Pangembangan sensor gas portabel lan miniatur kanthi kinerja dhuwur, tambah akeh perhatian ing bidang pemantauan lingkungan, keamanan, diagnostik medis lan pertanian.Ing antarane macem-macem alat deteksi, sensor gas kemo-resistif metal-oksida-semikonduktor (MOS) minangka pilihan sing paling populer kanggo aplikasi komersial amarga stabilitas sing dhuwur, biaya murah, lan sensitivitas dhuwur.Salah sawijining pendekatan sing paling penting kanggo nambah kinerja sensor yaiku nggawe heterojunctions basis MOS nanosized (hetero-nanostructured MOS) saka nanomaterials MOS.Nanging, mekanisme sensing saka sensor MOS heteronanostructured beda saka sensor gas MOS siji, amarga iku cukup Komplek.Kinerja sensor dipengaruhi dening macem-macem paramèter, kalebu sifat fisik lan kimia saka materi sing sensitif (kayata ukuran gandum, kapadhetan cacat, lan lowongan oksigen materi), suhu operasi, lan struktur piranti.Tinjauan iki nyedhiyakake sawetara konsep kanggo ngrancang sensor gas kinerja dhuwur kanthi nganalisa mekanisme sensing sensor MOS struktur nano heterogen.Kajaba iku, pengaruh struktur geometris piranti, sing ditemtokake dening hubungan antarane bahan sensitif lan elektroda kerja, dibahas.Kanggo nyinaoni prilaku sensor kanthi sistematis, artikel iki ngenalake lan ngrembug mekanisme umum saka persepsi telung struktur geometris khas piranti adhedhasar macem-macem bahan heteronostructured.Ringkesan iki bakal dadi pandhuan kanggo maca ing mangsa ngarep sing nyinaoni mekanisme sensitif sensor gas lan ngembangake sensor gas kinerja dhuwur.
Polusi udara minangka masalah sing saya serius lan masalah lingkungan global serius sing ngancam kesejahteraan manungsa lan makhluk urip.Inhalasi polutan gas bisa nyebabake akeh masalah kesehatan kayata penyakit pernapasan, kanker paru-paru, leukemia lan malah pati prematur1,2,3,4.Wiwit taun 2012 nganti 2016, mayuta-yuta wong kacarita tiwas amarga polusi udara, lan saben taun, mayuta-yuta wong ngalami kualitas udara sing ora apik5.Mula, penting kanggo ngembangake sensor gas portabel lan miniatur sing bisa menehi umpan balik wektu nyata lan kinerja deteksi dhuwur (contone, sensitivitas, selektivitas, stabilitas, lan wektu respon lan pemulihan).Saliyane ngawasi lingkungan, sensor gas nduweni peran penting ing safety6,7,8, diagnostik medis9,10, akuakultur11 lan lapangan liyane12.
Nganti saiki, sawetara sensor gas portabel adhedhasar mekanisme sensing sing beda wis dikenalake, kayata optik13,14,15,16,17,18, elektrokimia19,20,21,22 lan sensor resistif kimia23,24.Antarane wong-wong mau, sensor resistif kimia metal-oxide-semiconductor (MOS) sing paling populer ing aplikasi komersial amarga stabilitas dhuwur lan biaya murah25,26.Konsentrasi rereged bisa ditemtokake mung kanthi ndeteksi owah-owahan ing resistensi MOS.Ing wiwitan taun 1960-an, sensor gas kemo-resistif pisanan sing adhedhasar film tipis ZnO dilapurake, ngasilake kapentingan gedhe ing bidang deteksi gas27,28.Dina iki, akeh MOS beda digunakake minangka bahan sensitif gas, lan padha bisa dipérang dadi rong kategori adhedhasar sifat fisik: n-jinis MOS karo elektron minangka operator daya mayoritas lan p-jinis MOS karo bolongan minangka operator daya mayoritas.ngisi operator.Umumé, MOS tipe-p kurang populer tinimbang MOS tipe-n amarga respon induktif MOS tipe-p (Sp) sebanding karo akar kuadrat saka MOS tipe-n (\(S_p = \sqrt { S_n}\ ) ) ing asumsi sing padha (contone, struktur morfologi sing padha lan owah-owahan sing padha ing mlengkung pita ing udhara) 29,30.Nanging, sensor MOS basis siji isih ngadhepi masalah kayata watesan deteksi ora cukup, sensitivitas kurang lan selektivitas ing aplikasi praktis.Masalah selektivitas bisa ditangani nganti sawetara kanthi nggawe susunan sensor (disebut "irung elektronik") lan nggabungake algoritma analisis komputasi kayata kuantisasi vektor latihan (LVQ), analisis komponen utama (PCA), lan analisis kuadrat paling sithik (PLS)31, 32, 33, 34, 35. Kajaba iku, produksi MOS32,36,37,38,39 (contone, nanomaterial siji-dimensi (1D), 0D lan 2D), uga nggunakake nanomaterial liyane ( contone MOS40,41,42 , nanopartikel logam mulia (NPs))43,44, karbon nanomaterials45,46 lan polimer konduktif47,48) kanggo nggawe heterojunctions nanoscale (yaiku, heteronanostructured MOS) minangka pendekatan pilihan liyane kanggo ngatasi masalah ing ndhuwur.Dibandhingake karo film MOS kandel tradisional, MOS kurang-dimensi karo area lumahing tartamtu dhuwur bisa nyedhiyani situs luwih aktif kanggo adsorpsi gas lan nggampangake difusi gas36,37,49.Kajaba iku, desain heteronanostructures basis MOS bisa luwih tune transportasi operator ing heterointerface, asil ing owah-owahan gedhe ing resistance amarga beda fungsi operasi50,51,52.Kajaba iku, sawetara efek kimia (contone, aktivitas katalitik lan reaksi permukaan sinergis) sing dumadi ing desain struktur heteronano MOS uga bisa ningkatake kinerja sensor. kinerja sensor, sensor chemo-resistive modern biasane nggunakake nyoba lan kesalahan, kang wektu-akeh lan ora efisien.Mulane, penting kanggo ngerti mekanisme sensing saka sensor gas adhedhasar MOS amarga bisa nuntun desain sensor arah kinerja dhuwur.
Ing taun-taun pungkasan, sensor gas MOS wis dikembangake kanthi cepet lan sawetara laporan wis diterbitake ing struktur nano MOS55,56,57, sensor gas suhu kamar58,59, bahan sensor MOS khusus60,61,62 lan sensor gas khusus63.A review paper in Other Reviews fokus kanggo njlentrehake mekanisme sensing sensor gas adhedhasar sifat fisik lan kimia intrinsik MOS, kalebu peran lowongan oksigen 64, peran heteronanostructures 55, 65 lan transfer muatan ing heterointerfaces 66. Kajaba iku , akeh paramèter liyane mengaruhi kinerja sensor, kalebu heterostructure, ukuran gandum, suhu operasi, Kapadhetan cacat, lowongan oksigen, lan malah pesawat kristal mbukak saka material sensitif25,67,68,69,70,71.72, 73. Nanging, struktur geometris piranti (jarang kasebut), ditemtokake dening hubungan antarane bahan sensing lan elektroda kerja, uga mengaruhi sensitivitas sensor74,75,76 (pirsani bagean 3 kanggo rincian liyane) .Contone, Kumar et al.77 nglaporake rong sensor gas adhedhasar materi sing padha (contone, sensor gas rong lapisan adhedhasar TiO2@NiO lan NiO@TiO2) lan diamati owah-owahan sing beda ing resistensi gas NH3 amarga geometri piranti sing beda.Mulane, nalika nganalisa mekanisme gas-sensing, iku penting kanggo njupuk menyang akun struktur piranti.Ing review iki, penulis fokus ing mekanisme deteksi basis MOS kanggo macem-macem struktur nano heterogen lan struktur piranti.Kita yakin manawa review iki bisa dadi pandhuan kanggo para pamaca sing pengin ngerti lan nganalisa mekanisme deteksi gas lan bisa menehi kontribusi kanggo pangembangan sensor gas kinerja dhuwur ing mangsa ngarep.
Ing anjir.1a nuduhake model dhasar mekanisme sensor gas adhedhasar MOS siji.Nalika suhu mundhak, adsorpsi molekul oksigen (O2) ing permukaan MOS bakal narik elektron saka MOS lan mbentuk spesies anionik (kayata O2- lan O-).Banjur, lapisan panipisan elektron (EDL) kanggo MOS tipe-n utawa lapisan akumulasi bolongan (HAL) kanggo MOS tipe-p banjur dibentuk ing permukaan MOS 15, 23, 78. Interaksi antarane O2 lan MOS nyebabake pita konduksi saka permukaan MOS mlengkung munggah lan mbentuk alangan potensial.Salajengipun, nalika sensor kapapar gas target, gas adsorbed ing lumahing MOS bereaksi karo spesies oksigen ionik, bisa narik elektron (gas oksidasi) utawa nyumbang elektron (gas ngurangi).Transfer elektron antarane gas target lan MOS bisa nyetel jembaré EDL utawa HAL30,81 asil ing owah-owahan ing resistance sakabèhé saka sensor MOS.Contone, kanggo gas ngurangi, elektron bakal ditransfer saka gas ngurangi kanggo n-jinis MOS, asil ing EDL ngisor lan resistance ngisor, kang diarani minangka n-jinis sensor prilaku.Ing kontras, nalika p-jinis MOS kapapar gas ngurangi sing nemtokake prilaku sensitivitas p-jinis, HAL nyusut lan resistance mundhak amarga sumbangan elektron.Kanggo gas oksidasi, respon sensor ngelawan karo sing kanggo ngurangi gas.
Mekanisme deteksi dhasar kanggo MOS tipe-n lan tipe-p kanggo ngurangi lan ngoksidasi gas b Faktor kunci lan sifat fisika-kimia utawa materi sing ana ing sensor gas semikonduktor 89
Kajaba saka mekanisme deteksi dhasar, mekanisme deteksi gas sing digunakake ing sensor gas praktis cukup rumit.Contone, panggunaan sensor gas sing nyata kudu nyukupi akeh syarat (kayata sensitivitas, selektivitas, lan stabilitas) gumantung saka kabutuhan pangguna.Keperluan kasebut raket banget karo sifat fisik lan kimia saka materi sing sensitif.Contone, Xu et al.71 nuduhake yen sensor adhedhasar SnO2 entuk sensitivitas paling dhuwur nalika diameter kristal (d) padha karo utawa kurang saka kaping pindho dawa Debye (λD) saka SnO271.Nalika d ≤ 2λD, SnO2 rampung entek sawise adsorpsi molekul O2, lan respon saka sensor kanggo gas ngurangi maksimum.Kajaba iku, macem-macem paramèter liyane bisa mengaruhi kinerja sensor, kalebu suhu operasi, cacat kristal, lan malah pesawat kristal kapapar materi sensing.Utamane, pengaruh suhu operasi diterangake kanthi kompetisi sing bisa ditindakake antarane tingkat adsorpsi lan desorpsi gas target, uga reaktivitas permukaan antarane molekul gas adsorbed lan partikel oksigen4,82.Efek saka cacat kristal banget gegayutan karo isi lowongan oksigen [83, 84].Operasi sensor uga bisa kena pengaruh reaktivitas beda saka pasuryan kristal mbukak67,85,86,87.Pesawat kristal sing mbukak kanthi kapadhetan luwih murah nuduhake kation logam sing ora terkoordinasi kanthi energi sing luwih dhuwur, sing ningkatake adsorpsi lan reaktivitas permukaan88.Tabel 1 nampilake sawetara faktor kunci lan mekanisme persepsi sing luwih apik.Mulane, kanthi nyetel paramèter materi kasebut, kinerja deteksi bisa ditingkatake, lan penting kanggo nemtokake faktor kunci sing mengaruhi kinerja sensor.
Yamazoe89 lan Shimanoe et al.68,71 nindakake sawetara studi babagan mekanisme teoritis persepsi sensor lan ngajokake telung faktor kunci independen sing mengaruhi kinerja sensor, utamane fungsi reseptor, fungsi transduser, lan sarana (Gambar 1b)..Fungsi reseptor nuduhake kemampuan permukaan MOS kanggo sesambungan karo molekul gas.Fungsi iki raket banget karo sifat kimia MOS lan bisa nambah sacara signifikan kanthi ngenalake akseptor asing (contone, NP logam lan MOS liyane).Fungsi transduser nuduhake kemampuan kanggo ngowahi reaksi antarane gas lan lumahing MOS menyang sinyal electrical didominasi dening wates gandum saka MOS.Mangkono, fungsi sensori sacara signifikan kena pengaruh ukuran partikel MOC lan kapadhetan reseptor asing.Katoch et al.90 nglapurake yen pangurangan ukuran butir saka nanofibril ZnO-SnO2 nyebabake pembentukan akeh heterojunctions lan sensitivitas sensor tambah, konsisten karo fungsi transduser.Wang et al.91 mbandhingake macem-macem ukuran gandum saka Zn2GeO4 lan nuduhake 6,5-fold nambah sensitivitas sensor sawise ngenalke wates gandum.Utilitas minangka faktor kinerja sensor tombol liyane sing nggambarake kasedhiyan gas menyang struktur MOS internal.Yen molekul gas ora bisa nembus lan reaksi karo MOS internal, sensitivitas sensor bakal suda.Kegunaan kasebut raket banget karo kedalaman difusi gas tartamtu, sing gumantung saka ukuran pori bahan penginderaan.Sakai et al.92 model sensitivitas sensor kanggo gas flue lan ketemu sing loro bobot molekul gas lan radius pori membran sensor mengaruhi sensitivitas sensor ing ambane difusi gas beda ing membran sensor.Diskusi ing ndhuwur nuduhake yen sensor gas kinerja dhuwur bisa dikembangake kanthi ngimbangi lan ngoptimalake fungsi reseptor, fungsi transduser, lan sarana.
Karya ing ndhuwur njlentrehake mekanisme pemahaman dhasar saka MOS siji lan mbahas sawetara faktor sing mengaruhi kinerja MOS.Saliyane faktor kasebut, sensor gas adhedhasar heterostruktur bisa nambah kinerja sensor kanthi nambah fungsi sensor lan reseptor kanthi signifikan.Kajaba iku, struktur heteronano bisa nambah kinerja sensor kanthi nambah reaksi katalitik, ngatur transfer muatan, lan nggawe situs adsorpsi luwih akeh.Nganti saiki, akeh sensor gas adhedhasar heteronanostructures MOS wis diteliti kanggo ngrembug mekanisme kanggo sensing ditingkatake95,96,97.Miller et al.55 ngringkes sawetara mekanisme sing bisa nambah sensitivitas heteronostructures, kalebu lumahing-gumantung, antarmuka-gumantung, lan struktur-gumantung.Antarane wong-wong mau, mekanisme amplifikasi gumantung antarmuka rumit banget kanggo nutupi kabeh interaksi antarmuka ing siji teori, amarga macem-macem sensor adhedhasar bahan heteronanostructured (contone, nn-heterojunction, pn-heterojunction, pp-heterojunction, lan sapiturute) bisa digunakake. .simpul Schottky).Biasane, sensor heteronanostructured basis MOS tansah kalebu loro utawa luwih mekanisme sensor majeng98,99,100.Efek sinergis saka mekanisme amplifikasi kasebut bisa ningkatake resepsi lan pangolahan sinyal sensor.Mangkono, pangerten mekanisme persepsi sensor adhedhasar bahan nanostruktur heterogen penting kanggo mbantu para peneliti ngembangake sensor gas ngisor-up sing cocog karo kabutuhan.Kajaba iku, struktur geometris piranti kasebut uga bisa nyebabake sensitivitas sensor 74, 75, 76. Supaya bisa nganalisa prilaku sensor kanthi sistematis, mekanisme sensing saka telung struktur piranti adhedhasar bahan heteronanostructured sing beda bakal diwenehi. lan rembugan ing ngisor iki.
Kanthi perkembangan cepet saka sensor gas adhedhasar MOS, macem-macem hetero-nanostructured MOS wis ngajokaken.Transfer daya ing heterointerface gumantung ing tingkat Fermi beda (Ef) saka komponen.Ing heterointerface, elektron pindhah saka sisih siji kanthi Ef luwih gedhe menyang sisih liyane kanthi Ef sing luwih cilik nganti tingkat Fermi tekan keseimbangan, lan bolongan, kosok balene.Banjur operator ing heterointerface wis entek lan mbentuk lapisan sing kurang.Sawise sensor kapapar gas target, konsentrasi operator MOS heteronanostructured diganti, uga dhuwur alangi, saéngga nambah sinyal deteksi.Kajaba iku, macem-macem cara nggawe heteronanostructures ndadékaké kanggo hubungan beda antarane bahan lan elektroda, kang ndadékaké kanggo geometri piranti beda lan mekanisme sensing beda.Ing review iki, kita ngusulake telung struktur piranti geometris lan ngrembug mekanisme sensing kanggo saben struktur.
Senadyan heterojunctions nduweni peran penting banget ing kinerja deteksi gas, geometri piranti kabeh sensor uga bisa mengaruhi prilaku deteksi, amarga lokasi saluran konduksi sensor gumantung banget ing geometri piranti.Telung geometris khas piranti MOS heterojunction rembugan kene, minangka ditampilake ing Figure 2. Ing jinis pisanan, loro sambungan MOS acak mbagekke antarane loro elektrods, lan lokasi saluran konduktif ditemtokake dening MOS utama, kaloro iku tatanan nanostructures heterogen saka MOS beda, nalika mung siji MOS disambungake menyang elektroda.elektroda disambungake, banjur saluran konduktif biasane dumunung nang MOS lan langsung disambungake menyang elektroda.Ing jinis katelu, rong bahan dipasang ing rong elektroda kanthi kapisah, nuntun piranti kasebut liwat heterojunction sing dibentuk ing antarane rong bahan kasebut.
A hyphen antarane senyawa (contone "SnO2-NiO") nuduhake yen loro komponen mung dicampur (jinis I).Tandha "@" ing antarane rong sambungan (contone "SnO2@NiO") nuduhake yen bahan scaffold (NiO) dihiasi karo SnO2 kanggo struktur sensor tipe II.Garis miring (eg "NiO/SnO2") nuduhake desain sensor tipe III.
Kanggo sensor gas adhedhasar komposit MOS, loro unsur MOS mbagekke acak antarane elektrods.Akeh cara fabrikasi wis dikembangake kanggo nyiapake komposit MOS, kalebu metode sol-gel, kopresipitasi, hidrotermal, electrospinning, lan campuran mekanik98,102,103,104.Bubar, kerangka logam-organik (MOF), kelas bahan terstruktur kristal keropos sing kasusun saka pusat logam lan linker organik, digunakake minangka cithakan kanggo nggawe komposit MOS keropos105,106,107,108.Wigati dicathet yen sanajan persentase komposit MOS padha, karakteristik sensitivitas bisa beda banget nalika nggunakake proses manufaktur sing beda.109,110 Contone, Gao et al.109 nggawe rong sensor adhedhasar komposit MoO3±SnO2 kanthi rasio atom sing padha. ( Mo: Sn = 1: 1.9) lan nemokake manawa cara fabrikasi sing beda nyebabake sensitivitas sing beda.Shaposhnik et al.110 kacarita yen reaksi saka co-precipitated SnO2-TiO2 kanggo gas H2 beda-beda saka bahan mechanically campuran, malah ing rasio Sn / Ti padha.Bedane iki muncul amarga hubungan antarane MOP lan ukuran kristal MOP beda-beda kanthi metode sintesis sing beda109,110.Nalika ukuran gandum lan wangun konsisten ing Kapadhetan donor lan jinis semikonduktor, respon kudu tetep padha yen geometri kontak ora owah 110.Staerz et al.111 kacarita sing karakteristik deteksi SnO2-Cr2O3 inti-sheath (CSN) nanofibers lan lemah SnO2-Cr2O3 CSNs padha meh podho rupo, suggest sing morfologi nanofiber ora menehi kauntungan sembarang.
Saliyane cara fabrikasi sing beda, jinis semikonduktor saka rong MOSFET sing beda uga mengaruhi sensitivitas sensor.Bisa luwih dipérang dadi rong kategori gumantung apa loro MOSFET saka jinis padha semikonduktor (nn utawa pp prapatan) utawa jinis beda (pn prapatan).Nalika sensor gas adhedhasar komposit MOS saka jinis padha, kanthi ngganti rasio molar saka loro MOS, karakteristik respon sensitivitas tetep panggah, lan sensitivitas sensor beda-beda gumantung saka nomer nn- utawa pp-heterojunctions.Nalika siji komponèn predominates ing komposit (contone 0,9 ZnO-0,1 SnO2 utawa 0,1 ZnO-0,9 SnO2), saluran konduksi ditemtokake dening MOS dominan, disebut saluran konduksi homojunction 92.Nalika rasio saka rong komponen bisa dibandhingake, dianggep saluran konduksi didominasi dening heterojunction98,102.Yamazoe et al.112,113 nglapurake yen wilayah heterokontak saka rong komponen kasebut bisa ningkatake sensitivitas sensor amarga alangan heterojunction sing dibentuk amarga fungsi operasi komponen sing beda bisa kanthi efektif ngontrol mobilitas drift sensor sing kapapar elektron.Macem-macem gas lingkungan 112.113.Ing anjir.Figure 3a nuduhake yen sensor adhedhasar struktur hirarki serat SnO2-ZnO karo isi ZnO beda (saka 0 kanggo 10 mol % Zn) bisa selektif ndeteksi etanol.Antarane wong-wong mau, sensor adhedhasar serat SnO2-ZnO (7 mol.% Zn) nuduhake sensitivitas paling dhuwur amarga pambentukan akeh heterojunctions lan nambah ing area lumahing tartamtu, kang nambah fungsi saka konverter lan apik. sensitivitas 90 Nanging, karo nambah luwih ing isi ZnO kanggo 10 mol.%, microstructure SnO2-ZnO komposit bisa mbungkus area aktifitas lumahing lan nyuda sensitivitas sensor85.Tren sing padha uga diamati kanggo sensor adhedhasar komposit heterojunction NiO-NiFe2O4 pp kanthi rasio Fe / Ni sing beda (Gambar 3b) 114.
Gambar SEM saka serat SnO2-ZnO (7 mol.% Zn) lan respon sensor kanggo macem-macem gas kanthi konsentrasi 100 ppm ing 260 °C;54b Tanggapan sensor adhedhasar komposit NiO lan NiO-NiFe2O4 murni ing 50 ppm saka macem-macem gas, 260 °C;114 (c) Diagram skematis saka jumlah node ing komposisi xSnO2-(1-x)Co3O4 lan reaksi resistensi lan sensitivitas sing cocog saka komposisi xSnO2-(1-x)Co3O4 saben 10 ppm CO, aseton, C6H6 lan SO2 gas ing 350 °C kanthi ngganti rasio molar saka Sn/Co 98
Komposit pn-MOS nuduhake prilaku sensitivitas sing beda-beda gumantung saka rasio atom MOS115.Umumé, prilaku sensori komposit MOS gumantung banget marang MOS sing dadi saluran konduksi utama kanggo sensor.Mulane, penting banget kanggo nemtokake komposisi persentase lan struktur nano komposit.Kim et al.98 dikonfirmasi kesimpulan iki dening synthesizing seri xSnO2 ± (1-x) Co3O4 komposit nanofibers dening electrospinning lan sinau sifat sensor sing.Padha diamati sing prilaku sensor komposit SnO2-Co3O4 diowahi saka n-jinis kanggo p-jinis kanthi ngurangi persentasi saka SnO2 (Fig. 3c)98.Kajaba iku, sensor sing didominasi heterojunction (adhedhasar 0,5 SnO2-0,5 Co3O4) nuduhake tingkat transmisi paling dhuwur kanggo C6H6 dibandhingake sensor homojunction-dominan (contone, sensor SnO2 utawa Co3O4 dhuwur).Resistance dhuwur saka sensor adhedhasar 0.5 SnO2-0.5 Co3O4 lan kemampuan sing luwih gedhe kanggo modulasi resistensi sensor sakabèhé nyumbang kanggo sensitivitas paling dhuwur kanggo C6H6.Kajaba iku, cacat mismatch kisi sing asale saka heterointerfaces SnO2-Co3O4 bisa nggawe situs adsorpsi preferensial kanggo molekul gas, saéngga nambah respon sensor109,116.
Saliyane MOS jinis semikonduktor, prilaku tutul komposit MOS uga bisa disesuaikan kanthi nggunakake kimia MOS-117.Huo et al.117 nggunakake metode soak-bake sing prasaja kanggo nyiapake komposit Co3O4-SnO2 lan nemokake yen ing rasio molar Co/Sn 10%, sensor kasebut nuduhake respon deteksi tipe-p marang H2 lan sensitivitas tipe-n marang H2.wangsulan.Respon sensor kanggo gas CO, H2S lan NH3 ditampilake ing Figure 4a117.Ing rasio Co / Sn kurang, akeh homojunctions mbentuk ing SnO2 ± SnO2 wates nanograin lan nuduhake n-jinis respon sensor kanggo H2 (Fig. 4b, c)115.Kanthi nambah rasio Co / Sn nganti 10 mol.%, tinimbang homojunctions SnO2-SnO2, akeh heterojunctions Co3O4-SnO2 padha kawangun bebarengan (Fig. 4d).Wiwit Co3O4 ora aktif babagan H2, lan SnO2 bereaksi banget karo H2, reaksi H2 karo spesies oksigen ion utamane dumadi ing permukaan SnO2117.Mulane, elektron pindhah menyang SnO2 lan Ef SnO2 pindhah menyang pita konduksi, nalika Ef Co3O4 tetep ora owah.Akibaté, resistance saka sensor mundhak, nuduhake yen bahan karo rasio Co / Sn dhuwur nuduhake p-jinis sensing prilaku (Fig. 4e).Ing kontras, gas CO, H2S, lan NH3 bereaksi karo spesies oksigen ion ing permukaan SnO2 lan Co3O4, lan elektron pindhah saka gas menyang sensor, nyebabake nyuda dhuwur alangan lan sensitivitas tipe-n (Gambar 4f)..Prilaku sensor sing beda iki amarga reaktivitas Co3O4 sing beda karo gas sing beda, sing dikonfirmasi maneh dening Yin et al.118 .Kajaba iku, Katoch et al.119 nuduhake yen komposit SnO2-ZnO nduweni selektivitas apik lan sensitivitas dhuwur kanggo H2.Prilaku iki dumadi amarga atom H bisa gampang diserap menyang posisi O saka ZnO amarga hibridisasi kuwat antarane orbital s saka H lan p-orbital O, kang ndadékaké kanggo metallization saka ZnO120,121.
kurva resistensi dinamis Co/Sn-10% kanggo gas pengurangan khas kayata H2, CO, NH3 lan H2S, b, c diagram mekanisme penginderaan komposit Co3O4/SnO2 kanggo H2 ing % m kurang.Co/Sn, df Co3O4 Mekanisme deteksi H2 lan CO, H2S lan NH3 kanthi komposit Co/Sn/SnO2 dhuwur
Mulane, kita bisa nambah sensitivitas sensor I-jinis kanthi milih cara fabrikasi cocok, ngurangi ukuran gandum saka komposit, lan optimalisasi rasio molar saka komposit MOS.Kajaba iku, pangerten jero babagan kimia saka materi sing sensitif bisa nambah selektivitas sensor.
Struktur sensor Tipe II minangka struktur sensor populer liyane sing bisa nggunakake macem-macem bahan nanostructured heterogen, kalebu siji nanomaterial "master" lan nanomaterial kapindho utawa malah katelu.Contone, bahan siji-dimensi utawa rong dimensi sing dihiasi karo nanopartikel, inti-shell (CS) lan bahan heteronanostructured multilayer umume digunakake ing struktur sensor tipe II lan bakal dibahas kanthi rinci ing ngisor iki.
Kanggo materi heteronanostructure pisanan (heteranostructure dihiasi), kaya sing ditampilake ing Gambar 2b (1), saluran konduktif sensor disambungake karo bahan dasar.Amarga pembentukan heterojunctions, nanopartikel sing diowahi bisa nyedhiyakake situs sing luwih reaktif kanggo adsorpsi utawa desorpsi gas, lan uga bisa dadi katalis kanggo ningkatake kinerja sensing109,122,123,124.Yuan et al.41 nyathet yen dekorasi kawat nano WO3 karo nanodots CeO2 bisa nyedhiyakake situs adsorpsi luwih akeh ing heterointerface CeO2 @ WO3 lan permukaan CeO2 lan ngasilake spesies oksigen chemisorbed liyane kanggo reaksi karo aseton.Gunawan et al.125. Sensor aseton sensitivitas ultra-dhuwur adhedhasar Au@α-Fe2O3 siji-dimensi wis diusulake lan wis diamati yen sensitivitas sensor kasebut dikontrol dening aktivasi molekul O2 minangka sumber oksigen.Ing ngarsane Au NPs bisa tumindak minangka katalis mromosiaken disosiasi molekul oksigen menyang oksigen kisi kanggo oksidasi aseton.Asil sing padha dipikolehi dening Choi et al.9 ngendi katalis Pt digunakake kanggo dissociate molekul oksigen adsorbed menyang spesies oksigen terionisasi lan nambah respon sensitif kanggo aseton.Ing 2017, tim riset sing padha nuduhake yen nanopartikel bimetal luwih efisien ing katalisis tinimbang nanopartikel logam mulia tunggal, kaya sing dituduhake ing Gambar 5126. 5a minangka skema proses manufaktur kanggo NP bimetallic (PtM) basis platinum nggunakake sel apoferritin kanthi ukuran rata-rata kurang saka 3 nm.Banjur, nggunakake metode electrospinning, nanofibers PtM @ WO3 dijupuk kanggo nambah sensitivitas lan selektivitas kanggo aseton utawa H2S (Fig. 5b-g).Bubar, katalis atom tunggal (SACs) wis nuduhake kinerja katalitik sing apik banget ing bidang katalisis lan analisis gas amarga efisiensi maksimum panggunaan atom lan struktur elektronik sing disetel127,128.Shine et al.129 nggunakake Pt-SA anchored carbon nitride (MCN), SnCl2 lan PVP nanosheets minangka sumber kimia kanggo nyiapake serat inline Pt@MCN@SnO2 kanggo deteksi gas.Sanajan isi Pt@MCN kurang banget (saka 0,13 wt.% dadi 0,68 wt.%), kinerja deteksi formaldehida gas Pt@MCN@SnO2 luwih unggul tinimbang sampel referensi liyane (SnO2 murni, MCN@SnO2 lan Pt NPs@ SnO2)..Kinerja deteksi sing apik iki bisa digandhengake karo efisiensi atom maksimum katalis Pt SA lan jangkoan minimal situs aktif SnO2129.
Metode enkapsulasi sing diisi apoferritin kanggo entuk nanopartikel PtM-apo (PtPd, PtRh, PtNi);sifat sensitif gas dinamis saka bd murni WO3, PtPd@WO3, PtRn@WO3, lan Pt-NiO@WO3 nanofibers;adhedhasar, contone, ing sipat selektivitas PtPd@WO3, PtRn@WO3 lan Pt-NiO@WO3 sensor nanofiber kanggo 1 ppm saka interfering gas 126
Kajaba iku, heterojunctions sing dibentuk ing antarane bahan scaffold lan nanopartikel uga bisa kanthi efektif modulasi saluran konduksi liwat mekanisme modulasi radial kanggo nambah kinerja sensor130,131,132.Ing anjir.Gambar 6a nuduhake karakteristik sensor saka kawat nano SnO2 lan Cr2O3@SnO2 murni kanggo ngurangi lan ngoksidasi gas lan mekanisme sensor sing cocog131.Dibandhingake karo kawat nano SnO2 murni, respon kawat nano Cr2O3@SnO2 kanggo ngurangi gas saya tambah akeh, dene respon kanggo gas oksidasi saya elek.Fenomena kasebut raket banget karo perlambatan lokal saluran konduksi kawat nano SnO2 ing arah radial saka heterojunction pn sing dibentuk.Resistansi sensor bisa disetel kanthi ngganti lebar EDL ing permukaan kawat nano SnO2 sing murni sawise kena pengaruh gas pangurangi lan oksidasi.Nanging, kanggo nanowires Cr2O3@SnO2, DEL awal saka kawat nano SnO2 ing udhara mundhak dibandhingake karo kawat nano SnO2 murni, lan saluran konduksi ditindhes amarga pembentukan heterojunction.Mulane, nalika sensor kapapar gas ngurangi, elektron kepepet dirilis menyang nanowires SnO2 lan EDL suda drastis, asil ing sensitivitas luwih saka nanowires SnO2 murni.Kosok baline, nalika ngalih menyang gas oksidasi, expansion DEL diwatesi, nyebabake sensitivitas kurang.Asil respon sensori sing padha diamati dening Choi et al., 133 ing ngendi kawat nano SnO2 sing dihias karo nanopartikel p-jinis WO3 nuduhake respon sensori sing luwih apik kanggo ngurangi gas, dene sensor SnO2 sing dihiasi n wis nambah sensitivitas kanggo gas oksidasi.Nanopartikel TiO2 (Fig. 6b) 133. Asil iki utamane amarga beda fungsi kerja nanopartikel SnO2 lan MOS (TiO2 utawa WO3).Ing nanopartikel p-jinis (n-jinis), saluran konduksi saka materi framework (SnO2) ngembang (utawa kontrak) ing arah radial, lan banjur, ing tumindak abang (utawa oksidasi), expansion luwih (utawa shortening). saka saluran konduksi saka SnO2 - rib ) saka gas (Fig. 6b).
Mekanisme modulasi radial sing disebabake dening LF MOS sing diowahi.Ringkesan respon gas kanggo 10 ppm ngurangi lan ngoksidasi gas adhedhasar murni SnO2 lan Cr2O3@SnO2 kawat nano lan cocog mekanisme sensing diagram skematis;lan skema sing cocog saka nanorods WO3@SnO2 lan mekanisme deteksi133
Ing piranti heterostructure bilayer lan multilayer, saluran konduksi piranti didominasi lapisan (biasane lapisan ngisor) kanthi kontak langsung karo elektroda, lan heterojunction sing dibentuk ing antarmuka rong lapisan bisa ngontrol konduktivitas lapisan ngisor. .Mulane, nalika gas sesambungan karo lapisan ndhuwur, padha bisa Ngartekno mengaruhi saluran konduksi saka lapisan ngisor lan resistance 134 piranti.Contone, Kumar et al.77 kacarita prilaku ngelawan saka TiO2@NiO lan NiO@TiO2 lapisan pindho kanggo NH3.Prabédan iki muncul amarga saluran konduksi saka loro sensor ndominasi ing lapisan saka bahan beda (masing-masing NiO lan TiO2), lan banjur variasi ing saluran konduksi ndasari beda77.
Struktur heteronano bilayer utawa multilayer umume diprodhuksi dening sputtering, atomic layer deposition (ALD) lan sentrifugasi56,70,134,135,136.Kekandelan film lan area kontak saka rong bahan kasebut bisa dikontrol kanthi apik.Tokoh 7a lan b nuduhake nanofilms NiO@SnO2 lan Ga2O3@WO3 dijupuk dening sputtering kanggo deteksi etanol135,137.Nanging, cara kasebut umume ngasilake film datar, lan film datar iki kurang sensitif tinimbang bahan struktur nano 3D amarga area permukaan spesifik sing kurang lan permeabilitas gas.Mula, strategi fase cair kanggo nggawe film dwilapis kanthi hierarki sing beda-beda uga wis diusulake kanggo nambah kinerja persepsi kanthi nambah area permukaan tartamtu41,52,138.Zhu et al139 nggabungake teknik sputtering lan hidrotermal kanggo ngasilake kawat nano ZnO sing diurutake liwat kawat nano SnO2 (kawat nano ZnO@SnO2) kanggo deteksi H2S (Gambar 7c).Tanggepan kanggo 1 ppm H2S iku 1,6 kaping luwih dhuwur tinimbang sensor adhedhasar sputtered ZnO@SnO2 nanofilms.Liu et al.52 kacarita sensor H2S kinerja dhuwur nggunakake loro-langkah in situ cara deposisi kimia kanggo fabricate struktur nano SnO2 @ NiO hirarkis ngiring dening anil termal (Fig. 10d).Dibandhingake karo sputtered SnO2@NiO film bilayer konvensional, kinerja sensitivitas struktur bilayer hirarkis SnO2@NiO wis Ngartekno apik amarga Tambah ing area lumahing tartamtu52,137.
Sensor gas lapisan pindho adhedhasar MOS.Nanofilm NiO@SnO2 kanggo deteksi etanol;137b Ga2O3@WO3 nanofilm kanggo deteksi etanol;135c struktur hierarkis dwilapis SnO2@ZnO kanggo deteksi H2S;139d SnO2@NiO struktur hirarki dwilapis kanggo ndeteksi H2S52.
Ing piranti tipe II adhedhasar inti-shell heteronanostructures (CSHNs), mekanisme sensing luwih rumit, amarga saluran konduksi ora diwatesi ing cangkang njero.Rute manufaktur lan kekandelan (hs) paket bisa nemtokake lokasi saluran konduktif.Contone, nalika nggunakake metode sintesis ngisor-up, saluran konduksi biasane diwatesi ing inti njero, sing padha karo struktur karo struktur piranti rong lapisan utawa multilayer (Fig. 2b(3)) 123, 140, 141, 142, 143. Xu dkk.144 nglapurake pendekatan ngisor kanggo entuk CSHN NiO@α-Fe2O3 lan CuO@α-Fe2O3 kanthi nyelehake lapisan NiO utawa CuO NPs ing nanorods α-Fe2O3 sing saluran konduksi diwatesi dening bagian tengah.(nanorods α-Fe2O3).Liu et al.142 uga kasil mbatesi saluran konduksi menyang bagean utama CSHN TiO2 @ Si kanthi nyetop TiO2 ing susunan kawat nano silikon sing disiapake.Mulane, prilaku sensing sawijining (jinis-p utawa n-jinis) gumantung mung ing jinis semikonduktor nanowire silikon.
Nanging, paling kacarita sensor basis CSHN (Fig. 2b (4)) padha fabricated dening nransfer bubuk saka materi CS disintesis menyang Kripik.Ing kasus iki, path konduksi sensor dipengaruhi dening kekandelan omah (hs).Klompok Kim nyelidiki efek hs ing kinerja deteksi gas lan ngusulake mekanisme deteksi sing mungkin100,112,145,146,147,148. Dipercaya yen rong faktor nyumbang kanggo mekanisme sensing struktur iki: (1) modulasi radial saka EDL saka cangkang lan (2) efek smearing medan listrik (Gambar 8) 145. Para panaliti nyatakake yen saluran konduksi saka operator biasane diwatesi ing lapisan cangkang nalika hs > λD saka lapisan cangkang145. Dipercaya yen rong faktor nyumbang kanggo mekanisme sensing struktur iki: (1) modulasi radial saka EDL saka cangkang lan (2) efek smearing medan listrik (Gambar 8) 145. Para panaliti nyatakake yen saluran konduksi saka operator biasane diwatesi ing lapisan cangkang nalika hs > λD saka lapisan cangkang145. 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. Dipercaya manawa ana rong faktor sing melu mekanisme persepsi struktur iki: (1) modulasi radial saka EDL saka cangkang lan (2) efek kabur medan listrik (Gambar 8) 145. Para peneliti nyathet yen saluran konduksi operator utamane diwatesi ing cangkang nalika hs > λD cangkang145.Dipercaya yen rong faktor nyumbang kanggo mekanisme deteksi struktur iki: (1) modulasi radial DEL cangkang lan (2) efek saka smearing medan listrik (Gambar 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 основночолочом Peneliti nyathet yen saluran konduksi Nalika hs> λD145 saka cangkang, jumlah operator utamane diwatesi dening cangkang.Mulane, ing modulasi resistif saka sensor adhedhasar CSHN, modulasi radial saka DEL cladding menang (Fig. 8a).Nanging, ing hs ≤ λD saka cangkang, partikel oksigen adsorbed dening cangkang lan heterojunction kawangun ing CS heterojunction rampung entek elektron. Mulane, saluran konduksi ora mung ana ing jero lapisan cangkang nanging uga sebagian ing bagian inti, utamane nalika hs <λD saka lapisan cangkang. Mulane, saluran konduksi ora mung ana ing jero lapisan cangkang nanging uga sebagian ing bagian inti, utamane nalika hs <λD saka lapisan cangkang. Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочечного слоя, но и частично в сердцевиносто черность, сердцевиностой, сердцевиностой Mulane, saluran konduksi ora mung ana ing jero lapisan cangkang, nanging uga sebagian ing bagian inti, utamane ing hs <λD saka lapisan cangkang.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, особеноночки Mulane, saluran konduksi dumunung ora mung ing cangkang, nanging uga sebagian ing inti, utamane ing hs <λD saka cangkang.Ing kasus iki, loro cangkang èlèktron sing wis entek lan lapisan inti sing sebagéyan entek mbantu modulasi resistensi saka kabèh CSHN, sing nyebabake efek buntut medan listrik (Gbr. 8b).Sawetara panaliten liyane nggunakake konsep fraksi volume EDL tinimbang buntut medan listrik kanggo nganalisis efek hs100,148.Nganggep loro kontribusi kasebut, total modulasi saka resistensi CSHN tekan nilai paling gedhe nalika hs dibandhingake karo sarung λD, kaya sing dituduhake ing Fig. 8c.Mulane, hs optimal kanggo CSHN bisa cedhak karo cangkang λD, sing konsisten karo pengamatan eksperimen99,144,145,146,149.Sawetara panliten nuduhake manawa hs uga bisa mengaruhi sensitivitas sensor pn-heterojunction berbasis CSHN40,148.Li et al.148 lan Bai et al.40 kanthi sistematis nyelidiki efek hs ing kinerja sensor CSHN pn-heterojunction, kayata TiO2@CuO lan ZnO@NiO, kanthi ngganti siklus ALD cladding.Akibaté, prilaku sensori diganti saka p-jinis kanggo n-jinis kanthi nambah hs40,148.Prilaku iki amarga kasunyatan sing ing wiwitan (kanthi jumlah siklus ALD sing winates) heterostruktur bisa dianggep minangka struktur heteronano sing dimodifikasi.Mangkono, saluran konduksi diwatesi dening lapisan inti (p-jinis MOSFET), lan sensor nuduhake prilaku deteksi p-jinis.Nalika jumlah siklus ALD mundhak, lapisan cladding (n-jinis MOSFET) dadi quasi-terus-terusan lan tumindak minangka saluran konduksi, asil ing sensitivitas n-jinis.Prilaku transisi sensori sing padha wis dilaporake kanggo struktur heteronano pn branched 150,151.Zhou et al.150 nyelidiki sensitivitas heteronostructures bercabang Zn2SnO4@Mn3O4 kanthi ngontrol isi Zn2SnO4 ing permukaan kawat nano Mn3O4.Nalika inti Zn2SnO4 dibentuk ing permukaan Mn3O4, sensitivitas tipe p diamati.Kanthi nambah luwih ing isi Zn2SnO4, sensor adhedhasar branched Zn2SnO4@Mn3O4 heteronanostructures ngalih menyang n-jinis sensor prilaku.
A gambaran konsep saka mekanisme sensor loro-fungsi saka CS nanowires ditampilake.a Modulasi resistensi amarga modulasi radial cangkang sing kurang elektron, b Efek negatif saka smearing ing modulasi resistensi, lan c Modulasi resistensi total kabel nano CS amarga kombinasi saka loro efek 40
Kesimpulane, sensor tipe II kalebu akeh struktur nano hirarkis sing beda, lan kinerja sensor gumantung banget marang susunan saluran konduktif.Mulane, iku kritis kanggo ngontrol posisi saluran konduksi sensor lan nggunakake model MOS heteronanostructured cocok kanggo sinau mekanisme roso lengkap sensor jinis II.
Struktur sensor Tipe III ora umum banget, lan saluran konduksi adhedhasar heterojunction sing dibentuk ing antarane rong semikonduktor sing disambungake karo rong elektroda.Struktur piranti unik biasane dipikolehi liwat teknik micromachining lan mekanisme sensing beda banget saka rong struktur sensor sadurunge.Kurva IV saka sensor Tipe III biasane nuduhake ciri rectification khas amarga tatanan heterojunction48,152,153.Kurva karakteristik I-V saka heterojunction becik bisa diterangake dening mekanisme termionik emisi elektron liwat dhuwur saka barrier heterojunction152,154,155.
ing ngendi Va yaiku tegangan bias, A yaiku area piranti, k yaiku konstanta Boltzmann, T yaiku suhu absolut, q minangka muatan pembawa, Jn lan Jp minangka kerapatan arus difusi bolongan lan elektron.IS nggambarake arus saturasi mbalikke, ditetepake minangka: 152.154.155
Mulane, total arus heterojunction pn gumantung marang owah-owahan konsentrasi pembawa muatan lan owah-owahan dhuwure penghalang heterojunction, kaya sing dituduhake ing persamaan (3) lan (4) 156
ing ngendi nn0 lan pp0 minangka konsentrasi elektron (bolongan) ing tipe-n (tipe-p) MOS, \(V_{bi}^0\) minangka potensial internal, Dp (Dn) minangka koefisien difusi saka elektron (bolongan), Ln (Lp ) yaiku dawa difusi elektron (bolongan), ΔEv (ΔEc) yaiku perpindahan energi pita valensi (pita konduksi) ing heterojunction.Senajan Kapadhetan saiki sebanding karo Kapadhetan operator, iku exponentially kuwalik proporsional kanggo \(V_{bi}^0\).Mulane, owah-owahan sakabèhé ing Kapadhetan saiki banget gumantung ing modulasi saka dhuwur saka alangan heterojunction.
Kaya kasebut ing ndhuwur, nggawe MOSFET hetero-nanostructured (contone, jinis I lan piranti jinis II) bisa Ngartekno nambah kinerja sensor, tinimbang komponen individu.Lan kanggo piranti tipe III, respon heteronanostructure bisa luwih dhuwur tinimbang rong komponen48,153 utawa luwih dhuwur tinimbang siji komponen76, gumantung saka komposisi kimia materi kasebut.Sawetara laporan nuduhake yen respon heteronanostructures luwih dhuwur tinimbang komponen siji nalika salah siji komponen ora sensitif marang target gas48,75,76,153.Ing kasus iki, gas target bakal sesambungan mung karo lapisan sensitif lan nimbulaké shift Ef saka lapisan sensitif lan owah-owahan ing dhuwur saka alangi heterojunction.Banjur total saiki piranti bakal owah sacara signifikan, amarga ana hubungane karo dhuwur saka alangan heterojunction miturut persamaan.(3) lan (4) 48,76,153.Nanging, nalika komponen n-jinis lan p-jinis sensitif marang gas target, kinerja deteksi bisa nang endi wae ing antarane.José et al.76 ngasilake sensor film NO2 NiO / SnO2 keropos kanthi sputtering lan nemokake yen sensitivitas sensor mung luwih dhuwur tinimbang sensor adhedhasar NiO, nanging luwih murah tinimbang sensor adhedhasar SnO2.sensor.Fenomena iki amarga kasunyatan sing SnO2 lan NiO nuduhake ngelawan reaksi kanggo NO276.Uga, amarga loro komponen duwe sensitivitas gas sing beda, bisa uga duwe kecenderungan sing padha kanggo ndeteksi gas oksidasi lan ngurangi.Contone, Kwon et al.157 ngajokaken NiO / SnO2 sensor gas pn-heterojunction dening sputtering oblique, minangka ditampilake ing Fig. 9a.Apike, sensor pn-heterojunction NiO / SnO2 nuduhake tren sensitivitas sing padha kanggo H2 lan NO2 (Fig. 9a).Kanggo ngatasi asil iki, Kwon et al.157 sistematis nyelidiki carane NO2 lan H2 ngganti konsentrasi operator lan nyetel \ (V_ {bi} ^ 0 \) saka loro bahan nggunakake IV-karakteristik lan simulasi komputer (Fig. 9bd).Tokoh 9b lan c nduduhake kemampuan H2 lan NO2 kanggo ngganti Kapadhetan operator saka sensor adhedhasar p-NiO (pp0) lan n-SnO2 (nn0), mungguh.Padha nuduhake yen pp0 saka p-jinis NiO rada owah ing lingkungan NO2, nalika owah-owahan dramatically ing lingkungan H2 (Fig. 9b).Nanging, kanggo n-jinis SnO2, nn0 tumindak ing cara ngelawan (Fig. 9c).Adhedhasar asil kasebut, panulis nyimpulake yen nalika H2 ditrapake ing sensor adhedhasar heterojunction NiO / SnO2 pn, paningkatan nn0 nyebabake paningkatan Jn, lan \(V_{bi}^0 \) nyebabake a nyuda ing respon (Fig. 9d).Sawise paparan NO2, penurunan gedhe ing nn0 ing SnO2 lan paningkatan cilik ing pp0 ing NiO nyebabake nyuda gedhe ing \ (V_ {bi} ^ 0 \), sing njamin paningkatan respon sensori (Fig. 9d). ) 157 Kesimpulane, owah-owahan ing konsentrasi operator lan \(V_{bi}^0\) ndadékaké kanggo owah-owahan ing total saiki, kang luwih mengaruhi kemampuan deteksi.
Mekanisme sensing sensor gas adhedhasar struktur piranti Tipe III.Scanning electron microscopy (SEM) gambar cross-sectional, piranti nanocoil p-NiO / n-SnO2 lan sifat sensor sensor heterojunction nanocoil p-NiO / n-SnO2 ing 200 ° C kanggo H2 lan NO2;b, SEM cross-sectional saka piranti c, lan asil simulasi saka piranti karo p-NiO b-lapisan lan n-SnO2 c-lapisan.Sensor b p-NiO lan sensor c n-SnO2 ngukur lan cocog karo karakteristik I-V ing hawa garing lan sawise paparan H2 lan NO2.Peta rong dimensi saka Kapadhetan b-bolongan ing p-NiO lan peta c-elektron ing lapisan n-SnO2 kanthi skala warna dimodelake nggunakake piranti lunak Sentaurus TCAD.d Asil simulasi nuduhake peta 3D p-NiO / n-SnO2 ing udhara garing, H2 lan NO2157 ing lingkungan.
Saliyane sifat kimia saka materi kasebut, struktur piranti Tipe III nuduhake kemungkinan nggawe sensor gas mandiri, sing ora bisa ditindakake karo piranti Tipe I lan Tipe II.Amarga medan listrik (BEF), struktur dioda heterojunction pn umume digunakake kanggo mbangun piranti fotovoltaik lan nuduhake potensial kanggo nggawe sensor gas fotoelektrik kanthi mandiri ing suhu kamar ing iluminasi74,158,159,160,161.BEF ing heterointerface, disebabake prabédan ing tingkat Fermi saka bahan, uga nyumbang kanggo misahake pasangan elektron-bolongan.Kauntungan saka sensor gas fotovoltaik kanthi daya dhewe yaiku konsumsi daya sing sithik amarga bisa nyerep energi cahya sing madhangi banjur ngontrol dhewe utawa piranti miniatur liyane tanpa mbutuhake sumber daya eksternal.Contone, Tanuma lan Sugiyama162 wis nggawe NiO / ZnO pn heterojunctions minangka sel solar kanggo ngaktifake sensor CO2 polycrystalline basis SnO2.Gado et al.74 kacarita sensor gas fotovoltaik poto-powered adhedhasar Si / ZnO @ CdS pn heterojunction, minangka ditampilake ing Fig. 10a.Kawat nano ZnO berorientasi vertikal ditanam langsung ing substrat silikon tipe p kanggo mbentuk heterojunctions Si / ZnO pn.Banjur nanopartikel CdS diowahi ing permukaan kawat nano ZnO kanthi modifikasi permukaan kimia.Ing anjir.10a nuduhake asil respon sensor Si/ZnO@CdS off-line kanggo O2 lan etanol.Ing katerangan, tegangan sirkuit mbukak (Voc) amarga pamisahan pasangan elektron-bolongan sajrone BEP ing heterointerface Si/ZnO mundhak kanthi linear kanthi jumlah dioda sing disambungake74,161.Voc bisa diwakili kanthi persamaan.(5) 156,
ing ngendi ND, NA, lan Ni minangka konsentrasi donor, akseptor, lan operator intrinsik, lan k, T, lan q minangka paramèter sing padha karo persamaan sadurungé.Nalika kena gas oksidasi, padha ngekstrak èlèktron saka kawat nano ZnO, sing ndadékaké ngurangi \(N_D^{ZnO}\) lan Voc.Kosok baline, reduksi gas nyebabake paningkatan Voc (Gambar 10a).Nalika dekorasi ZnO nganggo nanopartikel CdS, elektron photoexcited ing nanopartikel CdS disuntikake menyang pita konduksi ZnO lan sesambungan karo gas adsorbed, saéngga nambah efisiensi persepsi74,160.Sensor gas fotovoltaik sing padha adhedhasar Si / ZnO dilapurake dening Hoffmann et al.160, 161 (Gambar 10b).Sensor iki bisa disiapake kanthi nggunakake garis nanopartikel ZnO sing difungsikan amina ([3-(2-aminoethylamino)propil]trimethoxysilane) (SAM-amino-functionalized) lan thiol ((3-mercaptopropyl)-functionalized, kanggo nyetel fungsi kerja. saka gas target kanggo deteksi selektif NO2 (trimethoxysilane) (thiol-functionalized-SAM)) (Fig. 10b) 74,161.
Sensor gas fotoelektrik kanthi mandhiri adhedhasar struktur piranti jinis III.sensor gas fotovoltaik kanthi mandiri adhedhasar Si / ZnO@CdS, mekanisme sensing mandiri lan respon sensor kanggo gas teroksidasi (O2) lan suda (1000 ppm etanol) ing sinar srengenge;74b Sensor gas fotovoltaik mandiri adhedhasar sensor Si ZnO/ZnO lan respon sensor kanggo macem-macem gas sawise fungsionalisasi ZnO SAM kanthi amina terminal lan tiol 161
Mulane, nalika ngrembug mekanisme sensitif sensor tipe III, penting kanggo nemtokake owah-owahan ing dhuwur saka alangan heterojunction lan kemampuan gas kanggo mengaruhi konsentrasi operator.Kajaba iku, katerangan bisa ngasilake operator fotogenerasi sing bereaksi karo gas, sing njanjeni deteksi gas kanthi tenaga dhewe.
Minangka rembugan ing review literatur iki, akeh heteronanostructures MOS beda wis digawe kanggo nambah kinerja sensor.Basis data Web of Science digoleki kanggo macem-macem tembung kunci (komposit oksida logam, oksida logam inti-selubung, oksida logam berlapis, lan penganalisa gas mandiri) uga ciri khas (kelimpahan, sensitivitas / selektivitas, potensial pembangkit listrik, manufaktur) .Cara Karakteristik saka telung piranti kasebut ditampilake ing Tabel 2. Konsep desain sakabèhé kanggo sensor gas kinerja dhuwur dibahas kanthi nganalisa telung faktor kunci sing diusulake dening Yamazoe.Mekanisme kanggo Sensor Heterostruktur MOS Kanggo mangerteni faktor sing mengaruhi sensor gas, macem-macem paramèter MOS (contone, ukuran gandum, suhu operasi, cacat lan Kapadhetan lowongan oksigen, pesawat kristal mbukak) wis kasebut kanthi teliti, sinau.Struktur piranti, sing uga kritis kanggo prilaku sensing sensor, wis diabaikan lan arang dibahas.Tinjauan iki mbahas mekanisme dhasar kanggo ndeteksi telung jinis struktur piranti sing khas.
Struktur ukuran butir, cara manufaktur, lan jumlah heterojunctions saka bahan sensing ing sensor Tipe I bisa banget mengaruhi sensitivitas sensor.Kajaba iku, prilaku sensor uga kena pengaruh rasio molar komponen.Struktur piranti Tipe II (heteronostructure dekoratif, film bilayer utawa multilayer, HSSNs) minangka struktur piranti sing paling populer sing dumadi saka loro utawa luwih komponen, lan mung siji komponen sing disambungake menyang elektroda.Kanggo struktur piranti iki, nemtokake lokasi saluran konduksi lan owah-owahan relatif penting kanggo sinau mekanisme persepsi.Amarga piranti jinis II kalebu akeh heteronostructure hirarkis beda, akeh mekanisme sensing beda wis diusulake.Ing struktur sensori tipe III, saluran konduksi didominasi dening heterojunction sing dibentuk ing heterojunction, lan mekanisme persepsi beda banget.Mulane, penting kanggo nemtokake owah-owahan ing dhuwur saka alangan heterojunction sawise cahya saka gas target kanggo sensor jinis III.Kanthi desain iki, sensor gas fotovoltaik kanthi daya dhewe bisa digawe kanggo nyuda konsumsi daya.Nanging, amarga proses fabrikasi saiki rada rumit lan sensitivitas luwih murah tinimbang sensor gas chemo-resistive berbasis MOS tradisional, isih akeh kemajuan ing riset sensor gas mandiri.
Kaluwihan utama sensor MOS gas kanthi struktur heteronano hierarki yaiku kacepetan lan sensitivitas sing luwih dhuwur.Nanging, sawetara masalah utama sensor gas MOS (contone, suhu operasi sing dhuwur, stabilitas jangka panjang, selektivitas lan reproduksibilitas sing kurang, efek kelembapan, lsp.) isih ana lan kudu ditanggulangi sadurunge bisa digunakake ing aplikasi praktis.Sensor gas MOS modern biasane digunakake ing suhu dhuwur lan nggunakake akeh daya, sing mengaruhi stabilitas sensor ing jangka panjang.Ana rong pendekatan umum kanggo ngatasi masalah iki: (1) pangembangan chip sensor daya kurang;(2) pangembangan bahan sensitif anyar sing bisa operate ing suhu kurang utawa malah ing suhu kamar.Salah siji pendekatan kanggo pangembangan chip sensor kurang daya kanggo nyilikake ukuran sensor dening fabricating piring microheating adhedhasar keramik lan silikon163.Piring pemanasan mikro adhedhasar keramik nganggo kira-kira 50-70 mV saben sensor, dene piring pemanasan mikro adhedhasar silikon sing dioptimalake bisa nganggo sethithik 2 mW saben sensor nalika operasi terus-terusan ing 300 °C163,164.Pangembangan bahan sensing anyar minangka cara sing efektif kanggo nyuda konsumsi daya kanthi nyuda suhu operasi, lan uga bisa nambah stabilitas sensor.Minangka ukuran MOS terus suda kanggo nambah sensitivitas sensor, stabilitas termal MOS dadi luwih tantangan, kang bisa mimpin kanggo drift ing sinyal sensor165.Kajaba iku, suhu dhuwur nyedhiyakake panyebaran bahan ing heterointerface lan pambentukan fase campuran, sing mengaruhi sifat elektronik sensor.Peneliti nglapurake yen suhu operasi paling luweh saka sensor bisa dikurangi kanthi milih bahan sensing sing cocok lan ngembangake heteronanostructures MOS.Panelusuran cara suhu rendah kanggo nggawe heteronanostructures MOS kristal banget minangka pendekatan liya kanggo nambah stabilitas.
Selektif saka sensor MOS minangka masalah praktis liyane amarga gas sing beda-beda ana bebarengan karo gas target, dene sensor MOS asring sensitif marang luwih saka siji gas lan asring nuduhake sensitivitas silang.Mulane, nambah selektivitas sensor kanggo gas target uga kanggo gas liyane kritis kanggo aplikasi praktis.Ing sawetara dekade kepungkur, pilihan kasebut sebagian ditanggulangi kanthi mbangun susunan sensor gas sing diarani "irung elektronik (E-nose)" kanthi kombinasi algoritma analisis komputasi kayata kuantisasi vektor latihan (LVQ), analisis komponen utama (PCA), lsp. e.Masalah seksual.Partial Least Squares (PLS), etc. 31, 32, 33, 34. Rong faktor utama (jumlah sensor, sing ana hubungane karo jinis bahan sensing, lan analisis komputasi) penting kanggo ningkatake kemampuan irung elektronik. kanggo ngenali gas169.Nanging, nambah jumlah sensor biasane mbutuhake proses manufaktur sing rumit, mula penting kanggo nemokake cara sing gampang kanggo nambah kinerja irung elektronik.Kajaba iku, ngowahi MOS karo bahan liyane uga bisa nambah selektivitas sensor.Contone, deteksi selektif saka H2 bisa digayuh amarga aktivitas katalitik MOS sing dimodifikasi kanthi NP Pd.Ing taun anyar, sawetara peneliti wis dilapisi lumahing MOS MOF kanggo nambah selektivitas sensor liwat ukuran exclusion171,172.Diilhami dening karya iki, fungsionalisasi materi bisa uga ngatasi masalah selektivitas.Nanging, isih akeh sing kudu ditindakake kanggo milih bahan sing pas.
Baleni karakteristik sensor sing diprodhuksi ing kahanan lan metode sing padha minangka syarat penting liyane kanggo produksi skala gedhe lan aplikasi praktis.Biasane, metode centrifugation lan dipping minangka cara murah kanggo nggawe sensor gas throughput sing dhuwur.Nanging, sajrone proses kasebut, materi sing sensitif cenderung aggregate lan hubungan antarane materi sing sensitif lan substrate dadi lemah68, 138, 168. Akibaté, sensitivitas lan stabilitas sensor rusak sacara signifikan, lan kinerja dadi reproducible.Cara fabrikasi liyane kayata sputtering, ALD, deposisi laser pulsed (PLD), lan deposisi uap fisik (PVD) ngidini produksi film MOS dwilapis utawa multilayer langsung ing substrat silikon utawa alumina berpola.Teknik kasebut ngindhari akumulasi bahan sing sensitif, njamin reproduksibilitas sensor, lan nduduhake kemungkinan produksi sensor film tipis planar kanthi skala gedhe.Nanging, sensitivitas film datar iki umume luwih murah tinimbang bahan struktur nano 3D amarga area permukaan spesifik sing cilik lan permeabilitas gas sing sithik41,174.Sastranegara anyar kanggo tuwuh heteronanostructures MOS ing lokasi tartamtu ing microarrays kabentuk lan sabenere ngontrol ukuran, kekandelan, lan morfologi saka bahan sensitif kritis kanggo produksi murah saka sensor tingkat wafer karo reproducibility dhuwur lan sensitivitas.Contone, Liu et al.174 ngusulake strategi gabungan ndhuwur-mudhun lan ngisor-munggah kanggo nggawe crystallites throughput dhuwur kanthi ngembangake nanowalls in situ Ni(OH)2 ing lokasi tartamtu..Wafer kanggo microburner.
Kajaba iku, penting kanggo nimbang efek kelembapan ing sensor ing aplikasi praktis.Molekul banyu bisa saingan karo molekul oksigen kanggo situs adsorpsi ing bahan sensor lan mengaruhi tanggung jawab sensor kanggo gas target.Kaya oksigen, banyu tumindak minangka molekul liwat penyerapan fisik, lan bisa uga ana ing wangun radikal hidroksil utawa gugus hidroksil ing macem-macem stasiun oksidasi liwat chemisorption.Kajaba iku, amarga tingkat dhuwur lan asor lingkungan, respon sing dipercaya saka sensor kanggo gas target minangka masalah gedhe.Sawetara strategi wis dikembangake kanggo ngatasi masalah iki, kayata prakonsentrasi gas177, kompensasi kelembapan lan metode kisi silang-reaktif178, uga metode pangatusan179,180.Nanging, cara kasebut larang, rumit, lan nyuda sensitivitas sensor.Sawetara strategi murah wis diusulake kanggo nyuda efek kelembapan.Contone, dekorasi SnO2 karo nanopartikel Pd bisa ningkataké konversi oksigen adsorbed menyang partikel anionik, nalika functionalizing SnO2 karo bahan karo afinitas dhuwur kanggo molekul banyu, kayata NiO lan CuO, rong cara kanggo nyegah katergantungan Kelembapan ing molekul banyu..Sensor 181, 182, 183. Kajaba iku, efek asor uga bisa dikurangi kanthi nggunakake bahan hidrofobik kanggo mbentuk permukaan hidrofobik36,138,184,185.Nanging, pangembangan sensor gas tahan kelembapan isih ana ing tahap awal, lan strategi sing luwih maju dibutuhake kanggo ngatasi masalah kasebut.
Ing kesimpulan, dandan ing kinerja deteksi (contone, sensitivitas, selektivitas, kurang suhu operasi paling optimal) wis ngrambah dening nggawe MOS heteronanostructures, lan macem-macem mekanisme deteksi apik wis ngajokaken.Nalika nyinaoni mekanisme sensing saka sensor tartamtu, struktur geometris piranti uga kudu dianggep.Riset menyang bahan sensing anyar lan riset babagan strategi fabrikasi maju bakal dibutuhake kanggo nambah kinerja sensor gas lan ngatasi tantangan sing isih ana ing mangsa ngarep.Kanggo nyetel karakteristik sensor sing dikontrol, perlu kanggo mbangun hubungan kanthi sistematis antarane metode sintetik bahan sensor lan fungsi heteronostructure.Kajaba iku, sinau babagan reaksi permukaan lan owah-owahan ing heterointerfaces nggunakake metode karakterisasi modern bisa mbantu njlentrehake mekanisme persepsi lan menehi rekomendasi kanggo pangembangan sensor adhedhasar bahan heteronostructured.Pungkasan, sinau babagan strategi fabrikasi sensor modern bisa ngidini nggawe sensor gas miniatur ing tingkat wafer kanggo aplikasi industri.
Genzel, NN et al.Sinau longitudinal tingkat nitrogen dioksida ing njero ruangan lan gejala pernapasan ing bocah-bocah kanthi asma ing wilayah kutha.tetanggan.Perspektif kesehatan.116, 1428–1432 (2008).
Wektu kirim: Nov-04-2022
