Гетеронаноструктурный оксид металла

Микросистемы и наноинженерия, том 8, Номер статьи: 85 (2022) Цитировать эту статью

3224 Доступа

4 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Разработка высокопроизводительных, портативных и миниатюрных датчиков газа вызвала растущий интерес в областях мониторинга окружающей среды, безопасности, медицинской диагностики и сельского хозяйства. Среди различных инструментов обнаружения хемирезистивные газовые датчики на основе металлооксид-полупроводников (МОП) являются наиболее популярным выбором для коммерческого применения и обладают преимуществами высокой стабильности, низкой стоимости и высокой чувствительности. Одним из наиболее важных способов дальнейшего улучшения характеристик сенсора является создание наноразмерных гетеропереходов на основе МОП (гетеронаноструктурных МОП) из МОП-наноматериалов. Однако механизм чувствительности гетеронаноструктурных МОП-сенсоров отличается от механизма одиночных газовых МОП-сенсоров тем, что он довольно сложен. На производительность датчиков влияют различные параметры, включая физические и химические свойства чувствительных материалов (например, размер зерна, плотность дефектов и кислородных вакансий в материалах), рабочие температуры и конструкции устройства. В этом обзоре представлены несколько концепций проектирования высокопроизводительных газовых датчиков путем анализа механизма чувствительности гетеронаноструктурных МОП-сенсоров. Кроме того, обсуждается влияние геометрической структуры устройства, определяемой взаимосвязью между чувствительными материалами и рабочими электродами. Чтобы систематически исследовать поведение датчика, в этом обзоре представлены и обсуждаются общие механизмы восприятия трех типичных типов геометрических структур устройств на основе различных гетеронаноструктурных материалов. Этот обзор предоставит рекомендации для читателей, изучающих чувствительный механизм газовых датчиков и проектирующих высокопроизводительные газовые датчики в будущем.

Загрязнение воздуха становится растущей проблемой и серьезной экологической проблемой во всем мире, которая угрожает благополучию людей и организмов. Вдыхание газовых загрязнителей может вызвать множество проблем со здоровьем, таких как респираторные заболевания, рак легких, лейкемия и даже ранняя смерть1,2,3,4. Сообщается, что с 2012 по 2016 год миллионы людей умерли от загрязнения воздуха, а миллиарды людей ежегодно сталкиваются с плохим качеством воздуха5. Поэтому важно разработать портативные и миниатюрные датчики газа, которые могут обеспечить обратную связь в реальном времени и высокие характеристики измерения (например, чувствительность, селективность, стабильность, а также время отклика и восстановления). Помимо мониторинга окружающей среды, датчики газа также играют решающую роль в безопасности6,7,8, медицинской диагностике9,10, аквакультуре11 и других областях12.

На сегодняшний день доступно несколько типов портативных газовых датчиков, основанных на различных чувствительных механизмах, таких как оптические13,14,15,16,17,18, электрохимические19,20,21,22 и хемирезистивные датчики23,24. Среди них хемирезистивные датчики на основе металлооксид-полупроводников (МОП) являются наиболее популярными в коммерческих приложениях благодаря их высокой стабильности и низкой стоимости25,26. Концентрацию загрязняющих веществ можно определить, просто обнаружив изменения сопротивления МОП. В начале 1960-х годов было сообщено о первом хемирезистивном газовом сенсоре на основе пленки ZnO, что вызвало большой интерес в области газового зондирования27,28. На сегодняшний день в качестве газочувствительных материалов используется множество различных МОП, которые можно разделить на два класса в зависимости от их физических свойств: МОП n-типа, где электроны являются основными носителями заряда, и МОП p-типа, где дырки являются основным носителем заряда. перевозчики. Обычно МОП p-типа менее популярны, чем МОП n-типа, поскольку чувствительный отклик МОП p-типа (Sp) пропорционален квадратному корню из МОП n-типа (\(S_p = \sqrt {S_n}\ )) при тех же предположениях (например, те же морфологические конфигурации и те же изменения изгиба полос в воздухе)29,30. Однако практическое применение одиночных МОП-сенсоров по-прежнему сталкивается с некоторыми проблемами, такими как недостаточный предел обнаружения, плохая чувствительность и селективность. Проблему избирательности можно в некоторой степени решить путем создания массивов датчиков, известных как «электронные носы», и комбинирования алгоритмов вычислительного анализа, таких как векторное квантование обучения (LVQ), анализ главных компонентов (PCA) и частичный метод наименьших квадратов (PLS). анализ31,32,33,34,35. Кроме того, изготовление низкоразмерных МОП32,36,37,38,39 (например, одномерных (1D), 0D и 2D наноматериалов) и модификация основных МОП другими наноматериалами (например, МОП40,41,42, благородные металлические наночастицы (НЧ)43,44, углеродные наноматериалы45,46 и проводящие полимеры47,48) для создания наноразмерных гетеропереходов (т.е. гетеронаноструктурных МОП) являются другими предпочтительными подходами для решения вышеупомянутых проблем. По сравнению с обычными толстыми МОП-пленками, низкоразмерные МОП-пленки с большой удельной поверхностью могут обеспечить больше мест активации для адсорбции газа и облегчить диффузию газа36,37,49. Кроме того, конструкция гетеронаноструктур на основе МОП может дополнительно модулировать транспорт носителей на гетероинтерфейсе, что приводит к большим изменениям сопротивления из-за различных рабочих функций50,51,52. Более того, некоторые химические эффекты (например, каталитическая активность и синергетические поверхностные реакции), возникающие в результате проектирования МОП-гетеронаноструктур, также могут улучшить характеристики сенсора50,53,54. Хотя проектирование и создание гетеронаноструктур на основе МОП было бы многообещающим подходом для улучшения характеристик датчиков, современные хемирезистивные датчики часто используют метод проб и ошибок, который требует много времени и неэффективен. Поэтому важно понимать чувствительный механизм газовых датчиков на основе МОП, поскольку он может служить руководством для направленного проектирования высокопроизводительных датчиков.

λD of the shell layer145. As a result, the resistance modulation of sensors based on CSHNs is mainly dominated by the radial modulation of the EDL of the shell (Fig. 8a). However, when hs ≤ λD of the shell layer, the shell layer becomes fully electron depleted by the adsorbed oxygen species and the formed heterojunction at the CS heterointerface. Therefore, the conduction channel is not only located inside the shell layer but also partially in the core part, especially when hs < λD of the shell layer. In this case, both the fully electron-depleted shell layer and the partially depleted core layer contribute to modulating the resistance of the whole CSHNs, generating an electric-field smearing effect (Fig. 8b). Some other studies use the concept of EDL volume fraction instead of electric field smearing effect to analyze the effect of hs100,148. By taking both contributions into consideration, the overall resistance modulation of the CSHNs reaches the highest when hs is comparable with λD of the shell layer, as shown in Fig. 8c. Therefore, the optimal hs of the CSHN may be close to λD of the shell layer, which is consistent with experimental observations99,144,145,146,149. Several studies have demonstrated that hs can also influence the sensing behavior of sensors based on p-n heterojunction CSHNs40,148. Lee et al.148 and Bai et al.40 systematically studied the influence of hs on the performance of p-n heterojunction CSHN (e.g., TiO2@CuO and ZnO@NiO)-based sensors by varying the ALD cycles of the shell layer. As a result, the sensing behavior transits from p-type to n-type with increasing hs40,148. This behavior occurs because at the beginning (with a limited ALD cycle number), the heterostructure can be regarded as decorated heteronanostructures. Thus, the conduction channel is confined to the core layer (p-type MOS), and the sensor shows p-type sensing behavior40. By increasing the ALD cycle number, the shell layer (n-type MOS) becomes quasi-continuous and serves as the conduction channel, resulting in n-type sensing behavior40. Similar sensing transition behaviors have also been reported on branched p-n heteronanostructures150,151. Zhou et al.150 studied the sensing behavior of Zn2SnO4@Mn3O4 branched heteronanostructures by tuning the content of Zn2SnO4 on the surface of Mn3O4 nanowires. The p-type sensing behavior is observed when Zn2SnO4 seeds form on the surface of Mn3O4. With a further increase in the content of Zn2SnO4, the sensor based on Zn2SnO4@Mn3O4 branched heteronanostructures switches to n-type sensing behavior./p>

Новости

Гетеронаноструктурный оксид металла