Ngembangkeun kinerja tinggi, portabel jeung sensor gas miniatur ieu gaining ngaronjat perhatian dina widang monitoring lingkungan, kaamanan, diagnostics médis sarta tatanén.Diantara rupa-rupa alat deteksi, sénsor gas kemo-resistif logam-oksida-semikonduktor (MOS) mangrupikeun pilihan anu paling populér pikeun aplikasi komérsial kusabab stabilitas anu luhur, béaya rendah, sareng sensitipitas anu luhur.Salah sahiji pendekatan anu paling penting pikeun ningkatkeun kamampuan sénsor nyaéta nyiptakeun heterojunctions basis MOS nanosized (MOS heterostructured nano) tina nanomaterials MOS.Sanajan kitu, mékanisme sensing tina sénsor MOS heteronanostructured béda ti sénsor gas MOS tunggal, sabab rada kompleks.Kinerja sénsor dipangaruhan ku sababaraha parameter, kalebet sipat fisik sareng kimia tina bahan sénsitip (sapertos ukuran sisikian, kapadetan cacad, sareng lowongan oksigén bahan), suhu operasi, sareng struktur alat.Tinjauan ieu nampilkeun sababaraha konsép pikeun ngarancang sénsor gas berprestasi tinggi ku cara nganalisis mékanisme sensing sénsor MOS berstruktur nano hétérogén.Salaku tambahan, pangaruh struktur geometri alat, ditangtukeun ku hubungan antara bahan sénsitip sareng éléktroda kerja, dibahas.Pikeun diajar paripolah sensor sacara sistematis, artikel ieu ngenalkeun sareng ngabahas mékanisme umum persépsi tilu struktur géométri has alat dumasar kana rupa-rupa bahan hétéronanostructured.Tinjauan ieu bakal janten pituduh pikeun pamiarsa anu bakal datang anu diajar mékanisme sénsitip sénsor gas sareng ngembangkeun sénsor gas kinerja luhur.
Polusi udara mangrupikeun masalah anu beuki parah sareng masalah lingkungan global anu serius anu ngancam karaharjaan jalma sareng mahluk hirup.Inhalasi polutan gas tiasa nyababkeun seueur masalah kaséhatan sapertos panyakit engapan, kanker paru-paru, leukemia bahkan maot prématur1,2,3,4.Ti taun 2012 nepi ka 2016, jutaan jalma dilaporkeun maot tina polusi udara, sarta unggal taun, milyaran jalma kakeunaan kualitas hawa goréng5.Ku alatan éta, hal anu penting pikeun ngembangkeun sensor gas portabel tur miniaturized nu bisa nyadiakeun eupan balik real-time jeung kinerja deteksi tinggi (misalna sensitipitas, selectivity, stabilitas, sarta respon na recovery kali).Salian ngawaskeun lingkungan, sénsor gas maénkeun peran anu penting dina kaamanan6,7,8, diagnostik médis9,10, akuakultur11 sareng widang sanésna12.
Nepi ka ayeuna, sababaraha sensor gas portabel dumasar kana mékanisme sensing béda geus diwanohkeun, kayaning optical13,14,15,16,17,18, electrochemical19,20,21,22 jeung sensor résistif kimiawi23,24.Di antarana, logam-oksida-semikonduktor (MOS) sensor résistif kimiawi nu pang populerna di aplikasi komérsial alatan stabilitas tinggi maranéhanana sarta low cost25,26.Konsentrasi contaminant bisa ditangtukeun saukur ku detecting parobahan lalawanan MOS.Dina awal taun 1960-an, sénsor gas kemo-resistip munggaran dumasar kana film ipis ZnO dilaporkeun, ngahasilkeun minat anu ageung dina widang deteksi gas27,28.Kiwari, loba MOS béda dipaké salaku bahan sénsitip gas, sarta aranjeunna bisa dibagi kana dua kategori dumasar kana sipat fisik maranéhanana: n-tipe MOS kalawan éléktron salaku operator muatan mayoritas na p-tipe MOS kalawan liang salaku operator muatan mayoritas.pamawa muatan.Sacara umum, MOS tipe-p kurang populér batan MOS tipe-n sabab réspon induktif MOS tipe-p (Sp) sabanding jeung akar kuadrat MOS tipe-n (\(S_p = \sqrt { S_n}\ ) ) dina asumsi anu sarua (contona, struktur morfologis anu sarua jeung parobahan anu sarua dina bending pita dina hawa) 29,30.Sanajan kitu, sensor MOS single-base masih nyanghareupan masalah kayaning wates deteksi cukup, sensitipitas lemah sareng selectivity dina aplikasi praktis.Masalah selektivitas tiasa diatasi ku cara nyiptakeun sénsor sénsor (disebut "irung éléktronik") sareng ngalebetkeun algoritma analisis komputasi sapertos kuantisasi vektor latihan (LVQ), analisis komponén poko (PCA), sareng analisis kuadrat parsial (PLS)31, 32, 33, 34, 35. Sajaba ti éta, produksi low-dimensi MOS32,36,37,38,39 (misalna hiji diménsi (1D), 0D jeung 2D nanomaterials, kitu ogé pamakéan nanomaterials séjén ( misalna MOS40,41,42 , nanopartikel logam mulia (NPs))43,44, karbon nanomaterials45,46 jeung polimér konduktif47,48) pikeun nyieun heterojunctions skala nano (ie, heteronanostructured MOS) pendekatan pikaresep séjén pikeun ngajawab masalah di luhur.Dibandingkeun jeung pilem MOS kandel tradisional, MOS low-dimensi kalawan aréa permukaan husus tinggi bisa nyadiakeun situs leuwih aktip pikeun adsorption gas sarta mempermudah difusi gas36,37,49.Sajaba ti éta, desain heteronanostructures basis MOS bisa salajengna Ngepaskeun angkutan pamawa di heterointerface nu, hasilna parobahan badag dina lalawanan alatan fungsi operasi béda50,51,52.Sajaba ti éta, sababaraha épék kimiawi (misalna kagiatan katalitik jeung réaksi permukaan sinergis) anu lumangsung dina desain MOS heteronanostructures ogé bisa ngaronjatkeun kinerja sensor. kinerja sensor, sensor chemo-resistive modern ilaharna ngagunakeun trial and error, nu consuming waktu jeung teu efisien.Ku alatan éta, hal anu penting pikeun ngarti mékanisme sensing of MOS dumasar sensor gas sabab bisa pituduh desain kinerja tinggi sensor arah.
Dina taun anyar, MOS sensor gas geus dimekarkeun gancang sarta sababaraha laporan geus diterbitkeun dina MOS nanostructures55,56,57, suhu kamar sensor gas58,59, husus MOS sensor materials60,61,62 sarta sensor gas husus63.A makalah review dina Harita lianna museurkeun kana elucidating mékanisme sensing sensor gas dumasar kana sipat fisik jeung kimia intrinsik of MOS, kaasup peran vacancies oksigén 64, peran heteronanostructures 55, 65 sarta mindahkeun muatan dina heterointerfaces 66. , loba parameter séjén mangaruhan kinerja sensor, kaasup heterostructure, ukuran sisikian, suhu operasi, dénsitas cacad, vacancies oksigén, komo kabuka planes kristal tina material25,67,68,69,70,71 sénsitip.72, 73. Sanajan kitu, éta (jarang disebutkeun) struktur geometri alat, ditangtukeun ku hubungan antara bahan sensing jeung éléktroda gawé, ogé nyata mangaruhan sensitipitas sensor74,75,76 (tingali bagian 3 pikeun leuwih rinci) .Contona, Kumar et al.77 ngalaporkeun dua sénsor gas dumasar kana bahan anu sarua (contona, sénsor gas dua lapis dumasar kana TiO2@NiO jeung NiO@TiO2) sarta niténan parobahan béda dina résistansi gas NH3 alatan géométri alat anu béda.Ku alatan éta, nalika analisa mékanisme gas-sensing, hal anu penting pikeun tumut kana akun struktur alat.Dina ulasan ieu, panulis museurkeun kana mékanisme deteksi dumasar-MOS pikeun sababaraha struktur nano hétérogén sareng struktur alat.Kami yakin yén ulasan ieu tiasa janten panungtun pikeun pamiarsa anu hoyong ngartos sareng nganalisis mékanisme deteksi gas sareng tiasa nyumbang kana pamekaran sensor gas kinerja luhur anu bakal datang.
Dina Gbr.1a nembongkeun modél dasar mékanisme sensing gas dumasar kana MOS tunggal.Nalika suhu naék, adsorpsi molekul oksigén (O2) dina permukaan MOS bakal narik éléktron ti MOS sareng ngabentuk spésiés anionik (sapertos O2- sareng O-).Lajeng, lapisan depletion éléktron (EDL) pikeun MOS tipe-n atawa lapisan akumulasi liang (HAL) pikeun MOS tipe-p kabentuk dina beungeut MOS 15, 23, 78. Interaksi antara O2 jeung MOS ngabalukarkeun pita konduksi tina permukaan MOS ngabengkokkeun ka luhur sarta ngabentuk panghalang poténsial.Salajengna, nalika sénsor kakeunaan gas target, gas anu diserep dina permukaan MOS bereaksi sareng spésiés oksigén ionik, boh narik éléktron (gas pengoksidasi) atanapi nyumbangkeun éléktron (gas réduksi).Mindahkeun éléktron antara gas target jeung MOS bisa nyaluyukeun rubak EDL atanapi HAL30,81 hasilna parobahan dina lalawanan sakabéh sensor MOS.Contona, pikeun gas réduksi, éléktron bakal dipindahkeun tina gas réduksi ka MOS tipe-n, hasilna EDL handap sarta lalawanan handap, nu disebut kabiasaan sensor n-tipe.Sabalikna, nalika MOS tipe-p kakeunaan gas pangurangan anu nangtukeun paripolah sensitipitas tipe-p, HAL nyusut sareng résistansi naék kusabab sumbangan éléktron.Pikeun gas pangoksidasi, réspon sénsor sabalikna pikeun gas réduksi.
Mékanisme deteksi dasar pikeun MOS tipe-n jeung tipe-p pikeun gas réduksi jeung oksidasi b Faktor konci jeung sipat fisika-kimiawi atawa bahan aub dina sénsor gas semikonduktor 89
Salian ti mékanisme deteksi dasar, mékanisme deteksi gas anu dianggo dina sensor gas praktis cukup rumit.Contona, pamakéan sabenerna sensor gas kudu minuhan loba sarat (saperti sensitipitas, selectivity, jeung stabilitas) gumantung kana kabutuhan pamaké.Sarat ieu raket patalina jeung sipat fisik jeung kimia bahan sénsitip.Contona, Xu et al.71 nunjukkeun yén sensor dumasar SnO2 ngahontal sensitipitas pangluhurna lamun diaméter kristal (d) sarua atawa kirang ti dua kali panjang Debye (λD) tina SnO271.Nalika d ≤ 2λD, SnO2 tos rengse depleted sanggeus adsorption molekul O2, sarta respon sensor kana gas ngurangan maksimum.Sajaba ti éta, rupa-rupa parameter lianna bisa mangaruhan kinerja sensor, kaasup suhu operasi, defects kristal, komo kakeunaan pesawat kristal tina bahan sensing.Khususna, pangaruh suhu operasi dijelaskeun ku kamungkinan persaingan antara laju adsorpsi sareng desorption gas target, ogé réaktivitas permukaan antara molekul gas anu diserep sareng partikel oksigén4,82.Pangaruh defects kristal kuat patali jeung eusi vacancies oksigén [83, 84].Operasi sensor ogé bisa kapangaruhan ku réaktivitas béda rupa kristal kabuka67,85,86,87.Pesawat kristal kabuka kalayan kapadetan handap nembongkeun kation logam leuwih uncoordinated kalawan énergi nu leuwih luhur, nu ngamajukeun adsorption permukaan jeung réaktivitas88.Méja 1 daptar sababaraha faktor konci sareng mékanisme persépsi ningkat anu aya hubunganana.Ku alatan éta, ku nyaluyukeun parameter bahan ieu, kinerja deteksi bisa ningkat, sarta éta kritis pikeun nangtukeun faktor konci mangaruhan kinerja sensor.
Yamazoe89 na Shimanoe et al.68,71 dipigawé sababaraha studi dina mékanisme téoritis persepsi sensor sarta ngajukeun tilu faktor konci bebas influencing kinerja sensor, husus fungsi reséptor, fungsi transduser, sarta utiliti (Gbr. 1b)..Fungsi reséptor nujul kana kamampuan permukaan MOS pikeun berinteraksi sareng molekul gas.Pungsi ieu raket patalina jeung sipat kimia MOS sarta bisa nyata ningkat ku ngawanohkeun acceptors asing (Contona, NPs logam jeung MOS séjén).Fungsi transduser nujul kana kamampuhan pikeun ngarobah réaksi antara gas jeung beungeut MOS kana sinyal listrik didominasi ku wates sisikian MOS.Ku kituna, fungsi indrawi dipangaruhan sacara signifikan ku ukuran partikel MOC sareng dénsitas reséptor asing.Katoch et al.90 dilaporkeun yén réduksi ukuran sisikian nanofibrils ZnO-SnO2 nyababkeun formasi sababaraha heterojunctions jeung ngaronjat sensitipitas sensor, konsisten kalayan fungsionalitas transduser.Wang et al.91 dibandingkeun rupa ukuran sisikian Zn2GeO4 sarta nunjukkeun kanaékan 6,5-melu dina sensitipitas sensor sanggeus ngawanohkeun wates sisikian.Utiliti mangrupikeun faktor kinerja sensor konci anu ngajelaskeun kasadiaan gas kana struktur MOS internal.Lamun molekul gas teu bisa nembus sarta meta jeung MOS internal, sensitipitas sensor urang bakal ngurangan.Mangpaatna raket patalina jeung jerona difusi gas nu tangtu, nu gumantung kana ukuran pori bahan sensing.Sakai et al.92 ngamodelkeun sensitipitas sénsor kana gas buang sareng mendakan yén beurat molekul gas sareng radius pori mémbran sénsor mangaruhan sensitipitas sénsor dina jero difusi gas anu béda dina mémbran sénsor.Diskusi di luhur nunjukkeun yén sénsor gas kinerja luhur tiasa dikembangkeun ku cara nyaimbangkeun sareng ngaoptimalkeun fungsi reséptor, fungsi transduser, sareng utilitas.
Karya di luhur clarifies mékanisme persepsi dasar hiji MOS tunggal jeung ngabahas sababaraha faktor anu mangaruhan kinerja MOS a.Salian faktor ieu, sensor gas dumasar kana heterostructures bisa salajengna ngaronjatkeun kinerja sensor ku nyata ngaronjatkeun fungsi sensor na reséptor.Sajaba ti éta, heteronanostructures bisa salajengna ngaronjatkeun kinerja sensor ku enhancing réaksi katalitik, ngatur mindahkeun muatan, sarta nyieun leuwih situs adsorption.Nepi ka ayeuna, loba sensor gas dumasar kana MOS heteronanostructures geus diajarkeun pikeun ngabahas mékanisme pikeun sensing ditingkatkeun95,96,97.Miller et al.55 nyimpulkeun sababaraha mékanisme anu kamungkinan ningkatkeun sensitipitas hétéronanostructures, kalebet gumantung kana permukaan, gumantung kana antarmuka, sareng gumantung kana struktur.Di antarana, mékanisme amplifikasi interface-gumantung teuing pajeulit pikeun nutupan sakabéh interaksi panganteur dina hiji téori, saprak rupa sensor dumasar kana bahan heteronanostructured (contona, nn-heterojunction, pn-heterojunction, pp-heterojunction, jsb) bisa dipaké. .simpul Schottky).Ilaharna, sénsor hétéronanostructured basis MOS salawasna ngawengku dua atawa leuwih mékanisme sensor canggih98,99,100.Pangaruh sinergis tina mékanisme amplifikasi ieu tiasa ningkatkeun panarimaan sareng ngolah sinyal sensor.Ku kituna, pamahaman mékanisme persepsi sensor dumasar kana bahan nanostructured hétérogén penting pisan pikeun mantuan peneliti ngamekarkeun sensor gas handap-up luyu jeung kaperluan maranéhanana.Salaku tambahan, struktur géométri alat ogé tiasa mangaruhan sacara signifikan sensitipitas sénsor 74, 75, 76. Dina raraga sacara sistematis nganalisis paripolah sénsor, mékanisme sensing tina tilu struktur alat dumasar kana bahan heteronanostructured anu béda bakal dibere. sarta dibahas di handap.
Kalayan ngembangkeun gancang sensor gas dumasar MOS, rupa-rupa MOS hetero-nanostructured geus diajukeun.Mindahkeun muatan dina heterointerface gumantung kana tingkat Fermi béda (Ef) tina komponén.Dina heterointerface, éléktron pindah ti hiji sisi kalawan Ef badag ka sisi séjén kalawan Ef leutik nepi ka tingkat Fermi maranéhanana ngahontal kasatimbangan, sarta liang, sabalikna.Lajeng operator di heterointerface nu depleted sarta ngabentuk lapisan depleted.Sakali sensor kakeunaan gas target, konsentrasi pamawa MOS heteronanostructured robah, kitu ogé jangkungna panghalang, kukituna enhancing sinyal deteksi.Sajaba ti éta, métode béda fabricating heteronanostructures ngakibatkeun hubungan béda antara bahan jeung éléktroda, nu ngabalukarkeun geometries alat béda jeung mékanisme sensing béda.Dina review ieu, urang ngajukeun tilu struktur alat geometri sarta ngabahas mékanisme sensing pikeun tiap struktur.
Sanajan heterojunctions maénkeun peran anu kacida penting dina kinerja deteksi gas, géométri alat sakabéh sensor ogé bisa nyata mangaruhan kabiasaan deteksi, sabab lokasi saluran konduksi sénsor gumantung pisan kana géométri alat.Tilu geometri has alat MOS heterojunction dibahas di dieu, ditémbongkeun saperti dina Gambar 2. Dina tipe kahiji, dua sambungan MOS disebarkeun acak antara dua éléktroda, sarta lokasi saluran conductive ditangtukeun ku MOS utama, kadua nyaéta formasi nanostructures hétérogén ti MOS béda, bari ngan hiji MOS disambungkeun ka éléktroda.éléktroda disambungkeun, lajeng saluran conductive biasana lokasina di jero MOS tur langsung disambungkeun ka éléktroda.Dina tipe katilu, dua bahan napel dua éléktroda misah, guiding alat ngaliwatan heterojunction kabentuk antara dua bahan.
A hyphen antara sanyawa (misalna "SnO2-NiO") nunjukkeun yén dua komponén téh saukur dicampur (tipe I).Tanda "@" antara dua sambungan (misalna "SnO2@NiO") nunjukkeun yén bahan scaffold (NiO) dihias ku SnO2 pikeun struktur sensor tipe II.Garis miring (misalna "NiO/SnO2") nunjukkeun desain sensor tipe III.
Pikeun sénsor gas dumasar kana komposit MOS, dua elemen MOS disebarkeun sacara acak antara éléktroda.Seueur metode fabrikasi parantos dikembangkeun pikeun nyiapkeun komposit MOS, kalebet sol-gél, kopresipitasi, hidrotermal, electrospinning, sareng metode campuran mékanis98,102,103,104.Anyar-anyar ieu, kerangka logam-organik (MOF), kelas bahan terstruktur kristalin porous anu diwangun ku pusat logam sareng linker organik, parantos dianggo salaku citakan pikeun fabrikasi komposit MOS porous105,106,107,108.Eta sia noting yén sanajan persentase MOS composites sarua, ciri sensitipitas bisa greatly rupa-rupa lamun ngagunakeun prosés manufaktur béda.109,110 Contona, Gao et al.109 fabricated dua sensor dumasar kana MoO3 ± SnO2 composites kalawan rasio atom sarua. ( Mo: Sn = 1: 1.9) sarta kapanggih yén métode fabrikasi béda ngakibatkeun sensitipitas béda.Shaposhnik et al.110 ngalaporkeun yén réaksi ko-précipitated SnO2-TiO2 kana gas H2 béda ti éta bahan mechanically dicampur, sanajan dina rasio Sn / Ti sarua.Bédana ieu timbul kusabab hubungan antara MOP sareng ukuran kristalit MOP béda-béda sareng metode sintésis anu béda109,110.Lamun ukuran jeung bentuk sisikian konsisten dina watesan dénsitas donor jeung tipe semikonduktor, respon kudu tetep sarua lamun géométri kontak teu robah 110 .Staerz et al.111 ngalaporkeun yén ciri deteksi SnO2-Cr2O3 inti-salapah (CSN) nanofibers jeung taneuh SnO2-Cr2O3 CSNs éta ampir identik, suggesting yén morfologi nanofiber teu nawiskeun kaunggulan nanaon.
Salian metode fabrikasi anu béda, jinis semikonduktor tina dua MOSFET anu béda ogé mangaruhan sensitipitas sénsor.Ieu bisa salajengna dibagi kana dua kategori gumantung kana naha dua MOSFETs téh tina tipe sarua semikonduktor (nn atanapi pp simpang) atawa tipe béda (pn simpang).Nalika sensor gas anu dumasar kana MOS composites sahiji jenis anu sarua, ku cara ngarobah babandingan molar tina dua MOS, ciri respon sensitipitas tetep unchanged, sarta sensitipitas sensor variasina gumantung kana jumlah nn- atanapi pp-heterojunctions.Lamun hiji komponén predominates dina komposit (misalna 0,9 ZnO-0,1 SnO2 atawa 0,1 ZnO-0,9 SnO2), saluran konduksi ditangtukeun ku MOS dominan, disebut saluran konduksi homojunction 92.Lamun babandingan dua komponén anu comparable, éta dianggap saluran konduksi didominasi ku heterojunction98,102.Yamazoe et al.112,113 ngalaporkeun yén wewengkon heterocontact tina dua komponén bisa greatly ngaronjatkeun sensitipitas sensor sabab panghalang heterojunction kabentuk alatan fungsi operasi béda komponén bisa éféktif ngadalikeun mobilitas drift sensor kakeunaan éléktron.Rupa-rupa gas ambient 112.113.Dina Gbr.Gambar 3a nunjukkeun yén sénsor dumasar kana struktur hirarki serat SnO2-ZnO kalayan eusi ZnO anu béda (tina 0 dugi ka 10 mol % Zn) tiasa sacara selektif ngadeteksi étanol.Di antarana, sénsor dumasar kana serat SnO2-ZnO (7 mol.% Zn) némbongkeun sensitipitas pangluhurna alatan formasi sajumlah badag heterojunctions sarta paningkatan dina aréa permukaan husus, nu ngaronjatkeun fungsi converter tur ningkat. sensitipitas 90 Sanajan kitu, kalawan paningkatan salajengna dina eusi ZnO ka 10 mol.%, mikrostruktur SnO2-ZnO komposit bisa mungkus wewengkon aktivasina permukaan jeung ngurangan sensitipitas sensor85.A trend sarupa ogé dititénan pikeun sensor dumasar kana NiO-NiFe2O4 pp composites heterojunction kalawan babandingan Fe / Ni béda (Gbr. 3b) 114.
Gambar SEM tina serat SnO2-ZnO (7 mol.% Zn) sareng réspon sénsor kana rupa-rupa gas kalayan konsentrasi 100 ppm dina 260 °C;54b Tanggapan sénsor dumasar kana komposit NiO sareng NiO-NiFe2O4 murni dina 50 ppm tina rupa-rupa gas, 260 °C;114 (c) Diagram skematis jumlah titik dina komposisi xSnO2-(1-x)Co3O4 sareng résistansi sareng réaksi sensitipitas komposisi xSnO2-(1-x)Co3O4 per 10 ppm CO, aseton, C6H6 sareng SO2 gas dina 350 °C ku cara ngarobah rasio molar Sn/Co 98
Komposit pn-MOS nunjukkeun paripolah sensitipitas anu béda-béda gumantung kana rasio atom MOS115.Sacara umum, paripolah indrawi tina komposit MOS gumantung pisan kana MOS anu bertindak salaku saluran konduksi primér pikeun sénsor.Ku alatan éta, penting pisan pikeun nangtukeun komposisi persentase sareng struktur nano komposit.Kim et al.98 dikonfirmasi kacindekan ieu ku sintésis runtuyan xSnO2 ± (1-x) nanofibers komposit Co3O4 ku electrospinning sarta diajar sipat sensor maranéhanana.Aranjeunna katalungtik yén paripolah SnO2-Co3O4 sensor komposit switched tina n-tipe ka p-tipe ku cara ngurangan persentase SnO2 (Gbr. 3c)98.Salaku tambahan, sénsor anu didominasi heterojunction (dumasar kana 0.5 SnO2-0.5 Co3O4) nunjukkeun tingkat transmisi anu pangluhurna pikeun C6H6 dibandingkeun sareng sénsor anu dominan homojunction (contona, sénsor SnO2 atanapi Co3O4 anu luhur).Résistansi luhur alamiah tina sénsor dumasar 0.5 SnO2-0.5 Co3O4 sareng kamampuan anu langkung ageung pikeun modulasi résistansi sénsor sadayana nyumbang kana sensitipitas pangluhurna ka C6H6.Sajaba ti éta, defects mismatch kisi asalna ti SnO2-Co3O4 heterointerfaces bisa nyieun situs adsorption preferential pikeun molekul gas, kukituna enhancing sensor response109,116.
Salian semikonduktor-tipe MOS, paripolah touch of MOS composites ogé bisa ngaropéa maké kimia MOS-117.Huo et al.117 ngagunakeun métode soak-panggang basajan pikeun nyiapkeun komposit Co3O4-SnO2 sarta kapanggih yén dina rasio molar Co / Sn 10%, sensor némbongkeun respon deteksi tipe-p ka H2 sarta sensitipitas tipe-n ka. H2.respon.Réspon sénsor kana gas CO, H2S sareng NH3 dipidangkeun dina Gambar 4a117.Dina babandingan Co/Sn low, loba homojunctions kabentuk dina SnO2 ± SnO2 wates nanograin sarta némbongkeun n-tipe réspon sensor kana H2 (Gbr. 4b, c) 115.Kalayan paningkatan rasio Co / Sn dugi ka 10 mol.%, tinimbang homojunctions SnO2-SnO2, loba heterojunctions Co3O4-SnO2 sakaligus kabentuk (Gbr. 4d).Kusabab Co3O4 teu aktip dina hormat ka H2, sarta SnO2 meta kuat kalawan H2, réaksi H2 jeung spésiés oksigén ionik utamana lumangsung dina beungeut SnO2117.Ku alatan éta, éléktron pindah ka SnO2 jeung Ef SnO2 shifts ka pita konduksi, bari Ef Co3O4 tetep unchanged.Hasilna, résistansi sensor naek, nunjukkeun yén bahan kalawan rasio Co / Sn tinggi némbongkeun p-tipe sensing kabiasaan (Gbr. 4e).Kontras, gas CO, H2S, jeung NH3 meta jeung spésiés oksigén ionik dina surfaces SnO2 jeung Co3O4, sarta éléktron pindah ti gas kana sensor, hasilna panurunan dina jangkungna panghalang jeung sensitipitas n-tipe (Gbr. 4f)..Paripolah sensor béda ieu alatan réaktivitas béda Co3O4 kalawan gas béda, nu salajengna dikonfirmasi ku Yin dkk.118 .Nya kitu, Katoch et al.119 nunjukkeun yén komposit SnO2-ZnO gaduh selektivitas anu saé sareng sensitipitas anu luhur ka H2.Paripolah ieu lumangsung alatan atom H bisa gampang adsorbed kana posisi O ZnO alatan hibridisasi kuat antara s-orbital H jeung p-orbital O, nu ngabalukarkeun metallization ZnO120,121.
kurva résistansi dinamis Co/Sn-10% pikeun gas réduksi has sapertos H2, CO, NH3 jeung H2S, b, c Co3O4/SnO2 diagram mékanisme sensing komposit pikeun H2 dina low% m.Co/Sn, df Co3O4 Mékanisme deteksi H2 jeung CO, H2S jeung NH3 kalawan komposit Co/Sn/SnO2 tinggi
Kituna, urang bisa ningkatkeun sensitipitas sensor tipe-I ku milih métode fabrikasi luyu, ngurangan ukuran sisikian tina komposit, sarta optimalisasi rasio molar tina komposit MOS.Salaku tambahan, pamahaman anu jero ngeunaan kimia bahan sénsitip tiasa ningkatkeun selektivitas sénsor.
Struktur sénsor Tipe II nyaéta struktur sénsor populér séjén anu bisa ngagunakeun rupa-rupa bahan nanostructured hétérogén, kaasup hiji "master" nanomaterial sarta nanomaterial kadua atawa malah katilu.Contona, bahan hiji diménsi atawa dua diménsi dihias ku nanopartikel, core-cangkang (CS) jeung bahan heteronanostructured multilayer ilahar dipaké dina struktur sensor tipe II sarta bakal dibahas di jéntré di handap.
Pikeun bahan hétéronanostructure munggaran (héteranostructure dihias), sakumaha ditémbongkeun dina Gbr. 2b (1), saluran conductive sensor disambungkeun ku bahan dasar.Kusabab formasi heterojunctions, nanopartikel dirobah bisa nyadiakeun situs leuwih réaktif pikeun adsorption gas atawa desorption, sarta ogé bisa meta salaku katalis pikeun ngaronjatkeun kinerja sensing109,122,123,124.Yuan et al.41 dicatet yén decorating WO3 nanowires kalawan CeO2 nanodots bisa nyadiakeun leuwih situs adsorption dina CeO2 @ WO3 heterointerface na beungeut CeO2 sarta ngahasilkeun leuwih spésiés oksigén chemisorbed pikeun réaksi jeung acetone.Gunawan et al.125. Hiji sénsor aseton sensitipitas ultra-luhur dumasar kana Au@α-Fe2O3 hiji-diménsi geus diusulkeun sarta geus katalungtik yén sensitipitas sénsor dikawasa ku aktivasina molekul O2 salaku sumber oksigén.Ayana Au NPs bisa meta salaku katalis ngamajukeun disosiasi molekul oksigén kana oksigén kisi pikeun oksidasi aseton.Hasil anu sami dicandak ku Choi et al.9 dimana katalis Pt dipaké pikeun ngadisosiasi molekul oksigén adsorbed kana spésiés oksigén terionisasi jeung ningkatkeun respon sénsitip kana aseton.Dina 2017, tim peneliti anu sami nunjukkeun yén nanopartikel bimetallic langkung éfisién dina katalisis tibatan nanopartikel logam mulia tunggal, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 5126. 5a mangrupikeun skéma tina prosés manufaktur pikeun NPs bimetallic (PtM) dumasar platinum ngagunakeun sél apoferritin kalayan ukuran rata-rata kirang ti 3 nm.Lajeng, ngagunakeun métode electrospinning, PtM @ WO3 nanofibers dicandak pikeun ngaronjatkeun sensitipitas na selectivity kana aseton atawa H2S (Gbr. 5b-g).Anyar-anyar ieu, katalis atom tunggal (SACs) parantos nunjukkeun kinerja katalitik anu saé dina widang katalisis sareng analisa gas kusabab efisiensi maksimal panggunaan atom sareng struktur éléktronik anu disaluyukeun127,128.Shin et al.129 dipaké Pt-SA anchored carbon nitride (MCN), SnCl2 jeung PVP nanosheets salaku sumber kimia pikeun nyiapkeun serat inline Pt@MCN@SnO2 pikeun deteksi gas.Sanajan eusi Pt@MCN pisan low (tina 0.13 wt.% nepi ka 0.68 wt.%), kinerja deteksi formaldehida gas Pt@MCN@SnO2 leuwih unggul ti sampel rujukan séjén (murni SnO2, MCN@SnO2 jeung Pt NPs@ SnO2)..Kinerja deteksi anu saé ieu tiasa dikaitkeun kana efisiensi atom maksimum katalis Pt SA sareng sinyalna minimum situs aktif SnO2129.
Metoda enkapsulasi Apoferritin-sarat pikeun ménta PtM-apo (PtPd, PtRh, PtNi) nanopartikel;sipat sénsitip gas dinamis tina bd pristine WO3, PtPd @ WO3, PtRn @ WO3, sarta Pt-NiO @ WO3 nanofibers;dumasar, contona, dina sipat selectivity of PtPd@WO3, PtRn@WO3 na Pt-NiO@WO3 sensor nanofiber kana 1 ppm interfering gas 126
Sajaba ti éta, heterojunctions kabentuk antara bahan scaffold jeung nanopartikel ogé bisa éféktif modulate saluran konduksi ngaliwatan mékanisme modulasi radial pikeun ngaronjatkeun kinerja sensor130,131,132.Dina Gbr.Gambar 6a nembongkeun ciri sénsor kawat nano SnO2 jeung Cr2O3@SnO2 murni pikeun ngurangan jeung ngoksidasi gas jeung mékanisme sénsor saluyu131.Dibandingkeun jeung kawat nano SnO2 murni, réspon kawat nano Cr2O3@SnO2 pikeun ngurangan gas ieu greatly ditingkatkeun, bari respon kana gas pangoksidasi ieu worsened.Fenomena ieu raket patalina sareng deceleration lokal saluran konduksi tina kawat nano SnO2 dina arah radial tina heterojunction pn kabentuk.Résistansi sénsor tiasa dilereskeun ku cara ngarobih lebar EDL dina permukaan kawat nano SnO2 murni saatos paparan ka gas réduksi sareng pangoksidasi.Nanging, pikeun kawat nano Cr2O3@SnO2, DEL awal kawat nano SnO2 dina hawa ningkat dibandingkeun sareng kawat nano SnO2 murni, sareng saluran konduksi diteken kusabab kabentukna heterojunction.Ku alatan éta, nalika sensor kakeunaan gas ngurangan, éléktron trapped dileupaskeun kana nanowires SnO2 sarta EDL diréduksi drastis, hasilna sensitipitas luhur batan nanowires SnO2 murni.Sabalikna, nalika pindah ka gas pangoksidasi, ékspansi DEL diwatesan, hasilna sensitipitas low.Hasil réspon indrawi anu sami dititénan ku Choi et al., 133 dimana kawat nano SnO2 anu dihias ku nanopartikel p-tipe WO3 nunjukkeun réspon indrawi anu ningkat sacara signifikan pikeun ngirangan gas, sedengkeun sensor SnO2 anu dihias n parantos ningkat sensitipitas kana gas pangoksidasi.Nanopartikel TiO2 (Gbr. 6b) 133. Hasil ieu utamana alatan fungsi gawé béda tina nanopartikel SnO2 jeung MOS (TiO2 atanapi WO3).Dina p-tipe (n-tipe) nanopartikel, saluran konduksi bahan kerangka (SnO2) expands (atawa kontrak) dina arah radial, lajeng, dina aksi réduksi (atawa oksidasi), ékspansi salajengna (atawa pondok). tina saluran konduksi SnO2 - iga ) tina gas (Gbr. 6b).
mékanisme modulasi radial ngainduksi ku dirobah LF MOS.Ringkesan réspon gas kana 10 ppm réduksi sareng gas pangoksidasi dumasar kana kawat nano SnO2 sareng Cr2O3@SnO2 murni sareng diagram skéma mékanisme sensing anu cocog;sarta skéma saluyu tina WO3@SnO2 nanorods sarta mékanisme deteksi133
Dina alat heterostructure dwilapisan sareng multilayer, saluran konduksi alat didominasi ku lapisan (biasana lapisan handap) dina kontak langsung sareng éléktroda, sareng heterojunction kabentuk dina antarmuka dua lapisan tiasa ngontrol konduktivitas lapisan handap. .Ku alatan éta, nalika gas berinteraksi sareng lapisan luhur, aranjeunna tiasa mangaruhan sacara signifikan saluran konduksi tina lapisan handap sarta lalawanan 134 alat.Contona, Kumar et al.77 ngalaporkeun kabiasaan sabalikna ti lapisan ganda TiO2@NiO jeung NiO@TiO2 pikeun NH3.Bédana ieu timbul kusabab saluran konduksi dua sénsor ngadominasi dina lapisan bahan anu béda (masing-masing NiO sareng TiO2), teras variasi dina saluran konduksi dasarna béda77.
Bilayer atanapi multilayer heteronanostructures ilaharna dihasilkeun ku sputtering, déposisi lapisan atom (ALD) jeung centrifugation56,70,134,135,136.Ketebalan pilem sareng daérah kontak tina dua bahan tiasa dikontrol ogé.Angka 7a sareng b nunjukkeun nanofilms NiO@SnO2 sareng Ga2O3@WO3 diala ku sputtering pikeun deteksi étanol135,137.Sanajan kitu, métode ieu umumna ngahasilkeun film datar, sarta film datar ieu kirang sénsitip ti bahan 3D nanostructured alatan aréa permukaan husus low maranéhanana sarta perméabilitas gas.Ku alatan éta, strategi fase cair pikeun fabricating film dwilapis kalawan hirarki béda ogé geus diusulkeun pikeun ngaronjatkeun kinerja perceptual ku cara ningkatkeun aréa permukaan husus41,52,138.Zhu et al139 digabungkeun sputtering jeung téhnik hydrothermal pikeun ngahasilkeun kacida maréntahkeun ZnO nanowires leuwih SnO2 nanowires (ZnO @ SnO2 nanowires) pikeun deteksi H2S (Gbr. 7c).Résponna kana 1 ppm H2S nyaéta 1,6 kali leuwih luhur ti sénsor dumasar kana nanofilms ZnO@SnO2 sputtered.Liu et al.52 ngalaporkeun sensor H2S kinerja tinggi ngagunakeun dua-hambalan di situ metoda déposisi kimiawi pikeun fabricate struktur nano SnO2 @ NiO hirarki dituturkeun ku annealing termal (Gbr. 10d).Dibandingkeun jeung sputtered SnO2@NiO pilem bilayer konvensional, kinerja sensitipitas struktur bilayer hirarki SnO2@NiO nyata ningkat alatan kanaékan aréa permukaan husus52,137.
sensor gas lapisan ganda dumasar kana MOS.NiO@SnO2 nanofilm pikeun deteksi étanol;137b Ga2O3@WO3 nanofilm pikeun deteksi étanol;135c kacida maréntahkeun SnO2 @ ZnO struktur hirarki bilayer pikeun deteksi H2S;139d SnO2 @ NiO struktur hirarki bilayer pikeun detecting H2S52.
Dina alat tipe II dumasar kana core-shell heteronanostructures (CSHNs), mékanisme sensing leuwih kompleks, saprak saluran konduksi henteu dugi ka cangkang jero.Duanana jalur manufaktur sareng ketebalan (hs) bungkusan tiasa nangtukeun lokasi saluran konduktif.Contona, nalika ngagunakeun métode sintésis handap-up, saluran konduksi biasana dugi ka inti jero, nu sarupa dina struktur jeung dua-lapisan atawa struktur alat multilayer (Gbr. 2b(3)) 123, 140, 141, 142, 143. Xu dkk.144 ngalaporkeun pendekatan bottom-up pikeun meunangkeun CSHN NiO@α-Fe2O3 na CuO@α-Fe2O3 ku depositing lapisan NiO atanapi CuO NPs on nanorods α-Fe2O3 nu saluran konduksi diwatesan ku bagian sentral.(nanorods α-Fe2O3).Liu et al.142 ogé junun ngawatesan saluran konduksi kana bagian utama CSHN TiO2 @ Si ku depositing TiO2 dina susunan disusun tina kawat nano silikon.Ku alatan éta, paripolah sensing na (tipe-p atawa tipe-n) ngan gumantung kana tipe semikonduktor kawat nano silikon.
Sanajan kitu, paling dilaporkeun sensor basis CSHN (Gbr. 2b (4)) anu fabricated ku mindahkeun powders tina bahan CS disintésis onto chip.Dina hal ieu, jalur konduksi sensor kapangaruhan ku ketebalan perumahan (hs).Grup Kim urang nalungtik efek hs on kinerja deteksi gas sarta ngajukeun mékanisme deteksi mungkin100.112.145.146.147.148. Hal ieu dipercaya yén dua faktor nyumbang kana mékanisme sensing struktur ieu: (1) modulasi radial tina EDL cangkang jeung (2) pangaruh smearing médan listrik (Gbr. 8) 145. Para panalungtik disebutkeun yen saluran konduksi. tina operator lolobana dipasrahkeun ka lapisan cangkang nalika hs > λD tina lapisan cangkang145. Hal ieu dipercaya yén dua faktor nyumbang kana mékanisme sensing struktur ieu: (1) modulasi radial tina EDL cangkang jeung (2) pangaruh smearing médan listrik (Gbr. 8) 145. Para panalungtik disebutkeun yen saluran konduksi. tina operator lolobana dipasrahkeun ka lapisan cangkang nalika hs > λD tina 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. Hal ieu dipercaya yén dua faktor anu kalibet dina mékanisme persepsi struktur ieu: (1) modulasi radial tina EDL cangkang jeung (2) pangaruh blurring médan listrik (Gbr. 8) 145. Para panalungtik nyatet yén saluran konduksi carrier utamana dipasrahkeun ka cangkang nalika hs > λD cangkang145.Hal ieu dipercaya yén dua faktor nyumbang kana mékanisme deteksi struktur ieu: (1) modulasi radial DEL cangkang jeung (2) pangaruh smearing médan listrik (Gbr. 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 основнолочолочом Para panalungtik nyatet yén saluran konduksi Nalika hs > λD145 cangkang, jumlah operator utamana diwatesan ku cangkang.Ku alatan éta, dina modulasi résistif tina sénsor dumasar kana CSHN, modulasi radial tina cladding DEL prevails (Gbr. 8a).Sanajan kitu, dina hs ≤ λD tina cangkang, partikel oksigén adsorbed ku cangkang jeung heterojunction kabentuk dina CS heterojunction sagemblengna depleted éléktron. Ku alatan éta, saluran konduksi henteu ngan ayana di jero lapisan cangkang tapi ogé sawaréh dina bagian inti, utamana lamun hs <λD tina lapisan cangkang. Ku alatan éta, saluran konduksi henteu ngan ayana di jero lapisan cangkang tapi ogé sawaréh dina bagian inti, utamana lamun hs <λD tina lapisan cangkang. Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочечного слоя, но и частично в сердцевиностоночной, но и частично в сердцевиностоночной Ku alatan éta, saluran konduksi lokasina henteu ngan di jero lapisan cangkang, tapi ogé sabagian dina bagian inti, utamana dina hs <λD tina 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 Ku alatan éta, saluran konduksi lokasina henteu ngan di jero cangkang, tapi ogé sabagian dina inti, utamana dina hs <λD cangkang.Dina hal ieu, duanana cangkang éléktron pinuh depleted jeung lapisan inti sawaréh depleted mantuan modulate résistansi sakabéh CSHN, hasilna pangaruh buntut médan listrik (Gbr. 8b).Sababaraha panilitian sanésna nganggo konsép fraksi volume EDL tinimbang buntut médan listrik pikeun nganalisis éfék hs100,148.Nyandak dua kontribusi ieu kana akun, total modulasi tina résistansi CSHN ngahontal nilai greatest nalika hs comparable jeung malapah λD, ditémbongkeun saperti dina Gbr. 8c.Ku alatan éta, hs optimal pikeun CSHN bisa deukeut jeung cangkang λD, nu konsisten jeung observasi eksperimen99,144,145,146,149.Sababaraha studi geus ditémbongkeun yén hs ogé bisa mangaruhan sensitipitas sensor pn-heterojunction basis CSHN40,148.Li et al.148 jeung Bai et al.40 sacara sistematis nalungtik pangaruh hs dina kinerja sensor CSHN pn-heterojunction, sapertos TiO2@CuO na ZnO@NiO, ku cara ngarobah siklus ALD cladding.Hasilna, paripolah indrawi robah tina tipe-p ka tipe-n kalayan ngaronjatna hs40,148.Paripolah ieu alatan kanyataan yén dina mimitina (kalawan jumlah kawates siklus ALD) heterostructures bisa dianggap salaku dirobah heteronanostructures.Ku kituna, saluran konduksi diwatesan ku lapisan inti (p-tipe MOSFET), sarta sensor némbongkeun kabiasaan deteksi tipe-p.Salaku jumlah siklus ALD naek, lapisan cladding (n-tipe MOSFET) jadi quasi-kontinyu sarta tindakan minangka saluran konduksi, hasilna sensitipitas tipe-n.Paripolah transisi indrawi sarupa geus dilaporkeun pikeun pn branched heteronanostructures 150.151.Zhou et al.150 nalungtik sensitipitas of Zn2SnO4@Mn3O4 branched heteronanostructures ku ngadalikeun eusi Zn2SnO4 dina beungeut Mn3O4 nanowires.Nalika inti Zn2SnO4 kabentuk dina permukaan Mn3O4, sensitipitas tipe-p dititénan.Kalawan nambahan salajengna dina eusi Zn2SnO4, sensor dumasar kana cabang Zn2SnO4 @ Mn3O4 heteronanostructures pindah ka kabiasaan sensor tipe-n.
Pedaran konseptual mékanisme sensor dua-fungsi CS nanowires ditémbongkeun.a modulasi résistansi alatan modulasi radial cangkang éléktron-depleted, b éfék négatif smearing dina modulasi résistansi, jeung c modulasi résistansi total kawat nano CS alatan kombinasi duanana épék 40
Dina kacindekan, sensor tipe II ngawengku loba struktur nano hirarki béda, sarta kinerja sensor gumantung pisan kana susunan saluran conductive.Kituna, éta kritis ngadalikeun posisi saluran konduksi sensor sarta ngagunakeun modél MOS heteronanostructured cocog pikeun diajar mékanisme sensing nambahan sensor tipe II.
Struktur sensor Tipe III henteu umum pisan, sareng saluran konduksi dumasar kana heterojunction anu dibentuk antara dua semikonduktor anu dihubungkeun sareng dua éléktroda, masing-masing.Struktur alat unik biasana diala ngaliwatan téknik micromachining sarta mékanisme sensing maranéhna pisan béda ti dua struktur sensor saméméhna.Kurva IV tina sénsor Tipe III ilaharna némbongkeun ciri-ciri koreksi has alatan formasi heterojunction48,152,153.Kurva karakteristik I-V tina hiji heterojunction idéal bisa digambarkeun ku mékanisme thermionic émisi éléktron dina jangkungna tina halangan heterojunction152,154,155.
dimana Va nyaéta tegangan bias, A nyaéta luas alat, k nyaéta konstanta Boltzmann, T nyaéta suhu mutlak, q nyaéta muatan pamawa, Jn jeung Jp nyaéta dénsitas arus difusi liang jeung éléktron.IS ngagambarkeun arus jenuh sabalikna, didefinisikeun salaku: 152.154.155
Ku alatan éta, total arus tina heterojunction pn gumantung kana parobahan dina konsentrasi pamawa muatan jeung parobahan dina jangkungna panghalang heterojunction, sakumaha ditémbongkeun dina persamaan (3) jeung (4) 156
dimana nn0 sareng pp0 mangrupikeun konsentrasi éléktron (liang) dina tipe-n (tipe-p) MOS, \(V_{bi}^0\) nyaéta poténsial anu diwangun, Dp (Dn) nyaéta koefisien difusi tina éléktron (liang), Ln (Lp ) nyaéta panjang difusi éléktron (liang), ΔEv (ΔEc) nyaéta pergeseran énergi pita valénsi (pita konduksi) dina heterojunction.Sanajan dénsitas ayeuna sabanding jeung dénsitas pamawa, éta sacara éksponénsial tibalik proporsional jeung \(V_{bi}^0\).Ku alatan éta, parobahan sakabéh dina dénsitas ayeuna pisan gumantung kana modulasi tina jangkungna panghalang heterojunction.
Sakumaha didadarkeun di luhur, kreasi MOSFETs hetero-nanostructured (Contona, tipe I jeung alat tipe II) nyata bisa ngaronjatkeun kinerja sensor, tinimbang komponén individu.Jeung pikeun alat tipe III, respon hétéronanostructure bisa leuwih luhur ti dua komponén48,153 atawa leuwih luhur ti hiji komponén76, gumantung kana komposisi kimia bahan.Sababaraha laporan geus ditémbongkeun yén respon heteronanostructures loba nu leuwih luhur batan komponén tunggal lamun salah sahiji komponén teu merhatikeun kana target gas48,75,76,153.Dina hal ieu, gas udagan bakal berinteraksi ngan jeung lapisan sénsitip sarta ngabalukarkeun Ef shift tina lapisan sénsitip sarta parobahan dina jangkungna panghalang heterojunction.Teras total arus alat bakal robih sacara signifikan, sabab hubunganana tibalik sareng jangkungna halangan heterojunction nurutkeun persamaan.(3) jeung (4) 48,76,153.Sanajan kitu, lamun duanana komponén n-tipe jeung p-tipe sénsitip kana gas target, kinerja deteksi bisa wae di antara.José et al.76 ngahasilkeun sensor NO2 pilem NiO / SnO2 porous ku sputtering sarta kapanggih yén sensitipitas sénsor ngan leuwih luhur ti sénsor dumasar NiO, tapi leuwih handap ti sénsor dumasar SnO2.sénsor.Fenomena ieu alatan kanyataan yén SnO2 jeung NiO némbongkeun réaksi sabalikna mun NO276.Ogé, sabab dua komponén gaduh sensitipitas gas anu béda, aranjeunna tiasa gaduh kacenderungan anu sami pikeun ngadeteksi gas pangoksidasi sareng réduksi.Contona, Kwon et al.157 diusulkeun NiO / SnO2 sensor gas pn-heterojunction ku sputtering serong, ditémbongkeun saperti dina Gbr. 9a.Narikna, sensor pn-heterojunction NiO / SnO2 némbongkeun trend sensitipitas sarua pikeun H2 na NO2 (Gbr. 9a).Pikeun ngajawab hasil ieu, Kwon et al.157 sacara sistematis ditalungtik kumaha NO2 jeung H2 ngarobah konsentrasi pamawa sarta disetel \ (V_ {bi} ^ 0 \) duanana bahan ngagunakeun IV-karakteristik jeung simulasi komputer (Gbr. 9bd).Angka 9b sareng c nunjukkeun kamampuan H2 sareng NO2 ngarobih dénsitas pamawa sénsor dumasar kana p-NiO (pp0) sareng n-SnO2 (nn0), masing-masing.Aranjeunna némbongkeun yén pp0 tina p-tipe NiO rada robah di lingkungan NO2, bari eta robah nyirorot di lingkungan H2 (Gbr. 9b).Sanajan kitu, pikeun n-tipe SnO2, nn0 behaves dina cara sabalikna (Gbr. 9c).Dumasar kana hasil ieu, panulis nyimpulkeun yén nalika H2 diterapkeun kana sénsor dumasar kana heterojunction NiO/SnO2 pn, paningkatan dina nn0 nyababkeun kanaékan Jn, sareng \(V_{bi}^0\) nyababkeun a panurunan dina respon (Gbr. 9d).Saatos paparan ka NO2, duanana panurunan badag dina nn0 di SnO2 sarta kanaékan leutik pp0 di NiO ngakibatkeun panurunan badag dina \ (V_ {bi} ^ 0 \), nu ensures paningkatan dina respon indrawi (Gbr. 9d. ) 157 Dina kacindekan, parobahan konsentrasi operator jeung \(V_{bi}^0\) ngakibatkeun parobahan dina total arus, nu salajengna mangaruhan kamampuh deteksi.
Mékanisme sensing sénsor gas dumasar kana struktur alat Tipe III.Nyeken mikroskop éléktron (SEM) gambar cross-sectional, p-NiO / n-SnO2 alat nanocoil jeung sensor sipat p-NiO / n-SnO2 nanocoil heterojunction sensor dina 200 ° C pikeun H2 na NO2;b , cross-sectional SEM of a c-alat, jeung hasil simulasi alat jeung p-NiO b-lapisan jeung n-SnO2 c-lapisan.Sensor b p-NiO sareng sensor c n-SnO2 ukuran sareng cocog sareng karakteristik I-V dina hawa garing sareng saatos paparan ka H2 sareng NO2.Peta dua diménsi dénsitas b-liang dina p-NiO jeung peta c-éléktron dina lapisan n-SnO2 kalawan skala warna dimodelkeun ngagunakeun software Sentaurus TCAD.d Hasil simulasi némbongkeun peta 3D p-NiO/n-SnO2 dina hawa garing, H2 jeung NO2157 di lingkungan.
Salian sipat kimia bahan sorangan, struktur alat Tipe III nunjukkeun kamungkinan nyieun sensor gas timer Powered, nu teu mungkin jeung alat Tipe I jeung Tipe II.Kusabab médan listrik alamiahna (BEF), struktur dioda pn heterojunction biasana dianggo pikeun ngawangun alat-alat fotovoltaik sareng nunjukkeun poténsi pikeun ngadamel sénsor gas fotoéléktrik mandiri dina suhu kamar dina kaayaan iluminasi74,158,159,160,161.BEF di heterointerface, disababkeun ku bédana dina tingkat Fermi bahan, ogé nyumbang kana pamisahan pasangan éléktron-liang.Kauntungannana sensor gas photovoltaic timer powered nyaeta konsumsi kakuatan low sabab bisa nyerep énérgi tina lampu illuminating lajeng ngadalikeun sorangan atawa alat miniatur séjén tanpa merlukeun hiji sumber kakuatan éksternal.Contona, Tanuma jeung Sugiyama162 geus fabricated NiO / ZnO pn heterojunctions salaku sél surya pikeun ngaktipkeun sensor CO2 polycrystalline basis SnO2.Gad et al.74 ngalaporkeun sensor gas photovoltaic timer Powered dumasar kana hiji Si / ZnO @ CdS pn heterojunction, ditémbongkeun saperti dina Gbr. 10a.Kawat nano ZnO anu berorientasi vertikal ditanam langsung dina substrat silikon tipe-p pikeun ngabentuk heterojunctions Si/ZnO pn.Saterusna CdS nanopartikel dirobah dina beungeut ZnO nanowires ku modifikasi permukaan kimiawi.Dina Gbr.10a nembongkeun off-line Si/ZnO@CdS hasil réspon sénsor pikeun O2 jeung étanol.Dina katerangan, tegangan buka-circuit (Voc) alatan pamisahan pasangan éléktron-liang salila BEP dina Si/ZnO heterointerface naek linier kalawan jumlah diodes disambungkeun74,161.Voc bisa digambarkeun ku persamaan.(5) 156,
dimana ND, NA, jeung Ni nyaéta konséntrasi donor, akséptor, jeung pamawa intrinsik, masing-masing, jeung k, T, jeung q nyaéta paraméter anu sarua sakumaha dina persamaan saméméhna.Nalika kakeunaan gas pangoksidasi, aranjeunna nimba éléktron tina kawat nano ZnO, anu nyababkeun panurunan dina \(N_D^{ZnO}\) sareng Voc.Sabalikna, réduksi gas nyababkeun kanaékan Voc (Gbr. 10a).Nalika ngahias ZnO sareng nanopartikel CdS, éléktron photoexcited dina nanopartikel CdS disuntikkeun kana pita konduksi ZnO sareng berinteraksi sareng gas anu diserep, sahingga ningkatkeun efisiensi persepsi74,160.Sensor gas photovoltaic timer Powered sarupa dumasar kana Si / ZnO ieu dilaporkeun ku Hoffmann dkk.160, 161 (Gbr. 10b).Sensor ieu tiasa disiapkeun nganggo garis nanopartikel ZnO anu difungsikeun amina ([3-(2-aminoethylamino)propil]trimethoxysilane) (amino-functionalized-SAM) sareng thiol ((3-mercaptopropyl) -functionalized, pikeun nyaluyukeun fungsi kerja. tina gas target pikeun deteksi selektif NO2 (trimethoxysilane) (thiol-functionalized-SAM)) (Gbr. 10b) 74,161.
Sénsor gas fotoéléktrik mandiri dumasar kana struktur alat tipe III.sénsor gas photovoltaic timer Powered dumasar kana Si / ZnO @ CdS, mékanisme sensing timer Powered sarta respon sensor ka oksidasi (O2) jeung ngurangan (1000 ppm étanol) gas dina cahya panonpoé;74b Sénsor gas photovoltaic mandiri dumasar kana sénsor Si ZnO/ZnO sareng réspon sénsor kana rupa-rupa gas saatos fungsionalisasi ZnO SAM sareng terminal amina sareng tiol 161
Ku alatan éta, nalika nyawalakeun mékanisme sénsitip tina sensor tipe III, hal anu penting pikeun nangtukeun parobahan jangkungna panghalang heterojunction jeung kamampuhan gas pangaruh konsentrasi pamawa.Sajaba ti éta, katerangan bisa ngahasilkeun pamawa photogenerated nu meta jeung gas, nu ngajangjikeun pikeun deteksi gas timer Powered.
Salaku dibahas dina review literatur ieu, loba MOS heteronanostructures béda geus fabricated pikeun ngaronjatkeun kinerja sensor.Database Web of Science dipilarian pikeun sababaraha kecap konci (komposit oksida logam, oksida logam sarung inti, oksida logam berlapis, sareng analisa gas mandiri) ogé ciri has (kalimpahan, sensitipitas / selektivitas, poténsi generasi kakuatan, manufaktur) .Métode Karakteristik tilu tina tilu alat ieu dipidangkeun dina Table 2. Konsep desain sakabéh pikeun sensor gas kinerja tinggi dibahas ku analisa tilu faktor konci diusulkeun ku Yamazoe.Mékanisme pikeun Sénsor Hétérostruktur MOS Pikeun ngartos faktor anu mangaruhan sénsor gas, rupa-rupa parameter MOS (contona, ukuran sisikian, suhu operasi, cacad sareng dénsitas lowongan oksigén, pesawat kristal kabuka) ditaliti sacara saksama.Struktur alat, anu ogé kritis kana paripolah sensing sénsor, parantos diabaikan sareng jarang dibahas.Tinjauan ieu ngabahas mékanisme dasar pikeun ngadeteksi tilu jinis struktur alat.
Struktur ukuran sisikian, metode manufaktur, sareng jumlah heterojunctions tina bahan sensing dina sénsor Tipe I tiasa mangaruhan pisan kana sensitipitas sénsor.Salaku tambahan, paripolah sénsor ogé kapangaruhan ku rasio molar komponén.Struktur alat Tipe II (hétéronanostructures hiasan, pilem dwilapisan atawa multilayer, HSSNs) nyaéta struktur alat nu pang populerna diwangun ku dua atawa leuwih komponén, sarta ngan hiji komponén disambungkeun ka éléktroda.Pikeun struktur alat ieu, nangtukeun lokasi saluran konduksi jeung parobahan relatif maranéhanana penting dina diajar mékanisme persepsi.Kusabab alat-alat tipe II ngawengku loba hétéronanostructures hirarki béda, loba mékanisme sensing béda geus diajukeun.Dina struktur indrawi tipe III, saluran konduksi didominasi ku heterojunction nu kabentuk dina heterojunction, sarta mékanisme persépsi sagemblengna béda.Ku alatan éta, hal anu penting pikeun nangtukeun parobahan dina jangkungna panghalang heterojunction sanggeus paparan gas target kana sensor tipe III.Kalayan desain ieu, sénsor gas photovoltaic mandiri tiasa dilakukeun pikeun ngirangan konsumsi listrik.Sanajan kitu, saprak prosés fabrikasi ayeuna rada pajeulit jeung sensitipitas jauh leuwih handap sensor gas chemo-resistive basis MOS tradisional, aya kénéh loba kamajuan dina panalungtikan sensor gas timer Powered.
Kaunggulan utama sénsor MOS gas kalayan struktur hétéronano hirarki nyaéta laju sareng sensitipitas anu langkung luhur.Tapi, sababaraha masalah konci sénsor gas MOS (contona, suhu operasi anu luhur, stabilitas jangka panjang, selektivitas sareng reproducibility goréng, épék kalembaban, jsb.) masih aya sareng kedah dilereskeun sateuacan tiasa dianggo dina aplikasi praktis.sensor gas MOS modern ilaharna beroperasi dina suhu luhur sarta meakeun loba kakuatan, nu mangaruhan stabilitas jangka panjang sensor.Aya dua pendekatan umum pikeun ngarengsekeun masalah ieu: (1) ngembangkeun chip sensor kakuatan low;(2) ngembangkeun bahan sénsitip anyar nu bisa beroperasi dina suhu low atawa malah dina suhu kamar.Hiji pendekatan kana ngembangkeun chip sensor kakuatan low nyaéta pikeun ngaleutikan ukuran sensor ku fabricating pelat microheating dumasar kana keramik jeung silicon163.Pelat pemanasan mikro dumasar keramik meakeun kira-kira 50-70 mV per sensor, sedengkeun pelat pemanasan mikro dumasar silikon anu dioptimalkeun tiasa meakeun sakedik 2 mW per sensor nalika operasi terus-terusan dina 300 °C163,164.Ngembangkeun bahan sensing anyar mangrupa cara éféktif pikeun ngurangan konsumsi kakuatan ku nurunkeun suhu operasi, sarta ogé bisa ningkatkeun stabilitas sensor.Salaku ukuran MOS terus ngurangan pikeun ngaronjatkeun sensitipitas sensor, stabilitas termal MOS jadi leuwih tantangan, nu bisa ngakibatkeun drift dina signal165 sensor.Sajaba ti éta, suhu luhur promotes difusi bahan dina heterointerface jeung formasi fase dicampur, nu mangaruhan sipat éléktronik sensor.Para panalungtik ngalaporkeun yén suhu operasi optimum tina sensor bisa ngurangan ku milih bahan sensing cocog jeung ngamekarkeun MOS heteronanostructures.Milarian metode suhu-rendah pikeun nyiptakeun struktur heteronano MOS kristalin mangrupikeun pendekatan anu ngajangjikeun pikeun ningkatkeun stabilitas.
Selektif sénsor MOS mangrupikeun masalah praktis sanés sabab gas anu béda-béda hirup babarengan sareng gas target, sedengkeun sénsor MOS sering peka kana langkung ti hiji gas sareng sering nunjukkeun sensitipitas silang.Ku alatan éta, ngaronjatna selektivitas sensor kana gas target kitu ogé pikeun gas séjén penting pikeun aplikasi praktis.Ngaliwatan sababaraha dekade kaliwat, pilihan geus sabagean kajawab ku ngawangun arrays sensor gas disebut "noses éléktronik (E-nose)" dina kombinasi jeung algoritma analisis komputasi kayaning latihan kuantisasi vektor (LVQ), analisis komponén poko (PCA), jsb e.Masalah séksual.Parsial Least Squares (PLS), jsb. 31, 32, 33, 34. Dua faktor utama (jumlah sensor, nu raket patalina jeung jenis bahan sensing, sarta analisis komputasi) anu kritis pikeun ngaronjatkeun kamampuh noses éléktronik. pikeun ngaidentipikasi gas169.Sanajan kitu, ngaronjatna jumlah sensor biasana merlukeun loba prosés manufaktur kompléks, jadi éta kritis pikeun manggihan cara basajan pikeun ngaronjatkeun kinerja noses éléktronik.Sajaba ti éta, modifying MOS kalawan bahan séjén ogé bisa ngaronjatkeun selektivitas sensor.Contona, deteksi selektif H2 bisa dihontal alatan kagiatan katalitik alus MOS dirobah kalawan NP Pd.Dina taun anyar, sababaraha peneliti geus coated permukaan MOS MOF pikeun ngaronjatkeun selectivity sensor ngaliwatan ukuran exclusion171,172.Diideuan ku karya ieu, fungsionalisasi bahan tiasa kumaha waé ngajawab masalah selektivitas.Nanging, masih seueur padamelan anu kedah dilakukeun dina milih bahan anu leres.
Kaulangan karakteristik sensor anu diproduksi dina kaayaan sareng metode anu sami mangrupikeun syarat penting pikeun produksi skala ageung sareng aplikasi praktis.Biasana, metode centrifugation sareng dipping mangrupikeun metode béaya rendah pikeun nyiptakeun sensor gas throughput anu luhur.Sanajan kitu, dina mangsa proses ieu, bahan sénsitip condong agrégat sarta hubungan antara bahan sénsitip sarta substrat jadi lemah68, 138, 168. Hasilna, sensitipitas jeung stabilitas sensor deteriorate nyata, sarta kinerja janten reproducible.Métode fabrikasi séjén sapertos sputtering, ALD, déposisi laser pulsed (PLD), sareng déposisi uap fisik (PVD) ngamungkinkeun produksi pilem MOS dwilapis atanapi multilayer langsung dina substrat silikon atanapi alumina berpola.Téhnik ieu ngahindarkeun akumulasi bahan sénsitip, mastikeun réproduksibilitas sénsor, sareng nunjukkeun kamungkinan produksi skala ageung sénsor pilem ipis planar.Sanajan kitu, sensitipitas film datar ieu umumna leuwih handap ti bahan 3D nanostructured alatan aréa permukaan husus leutik maranéhanana sarta perméabilitas gas low41,174.Strategi anyar pikeun tumuwuh heteronanostructures MOS di lokasi husus dina microarrays terstruktur tur persis ngadalikeun ukuran, ketebalan, sarta morfologi bahan sénsitip anu kritis pikeun fabrikasi béaya rendah sensor wafer-tingkat kalawan reproducibility tinggi na sensitipitas.Contona, Liu et al.174 ngusulkeun strategi gabungan top-down sareng bottom-up pikeun nyieun kristalit-throughput tinggi ku cara tumuwuh di situ Ni(OH)2 nanowalls di lokasi husus..Wafers pikeun microburners.
Salaku tambahan, éta ogé penting pikeun mertimbangkeun pangaruh asor dina sensor dina aplikasi praktis.Molekul cai bisa bersaing jeung molekul oksigén pikeun situs adsorpsi dina bahan sensor sarta mangaruhan tanggung jawab sensor pikeun gas target.Kawas oksigén, cai meta salaku molekul ngaliwatan sorption fisik, sarta ogé bisa aya dina bentuk radikal hidroksil atawa gugus hidroksil dina rupa-rupa stasiun oksidasi ngaliwatan chemisorption.Salaku tambahan, kusabab tingkat luhur sareng kalembaban lingkungan anu variabel, réspon anu dipercaya tina sensor kana gas target mangrupikeun masalah anu ageung.Sababaraha strategi geus dikembangkeun pikeun ngajawab masalah ieu, kayaning preconcentration gas177, kompensasi Uap jeung cross-réaktif kisi métode178, kitu ogé métode drying179.180.Nanging, metode ieu mahal, rumit, sareng ngirangan sensitipitas sensor.Sababaraha strategi murah parantos diajukeun pikeun ngirangan pangaruh kalembaban.Contona, ngahias SnO2 jeung nanopartikel Pd bisa ngamajukeun konversi oksigén adsorbed kana partikel anionik, bari functionalizing SnO2 jeung bahan kalawan pangirut tinggi pikeun molekul cai, kayaning NiO jeung CuO, dua cara pikeun nyegah gumantungna Uap kana molekul cai..Sensor 181, 182, 183. Sajaba ti éta, pangaruh kalembaban ogé bisa ngurangan ku ngagunakeun bahan hidrofobik pikeun ngabentuk surfaces hidrofobik36.138.184.185.Nanging, pamekaran sénsor gas tahan-lembab masih dina tahap awal, sareng strategi anu langkung maju diperyogikeun pikeun ngatasi masalah ieu.
Dina kacindekan, perbaikan kinerja deteksi (misalna sensitipitas, selectivity, suhu operasi optimum low) geus kahontal ku nyieun MOS heteronanostructures, sarta sagala rupa ningkat mékanisme deteksi geus diajukeun.Nalika ngulik mékanisme sensing tina sénsor khusus, struktur géométri alat ogé kedah dipertimbangkeun.Panalungtikan kana bahan sensing anyar jeung panalungtikan kana strategi fabrikasi canggih bakal diperlukeun jang meberkeun ngaronjatkeun kinerja sensor gas jeung alamat tantangan sésana dina mangsa nu bakal datang.Pikeun tuning dikawasa tina ciri sensor, perlu sacara sistematis ngawangun hubungan antara métode sintétik bahan sensor jeung fungsi hétéronanostructures.Sajaba ti éta, ulikan ngeunaan réaksi permukaan jeung parobahan dina heterointerfaces ngagunakeun métode characterization modern bisa mantuan elucidate mékanisme persepsi maranéhanana sarta nyadiakeun saran pikeun ngembangkeun sensor dumasar kana bahan heteronostructured.Tungtungna, ulikan ngeunaan strategi fabrikasi sensor modern bisa ngidinan fabrikasi sensor gas miniatur dina tingkat wafer pikeun aplikasi industri maranéhanana.
Genzel, NN et al.Hiji studi longitudinal tingkat nitrogén dioksida indoor jeung gejala engapan di barudak kalawan asma di perkotaan.Daérah.Sudut pandang kaséhatan.116, 1428–1432 (2008).
waktos pos: Nov-04-2022
