penderia berdasarkan CSHN, modulasi jejarian DEL pelapisan diguna pakai (Rajah 8a).Walau bagaimanapun, pada hs ≤ λD cengkerang, zarah oksigen yang diserap oleh cangkerang dan heterojunction yang terbentuk pada heterojunction CS habis elektron sepenuhnya. Oleh itu, saluran pengaliran bukan sahaja terletak di dalam lapisan shell tetapi juga sebahagiannya di bahagian teras, terutamanya apabila hs < λD lapisan shell. Oleh itu, saluran pengaliran bukan sahaja terletak di dalam lapisan shell tetapi juga sebahagiannya di bahagian teras, terutamanya apabila hs < λD lapisan shell. Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочечного слоя, но и частично в сердцевиносточ не только внутри оболочечного слоя, но и частично в сердцевиносточ сердцевиносточ сердцевиносточ ночной Oleh itu, saluran pengaliran terletak bukan sahaja di dalam lapisan shell, tetapi juga sebahagiannya di bahagian teras, terutamanya pada hs < λD lapisan shell.因此，传导通道不仅位于壳层内部，而且部分位于芯部，尤其是当壳层的hs < λD hs < λD 时。 Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочки, но и частично в сердцевине, особеночино особеночки Oleh itu, saluran pengaliran terletak bukan sahaja di dalam cangkerang, tetapi juga sebahagiannya di dalam teras, terutamanya pada hs < λD cangkerang.Dalam kes ini, kedua-dua petala elektron yang habis sepenuhnya dan lapisan teras yang separa habis membantu memodulasi rintangan seluruh CSHN, menghasilkan kesan ekor medan elektrik (Rajah 8b).Beberapa kajian lain telah menggunakan konsep pecahan isipadu EDL dan bukannya ekor medan elektrik untuk menganalisis kesan hs100,148.Dengan mengambil kira kedua-dua sumbangan ini, jumlah modulasi rintangan CSHN mencapai nilai terbesarnya apabila hs setanding dengan sarung λD, seperti ditunjukkan dalam Rajah 8c.Oleh itu, hs optimum untuk CSHN boleh hampir dengan shell λD, yang konsisten dengan pemerhatian eksperimen99,144,145,146,149.Beberapa kajian telah menunjukkan bahawa hs juga boleh menjejaskan sensitiviti sensor pn-heterojunction berasaskan CSHN40,148.Li et al.148 dan Bai et al.40 secara sistematik menyiasat kesan hs pada prestasi penderia CSHN pn-heterojunction, seperti TiO2@CuO dan ZnO@NiO, dengan menukar kitaran ALD pelapisan.Akibatnya, tingkah laku deria berubah daripada jenis-p kepada jenis-n dengan peningkatan hs40,148.Tingkah laku ini disebabkan oleh fakta bahawa pada mulanya (dengan bilangan kitaran ALD yang terhad) heterostruktur boleh dianggap sebagai heteronanostruktur yang diubah suai.Oleh itu, saluran pengaliran dihadkan oleh lapisan teras (MOSFET jenis p), dan sensor mempamerkan tingkah laku pengesanan jenis p.Apabila bilangan kitaran ALD bertambah, lapisan pelapisan (MOSFET jenis-n) menjadi separa berterusan dan bertindak sebagai saluran pengaliran, menghasilkan sensitiviti jenis-n.Tingkah laku peralihan deria yang serupa telah dilaporkan untuk struktur heteronano bercabang pn 150,151 .Zhou et al.150 menyiasat sensitiviti heteronanostruktur bercabang Zn2SnO4@Mn3O4 dengan mengawal kandungan Zn2SnO4 pada permukaan wayar nano Mn3O4.Apabila nukleus Zn2SnO4 terbentuk pada permukaan Mn3O4, sensitiviti jenis p diperhatikan.Dengan peningkatan selanjutnya dalam kandungan Zn2SnO4, sensor berdasarkan struktur heteronano Zn2SnO4@Mn3O4 bercabang bertukar kepada tingkah laku sensor jenis-n.
Penerangan konsep mekanisme penderia dua fungsi wayar nano CS ditunjukkan.a Modulasi rintangan disebabkan oleh modulasi jejari bagi cengkerang kehabisan elektron, b Kesan negatif calitan pada modulasi rintangan, dan c Jumlah modulasi rintangan bagi wayar nano CS disebabkan gabungan kedua-dua kesan 40
Kesimpulannya, sensor jenis II merangkumi banyak struktur nano hierarki yang berbeza, dan prestasi sensor sangat bergantung pada susunan saluran konduktif.Oleh itu, adalah penting untuk mengawal kedudukan saluran pengaliran penderia dan menggunakan model MOS berstruktur heteronano yang sesuai untuk mengkaji mekanisme penderiaan lanjutan bagi penderia jenis II.
Struktur sensor jenis III tidak begitu biasa, dan saluran pengaliran adalah berdasarkan heterojunction yang terbentuk antara dua semikonduktor yang disambungkan kepada dua elektrod, masing-masing.Struktur peranti unik biasanya diperoleh melalui teknik pemesinan mikro dan mekanisme penderiaannya sangat berbeza daripada dua struktur sensor sebelumnya.Lengkung IV bagi penderia Jenis III biasanya mempamerkan ciri pembetulan tipikal disebabkan pembentukan heterojunction48,152,153.Lengkung ciri I-V bagi heterojunction ideal boleh digambarkan oleh mekanisme termionik pelepasan elektron ke atas ketinggian halangan heterojunction152,154,155.
di mana Va ialah voltan pincang, A ialah luas peranti, k ialah pemalar Boltzmann, T ialah suhu mutlak, q ialah cas pembawa, Jn dan Jp ialah lubang dan ketumpatan arus resapan elektron, masing-masing.IS mewakili arus ketepuan terbalik, ditakrifkan sebagai: 152,154,155
Oleh itu, jumlah arus heterojunction pn bergantung kepada perubahan dalam kepekatan pembawa cas dan perubahan ketinggian halangan heterojunction, seperti yang ditunjukkan dalam persamaan (3) dan (4) 156
di mana nn0 dan pp0 ialah kepekatan elektron (lubang) dalam MOS jenis-n (jenis-p), \(V_{bi}^0\) ialah potensi terbina dalam, Dp (Dn) ialah pekali resapan bagi elektron (lubang), Ln (Lp ) ialah panjang resapan elektron (lubang), ΔEv (ΔEc) ialah anjakan tenaga jalur valens (jalur pengaliran) pada heterojunction.Walaupun ketumpatan semasa adalah berkadar dengan ketumpatan pembawa, ia adalah berkadar songsang secara eksponen dengan \(V_{bi}^0\).Oleh itu, perubahan keseluruhan dalam ketumpatan arus sangat bergantung pada modulasi ketinggian halangan heterojunction.
Seperti yang dinyatakan di atas, penciptaan MOSFET hetero-nanostructured (contohnya, peranti jenis I dan jenis II) boleh meningkatkan prestasi penderia dengan ketara, dan bukannya komponen individu.Dan untuk peranti jenis III, tindak balas heteronanostruktur boleh lebih tinggi daripada dua komponen48,153 atau lebih tinggi daripada satu komponen76, bergantung pada komposisi kimia bahan.Beberapa laporan telah menunjukkan bahawa tindak balas heteronanostruktur adalah lebih tinggi daripada komponen tunggal apabila salah satu komponen tidak sensitif terhadap gas sasaran48,75,76,153.Dalam kes ini, gas sasaran akan berinteraksi hanya dengan lapisan sensitif dan menyebabkan peralihan Ef lapisan sensitif dan perubahan ketinggian halangan heterojunction.Kemudian jumlah arus peranti akan berubah dengan ketara, kerana ia berkaitan secara songsang dengan ketinggian halangan heterojunction mengikut persamaan.(3) dan (4) 48,76,153.Walau bagaimanapun, apabila kedua-dua komponen jenis-n dan jenis-p sensitif kepada gas sasaran, prestasi pengesanan boleh berada di antaranya.José et al.76 menghasilkan penderia NO2 filem NiO/SnO2 berliang dengan sputtering dan mendapati bahawa kepekaan penderia hanya lebih tinggi daripada penderia berasaskan NiO, tetapi lebih rendah daripada penderia berasaskan SnO2.penderia.Fenomena ini disebabkan oleh fakta bahawa SnO2 dan NiO mempamerkan tindak balas yang bertentangan dengan NO276.Juga, kerana kedua-dua komponen mempunyai kepekaan gas yang berbeza, mereka mungkin mempunyai kecenderungan yang sama untuk mengesan gas pengoksidaan dan pengurangan.Sebagai contoh, Kwon et al.157 mencadangkan sensor gas pn-heterojunction NiO/SnO2 dengan sputtering serong, seperti ditunjukkan dalam Rajah 9a.Menariknya, sensor pn-heterojunction NiO/SnO2 menunjukkan trend sensitiviti yang sama untuk H2 dan NO2 (Rajah 9a).Untuk menyelesaikan keputusan ini, Kwon et al.157 menyiasat secara sistematik bagaimana NO2 dan H2 mengubah kepekatan pembawa dan menala \(V_{bi}^0\) kedua-dua bahan menggunakan ciri-IV dan simulasi komputer (Rajah 9bd).Rajah 9b dan c menunjukkan keupayaan H2 dan NO2 untuk menukar ketumpatan pembawa penderia berdasarkan p-NiO (pp0) dan n-SnO2 (nn0), masing-masing.Mereka menunjukkan bahawa pp0 bagi p-jenis NiO sedikit berubah dalam persekitaran NO2, manakala ia berubah secara mendadak dalam persekitaran H2 (Rajah 9b).Walau bagaimanapun, untuk SnO2 jenis-n, nn0 berkelakuan dengan cara yang bertentangan (Rajah 9c).Berdasarkan keputusan ini, penulis membuat kesimpulan bahawa apabila H2 digunakan pada sensor berdasarkan heterojunction NiO/SnO2 pn, peningkatan dalam nn0 membawa kepada peningkatan dalam Jn, dan \(V_{bi}^0\) membawa kepada a penurunan dalam tindak balas (Rajah 9d).Selepas pendedahan kepada NO2, kedua-dua penurunan besar dalam nn0 dalam SnO2 dan peningkatan kecil dalam pp0 dalam NiO membawa kepada penurunan besar dalam \(V_{bi}^0\), yang memastikan peningkatan dalam tindak balas deria (Rajah 9d). ) 157 Kesimpulannya, perubahan dalam kepekatan pembawa dan \(V_{bi}^0\) membawa kepada perubahan dalam jumlah arus, yang seterusnya menjejaskan keupayaan pengesanan.
Mekanisme penderiaan penderia gas adalah berdasarkan struktur peranti Jenis III.Mengimbas imej keratan rentas mikroskop elektron (SEM), peranti nanogegelung p-NiO/n-SnO2 dan sifat penderia bagi penderia heterojunction gegelung nano p-NiO/n-SnO2 pada 200°C untuk H2 dan NO2;b , SEM keratan rentas peranti c dan hasil simulasi peranti dengan lapisan b p-NiO dan lapisan c n-SnO2.Penderia b p-NiO dan penderia c n-SnO2 mengukur dan memadankan ciri I–V dalam udara kering dan selepas terdedah kepada H2 dan NO2.Peta dua dimensi ketumpatan b-lubang dalam p-NiO dan peta c-elektron dalam lapisan n-SnO2 dengan skala warna telah dimodelkan menggunakan perisian Sentaurus TCAD.d Keputusan simulasi menunjukkan peta 3D p-NiO/n-SnO2 dalam udara kering, H2 dan NO2157 dalam persekitaran.
Sebagai tambahan kepada sifat kimia bahan itu sendiri, struktur peranti Jenis III menunjukkan kemungkinan mencipta penderia gas berkuasa sendiri, yang tidak mungkin dengan peranti Jenis I dan Jenis II.Kerana medan elektrik yang wujud (BEF), struktur diod heterojunction pn biasanya digunakan untuk membina peranti fotovoltaik dan menunjukkan potensi untuk membuat penderia gas fotoelektrik berkuasa sendiri pada suhu bilik di bawah pencahayaan74,158,159,160,161.BEF pada heterointerface, yang disebabkan oleh perbezaan dalam tahap Fermi bahan, juga menyumbang kepada pemisahan pasangan lubang elektron.Kelebihan penderia gas fotovoltaik berkuasa sendiri adalah penggunaan kuasanya yang rendah kerana ia boleh menyerap tenaga cahaya yang menerangi dan kemudian mengawal dirinya sendiri atau peranti kecil lain tanpa memerlukan sumber kuasa luaran.Sebagai contoh, Tanuma dan Sugiyama162 telah mencipta heterojunctions NiO/ZnO pn sebagai sel suria untuk mengaktifkan sensor CO2 polihabluran berasaskan SnO2.Gad et al.74 melaporkan sensor gas fotovoltaik berkuasa sendiri berdasarkan heterojunction Si/ZnO@CdS pn, seperti ditunjukkan dalam Rajah 10a.Wayar nano ZnO berorientasikan menegak ditanam terus pada substrat silikon jenis p untuk membentuk heterojunctions Si/ZnO pn.Kemudian nanopartikel CdS diubah suai pada permukaan wayar nano ZnO dengan pengubahsuaian permukaan kimia.Pada rajah.10a menunjukkan keputusan tindak balas penderia Si/ZnO@CdS luar talian untuk O2 dan etanol.Di bawah pencahayaan, voltan litar terbuka (Voc) disebabkan oleh pemisahan pasangan lubang elektron semasa BEP pada heterointerface Si/ZnO meningkat secara linear dengan bilangan diod yang disambungkan74,161.Voc boleh diwakili oleh persamaan.(5) 156,
di mana ND, NA, dan Ni ialah kepekatan penderma, penerima, dan pembawa intrinsik, masing-masing, dan k, T, dan q ialah parameter yang sama seperti dalam persamaan sebelumnya.Apabila terdedah kepada gas pengoksidaan, mereka mengekstrak elektron daripada wayar nano ZnO, yang membawa kepada penurunan dalam \(N_D^{ZnO}\) dan Voc.Sebaliknya, pengurangan gas menghasilkan peningkatan dalam Voc (Rajah 10a).Apabila menghiasi ZnO dengan nanopartikel CdS, elektron fototeruja dalam nanozarah CdS disuntik ke dalam jalur pengaliran ZnO dan berinteraksi dengan gas terjerap, dengan itu meningkatkan kecekapan persepsi74,160.Sensor gas fotovoltaik berkuasa sendiri yang serupa berdasarkan Si / ZnO dilaporkan oleh Hoffmann et al.160, 161 (Gamb. 10b).Penderia ini boleh disediakan menggunakan barisan nanopartikel ZnO yang berfungsi amina ([3-(2-aminoethylamino)propyl]trimethoxysilane) (SAM yang berfungsi amino) dan thiol ((3-mercaptopropyl) yang berfungsi, untuk melaraskan fungsi kerja daripada gas sasaran untuk pengesanan terpilih NO2 (trimethoxysilane) (thiol-functionalized-SAM)) (Rajah 10b) 74,161.
Sensor gas fotoelektrik berkuasa sendiri berdasarkan struktur peranti jenis III.penderia gas fotovoltaik berkuasa sendiri berdasarkan Si/ZnO@CdS, mekanisme penderiaan berkuasa sendiri dan tindak balas sensor terhadap gas teroksida (O2) dan terkurang (1000 ppm etanol) di bawah cahaya matahari;74b Penderia gas fotovoltaik berkuasa sendiri berdasarkan penderia Si ZnO/ZnO dan tindak balas penderia kepada pelbagai gas selepas fungsi ZnO SAM dengan amina terminal dan tiol 161
Oleh itu, apabila membincangkan mekanisme sensitif penderia jenis III, adalah penting untuk menentukan perubahan ketinggian halangan heterojunction dan keupayaan gas untuk mempengaruhi kepekatan pembawa.Selain itu, pencahayaan boleh menjana pembawa janaan foto yang bertindak balas dengan gas, yang menjanjikan pengesanan gas berkuasa sendiri.
Seperti yang dibincangkan dalam kajian literatur ini, banyak struktur heteronano MOS yang berbeza telah direka untuk meningkatkan prestasi sensor.Pangkalan data Web Sains telah dicari untuk pelbagai kata kunci (komposit oksida logam, oksida logam sarung teras, oksida logam berlapis, dan penganalisis gas berkuasa sendiri) serta ciri tersendiri (kelimpahan, kepekaan/selektiviti, potensi penjanaan kuasa, pembuatan) .Kaedah Ciri-ciri tiga daripada tiga peranti ini ditunjukkan dalam Jadual 2. Konsep reka bentuk keseluruhan untuk penderia gas berprestasi tinggi dibincangkan dengan menganalisis tiga faktor utama yang dicadangkan oleh Yamazoe.Mekanisme untuk Penderia Heterostruktur MOS Untuk memahami faktor yang mempengaruhi penderia gas, pelbagai parameter MOS (cth, saiz butiran, suhu operasi, kecacatan dan ketumpatan kekosongan oksigen, satah kristal terbuka) telah dikaji dengan teliti.Struktur peranti, yang juga penting kepada tingkah laku penderiaan sensor, telah diabaikan dan jarang dibincangkan.Kajian ini membincangkan mekanisme asas untuk mengesan tiga jenis struktur peranti biasa.
Struktur saiz butiran, kaedah pembuatan, dan bilangan heterojunctions bahan penderiaan dalam penderia Jenis I boleh mempengaruhi kepekaan penderia.Di samping itu, tingkah laku sensor juga dipengaruhi oleh nisbah molar komponen.Struktur peranti Jenis II (struktur heteronano hiasan, filem dwilapis atau berbilang lapisan, HSSN) ialah struktur peranti paling popular yang terdiri daripada dua atau lebih komponen, dan hanya satu komponen disambungkan ke elektrod.Untuk struktur peranti ini, menentukan lokasi saluran pengaliran dan perubahan relatifnya adalah penting dalam mengkaji mekanisme persepsi.Oleh kerana peranti jenis II merangkumi banyak struktur heteronano hierarki yang berbeza, banyak mekanisme penderiaan yang berbeza telah dicadangkan.Dalam struktur deria jenis III, saluran pengaliran dikuasai oleh heterojunction yang terbentuk pada heterojunction, dan mekanisme persepsi adalah berbeza sama sekali.Oleh itu, adalah penting untuk menentukan perubahan ketinggian halangan heterojunction selepas pendedahan gas sasaran kepada sensor jenis III.Dengan reka bentuk ini, penderia gas fotovoltaik berkuasa sendiri boleh dibuat untuk mengurangkan penggunaan kuasa.Walau bagaimanapun, memandangkan proses fabrikasi semasa agak rumit dan sensitivitinya jauh lebih rendah daripada penderia gas kemo-resistif berasaskan MOS, masih terdapat banyak kemajuan dalam penyelidikan penderia gas berkuasa sendiri.
Kelebihan utama penderia MOS gas dengan struktur heteronano hierarki ialah kelajuan dan kepekaan yang lebih tinggi.Walau bagaimanapun, beberapa masalah utama penderia gas MOS (cth, suhu operasi yang tinggi, kestabilan jangka panjang, selektiviti dan kebolehulangan yang lemah, kesan kelembapan, dll.) masih wujud dan perlu ditangani sebelum ia boleh digunakan dalam aplikasi praktikal.Penderia gas MOS moden biasanya beroperasi pada suhu tinggi dan menggunakan banyak kuasa, yang menjejaskan kestabilan jangka panjang penderia.Terdapat dua pendekatan biasa untuk menyelesaikan masalah ini: (1) pembangunan cip sensor kuasa rendah;(2) pembangunan bahan sensitif baru yang boleh beroperasi pada suhu rendah atau bahkan pada suhu bilik.Satu pendekatan untuk pembangunan cip sensor berkuasa rendah adalah untuk meminimumkan saiz sensor dengan membuat plat pemanasan mikro berdasarkan seramik dan silikon163.Plat pemanasan mikro berasaskan seramik menggunakan kira-kira 50–70 mV setiap penderia, manakala plat pemanasan mikro berasaskan silikon yang dioptimumkan boleh menggunakan sekurang-kurangnya 2 mW setiap penderia apabila beroperasi secara berterusan pada 300 °C163,164.Pembangunan bahan penderiaan baharu ialah cara yang berkesan untuk mengurangkan penggunaan kuasa dengan menurunkan suhu operasi, dan juga boleh meningkatkan kestabilan sensor.Memandangkan saiz MOS terus dikurangkan untuk meningkatkan kepekaan sensor, kestabilan terma MOS menjadi lebih mencabar, yang boleh menyebabkan hanyut dalam isyarat sensor165.Di samping itu, suhu tinggi menggalakkan penyebaran bahan pada heterointerface dan pembentukan fasa campuran, yang menjejaskan sifat elektronik sensor.Para penyelidik melaporkan bahawa suhu operasi optimum sensor boleh dikurangkan dengan memilih bahan penderiaan yang sesuai dan membangunkan struktur heteronano MOS.Pencarian kaedah suhu rendah untuk menghasilkan struktur heteronano MOS yang sangat kristal adalah satu lagi pendekatan yang menjanjikan untuk meningkatkan kestabilan.
Selektiviti penderia MOS ialah satu lagi isu praktikal kerana gas berbeza wujud bersama gas sasaran, manakala penderia MOS selalunya sensitif kepada lebih daripada satu gas dan sering mempamerkan kepekaan silang.Oleh itu, meningkatkan selektiviti penderia kepada gas sasaran dan juga kepada gas lain adalah penting untuk aplikasi praktikal.Sepanjang beberapa dekad yang lalu, pilihan itu sebahagiannya telah ditangani dengan membina susunan penderia gas yang dipanggil "hidung elektronik (E-nose)" dalam kombinasi dengan algoritma analisis pengiraan seperti pengkuantitian vektor latihan (LVQ), analisis komponen utama (PCA), dan lain-lain e.Masalah seksual.Separa Kuasa Dua Terkecil (PLS), dsb. 31, 32, 33, 34. Dua faktor utama (bilangan penderia, yang berkait rapat dengan jenis bahan penderiaan dan analisis pengiraan) adalah penting untuk meningkatkan keupayaan hidung elektronik untuk mengenal pasti gas169.Walau bagaimanapun, meningkatkan bilangan penderia biasanya memerlukan banyak proses pembuatan yang kompleks, jadi adalah penting untuk mencari kaedah mudah untuk meningkatkan prestasi hidung elektronik.Di samping itu, mengubah suai MOS dengan bahan lain juga boleh meningkatkan selektiviti sensor.Sebagai contoh, pengesanan terpilih H2 boleh dicapai kerana aktiviti pemangkin MOS yang baik diubah suai dengan NP Pd.Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, beberapa penyelidik telah menyalut permukaan MOS MOF untuk meningkatkan selektiviti sensor melalui pengecualian saiz171,172.Diilhamkan oleh karya ini, kefungsian bahan entah bagaimana boleh menyelesaikan masalah selektiviti.Walau bagaimanapun, masih banyak kerja yang perlu dilakukan dalam memilih bahan yang betul.
Kebolehulangan ciri penderia yang dihasilkan di bawah keadaan dan kaedah yang sama adalah satu lagi keperluan penting untuk pengeluaran berskala besar dan aplikasi praktikal.Biasanya, kaedah sentrifugasi dan mencelup adalah kaedah kos rendah untuk fabrikasi penderia gas throughput tinggi.Walau bagaimanapun, semasa proses ini, bahan sensitif cenderung untuk mengagregat dan hubungan antara bahan sensitif dan substrat menjadi lemah68, 138, 168. Akibatnya, kepekaan dan kestabilan sensor merosot dengan ketara, dan prestasi menjadi boleh dihasilkan semula.Kaedah fabrikasi lain seperti sputtering, ALD, pemendapan laser berdenyut (PLD) dan pemendapan wap fizikal (PVD) membenarkan penghasilan filem MOS dwilapis atau berbilang lapisan secara langsung pada substrat silikon atau alumina bercorak.Teknik ini mengelakkan pengumpulan bahan sensitif, memastikan kebolehulangan sensor, dan menunjukkan kebolehlaksanaan pengeluaran skala besar penderia filem nipis planar.Walau bagaimanapun, sensitiviti filem rata ini secara amnya adalah jauh lebih rendah daripada bahan berstruktur nano 3D disebabkan oleh luas permukaan khusus yang kecil dan kebolehtelapan gas yang rendah41,174.Strategi baharu untuk mengembangkan heteronanostruktur MOS di lokasi tertentu pada susunan mikro berstruktur dan mengawal saiz, ketebalan dan morfologi bahan sensitif dengan tepat adalah penting untuk fabrikasi penderia tahap wafer kos rendah dengan kebolehulangan dan kepekaan yang tinggi.Sebagai contoh, Liu et al.174 mencadangkan strategi gabungan atas-bawah dan bawah-atas untuk mengarang kristalit pemprosesan tinggi dengan menumbuhkan dinding nano Ni(OH)2 in situ di lokasi tertentu..Wafer untuk pembakar mikro.
Di samping itu, ia juga penting untuk mempertimbangkan kesan kelembapan pada sensor dalam aplikasi praktikal.Molekul air boleh bersaing dengan molekul oksigen untuk tapak penjerapan dalam bahan penderia dan menjejaskan tanggungjawab penderia untuk gas sasaran.Seperti oksigen, air bertindak sebagai molekul melalui penyerapan fizikal, dan juga boleh wujud dalam bentuk radikal hidroksil atau kumpulan hidroksil di pelbagai stesen pengoksidaan melalui chemisorption.Di samping itu, disebabkan oleh tahap tinggi dan kelembapan persekitaran yang berubah-ubah, tindak balas sensor yang boleh dipercayai kepada gas sasaran adalah masalah besar.Beberapa strategi telah dibangunkan untuk menangani masalah ini, seperti prapekatan gas177, pampasan lembapan dan kaedah kekisi reaktif silang178, serta kaedah pengeringan179,180.Walau bagaimanapun, kaedah ini mahal, kompleks, dan mengurangkan sensitiviti sensor.Beberapa strategi murah telah dicadangkan untuk menyekat kesan kelembapan.Sebagai contoh, menghias SnO2 dengan nanopartikel Pd boleh menggalakkan penukaran oksigen terjerap kepada zarah anionik, manakala menfungsikan SnO2 dengan bahan dengan pertalian tinggi untuk molekul air, seperti NiO dan CuO, adalah dua cara untuk mengelakkan pergantungan kelembapan pada molekul air..Sensor 181, 182, 183. Selain itu, kesan kelembapan juga boleh dikurangkan dengan menggunakan bahan hidrofobik untuk membentuk permukaan hidrofobik36,138,184,185.Walau bagaimanapun, pembangunan penderia gas tahan lembapan masih di peringkat awal, dan strategi yang lebih maju diperlukan untuk menangani isu ini.
Kesimpulannya, peningkatan dalam prestasi pengesanan (cth, kepekaan, selektiviti, suhu operasi optimum yang rendah) telah dicapai dengan mencipta struktur heteronano MOS, dan pelbagai mekanisme pengesanan yang lebih baik telah dicadangkan.Apabila mengkaji mekanisme penderiaan sensor tertentu, struktur geometri peranti juga mesti diambil kira.Penyelidikan ke dalam bahan penderiaan baharu dan penyelidikan ke dalam strategi fabrikasi lanjutan akan diperlukan untuk meningkatkan lagi prestasi penderia gas dan menangani cabaran yang tinggal pada masa hadapan.Untuk penalaan terkawal ciri penderia, adalah perlu untuk membina hubungan secara sistematik antara kaedah sintetik bahan penderia dan fungsi heteronanostructure.Di samping itu, kajian tindak balas permukaan dan perubahan dalam heterointerfaces menggunakan kaedah pencirian moden boleh membantu menjelaskan mekanisme persepsi mereka dan memberikan cadangan untuk pembangunan sensor berdasarkan bahan heteronanostructured.Akhir sekali, kajian strategi fabrikasi sensor moden mungkin membenarkan fabrikasi penderia gas kecil pada tahap wafer untuk aplikasi perindustrian mereka.
Genzel, NN et al.Kajian membujur tahap nitrogen dioksida dalaman dan gejala pernafasan pada kanak-kanak yang menghidap asma di kawasan bandar.kejiranan.Perspektif kesihatan.116, 1428–1432 (2008).
Masa siaran: Nov-04-2022
