Развојот на високи перформанси, преносливи и минијатуризирани сензори за гас добива сè поголемо внимание во областа на мониторингот на животната средина, безбедноста, медицинската дијагностика и земјоделството.Помеѓу различните алатки за откривање, сензорите за гас со хемо-отпорност со метал-оксид-полупроводник (MOS) се најпопуларниот избор за комерцијални апликации поради нивната висока стабилност, ниската цена и високата чувствителност.Еден од најважните пристапи за понатамошно подобрување на перформансите на сензорот е создавање на нанодимензионирани хетероврзувања базирани на MOS (хетеро-наноструктурирани MOS) од наноматеријали MOS.Сепак, механизмот на сензори на хетероноструктурираниот MOS сензор е различен од оној на еден сензор за гас MOS, бидејќи е доста сложен.На перформансите на сензорот влијаат различни параметри, вклучувајќи ги физичките и хемиските својства на осетливиот материјал (како што се големината на зрната, густината на дефектот и празнините на кислородот на материјалот), работната температура и структурата на уредот.Овој преглед прикажува неколку концепти за дизајнирање сензори за гас со високи перформанси преку анализа на механизмот за сензори на хетерогени наноструктурирани MOS сензори.Дополнително, се дискутира за влијанието на геометриската структура на уредот, определено со односот помеѓу осетливиот материјал и работната електрода.За систематски да се проучува однесувањето на сензорот, овој напис го воведува и дискутира општиот механизам на перцепција на три типични геометриски структури на уреди базирани на различни хетероноструктурирани материјали.Овој преглед ќе послужи како водич за идните читатели кои ги проучуваат чувствителните механизми на сензорите за гас и развиваат сензори за гас со високи перформанси.
Загадувањето на воздухот е сè посериозен проблем и сериозен глобален еколошки проблем кој ја загрозува благосостојбата на луѓето и живите суштества.Вдишувањето на гасовити загадувачи може да предизвика многу здравствени проблеми како што се респираторни заболувања, рак на белите дробови, леукемија, па дури и прерана смрт1,2,3,4.Од 2012 до 2016 година, беше објавено дека милиони луѓе умреле од загаден воздух, а секоја година милијарди луѓе биле изложени на лош квалитет на воздухот5.Затоа, важно е да се развијат преносливи и минијатуризирани сензори за гас кои можат да обезбедат повратни информации во реално време и високи перформанси за откривање (на пример, чувствителност, селективност, стабилност и време на одговор и обновување).Покрај мониторингот на животната средина, сензорите за гас играат витална улога во безбедноста6,7,8, медицинската дијагностика9,10, аквакултурата11 и другите области12.
До денес се воведени неколку преносливи сензори за гас базирани на различни механизми за сензори, како што се оптички13,14,15,16,17,18, електрохемиски 19,20,21,22 и хемиски отпорни сензори23,24.Меѓу нив, хемиски отпорни сензори со метал-оксид-полупроводник (MOS) се најпопуларни во комерцијалните апликации поради нивната висока стабилност и ниската цена25,26.Концентрацијата на загадувачи може да се одреди едноставно со откривање на промената на отпорноста на MOS.Во раните 1960-ти, беа пријавени првите хемиски отпорни гасни сензори засновани на тенки фолии на ZnO, кои генерираа голем интерес во полето на откривање гас27,28.Денес, многу различни MOS се користат како материјали чувствителни на гас, и тие можат да се поделат во две категории врз основа на нивните физички својства: n-тип MOS со електрони како мнозински носители на полнеж и p-тип MOS со дупки како мнозински носители на полнеж.носачи на полнење.Општо земено, P-тип MOS е помалку популарен од n-тип MOS, бидејќи индуктивниот одговор на P-тип MOS (Sp) е пропорционален на квадратниот корен на MOS-тип n (\(S_p = \sqrt { S_n}\ ) ) при исти претпоставки (на пример, иста морфолошка структура и иста промена во свиткувањето на лентите во воздухот) 29,30.Сепак, еднобазните MOS сензори сè уште се соочуваат со проблеми како што се недоволна граница за откривање, мала чувствителност и селективност во практичните апликации.Проблемите со селективноста може да се решат до одреден степен со создавање низи од сензори (наречени „електронски носови“) и инкорпорирање на алгоритми за пресметковна анализа како што се квантизација на вектор за обука (LVQ), анализа на главна компонента (PCA) и анализа на парцијални најмали квадрати (PLS)31. 32, 33, 34, 35. Покрај тоа, производството на нискодимензионални MOS32,36,37,38,39 (на пр. еднодимензионални (1D), 0D и 2D наноматеријали), како и употребата на други наноматеријали ( на пр. MOS40,41,42, наночестички од благороден метал (NPs))43,44, јаглеродни наноматеријали45,46 и спроводливи полимери47,48) за создавање хетероспојки во нано размер (т.е. хетероноструктуриран MOS) се други претпочитани пристапи за решавање на горенаведените проблеми.Во споредба со традиционалните дебели MOS филмови, нискодимензионалниот MOS со висока специфична површина може да обезбеди поактивни места за адсорпција на гас и да ја олесни дифузијата на гасот36,37,49.Дополнително, дизајнот на хетероноструктурите базирани на MOS може дополнително да го подеси транспортот на носачот на хетероинтерфејсот, што резултира со големи промени во отпорот поради различните оперативни функции50,51,52.Дополнително, некои од хемиските ефекти (на пример, каталитичка активност и синергистички површински реакции) кои се јавуваат при дизајнирањето на хетеронаноструктурите на MOS, исто така, може да ги подобрат перформансите на сензорите. перформансите на сензорот, модерните сензори со отпорност на хемотерапија обично користат обиди и грешки, што одзема време и неефикасно.Затоа, важно е да се разбере механизмот на сензори на сензорите за гас базирани на MOS бидејќи може да го води дизајнот на сензорите за насока со високи перформанси.
Во последниве години, сензорите за гас MOS се развиваа брзо и беа објавени некои извештаи за MOS наноструктури55,56,57, сензори за гас на собна температура58,59, специјални MOS сензорски материјали60,61,62 и специјални сензори за гас63.Документот за преглед во Други прегледи се фокусира на разјаснување на механизмот на сензори на сензорите за гас врз основа на внатрешните физички и хемиски својства на MOS, вклучувајќи ја улогата на празните места на кислород 64 , улогата на хетеронаноструктурите 55, 65 и преносот на полнеж на хетероинтерфејсите 66. , многу други параметри влијаат на перформансите на сензорот, вклучувајќи ја хетероструктурата, големината на зрната, работната температура, густината на дефектот, празните места на кислород, па дури и отворените кристални рамнини на чувствителниот материјал25,67,68,69,70,71.72, 73. Меѓутоа, (ретко споменатата) геометриска структура на уредот, одредена од односот помеѓу сензорниот материјал и работната електрода, исто така значително влијае на чувствителноста на сензорот74,75,76 (види дел 3 за повеќе детали) .На пример, Кумар и сор.77 пријавиле два гасни сензори засновани на ист материјал (на пример, двослојни гасни сензори базирани на TiO2@NiO и NiO@TiO2) и забележале различни промени во отпорноста на гасот NH3 поради различни геометрии на уредот.Затоа, кога се анализира механизмот за сензори за гас, важно е да се земе предвид структурата на уредот.Во овој преглед, авторите се фокусираат на механизмите за откривање базирани на MOS за различни хетерогени наноструктури и структури на уреди.Веруваме дека овој преглед може да послужи како водич за читателите кои сакаат да ги разберат и анализираат механизмите за откривање гас и може да придонесе за развој на идни сензори за гас со високи перформанси.
На сл.1а го прикажува основниот модел на механизам за сензори за гас базиран на еден MOS.Како што се зголемува температурата, адсорпцијата на молекулите на кислородот (O2) на површината на MOS ќе привлече електрони од MOS и ќе формира анјонски видови (како што се O2- и O-).Потоа, на површината на MOS 15, 23, 78 се формира слој за исцрпување на електрони (EDL) за MOS од n-тип или слој за акумулација на дупка (HAL) за MOS од p-тип. MOS предизвикува проводниот појас на површината MOS да се свитка нагоре и да формира потенцијална бариера.Последователно, кога сензорот е изложен на целниот гас, гасот адсорбиран на површината на MOS реагира со јонски видови кислород, или привлекувајќи електрони (оксидирачки гас) или донирајќи електрони (редуцирачки гас).Преносот на електрони помеѓу целниот гас и MOS може да ја прилагоди ширината на EDL или HAL30,81 што резултира со промена на целокупниот отпор на сензорот MOS.На пример, за редукционен гас, електроните ќе бидат префрлени од редукциониот гас во MOS од n-тип, што резултира со помал EDL и помал отпор, што се нарекува однесување на сензорот од n-тип.Спротивно на тоа, кога P-тип MOS е изложен на редуцирачки гас кој го одредува однесувањето на чувствителноста на p-типот, HAL се собира и отпорот се зголемува поради донацијата на електрони.За оксидирачките гасови, одговорот на сензорот е спротивен на оној за редуцирачките гасови.
Основни механизми за откривање за n-тип и p-тип MOS за редуцирачки и оксидирачки гасови b Клучни фактори и физичко-хемиски или материјални својства вклучени во полупроводнички сензори за гас 89
Освен основниот механизам за откривање, механизмите за откривање гас што се користат во практичните сензори за гас се доста сложени.На пример, вистинската употреба на сензор за гас мора да исполнува многу барања (како што се чувствителност, селективност и стабилност) во зависност од потребите на корисникот.Овие барања се тесно поврзани со физичките и хемиските својства на осетливиот материјал.На пример, Xu et al.71 покажаа дека сензорите базирани на SnO2 постигнуваат најголема чувствителност кога дијаметарот на кристалот (d) е еднаков или помал од двапати од должината на Debye (λD) на SnO271.Кога d ≤ 2λD, SnO2 е целосно исцрпен по адсорпцијата на молекулите на O2, а одговорот на сензорот на редуцирачкиот гас е максимален.Дополнително, разни други параметри можат да влијаат на перформансите на сензорот, вклучувајќи ја работната температура, дефектите на кристалите, па дури и изложените кристални рамнини на материјалот за сензори.Особено, влијанието на работната температура се објаснува со можната конкуренција помеѓу стапките на адсорпција и десорпција на целниот гас, како и површинската реактивност помеѓу адсорбираните молекули на гас и честичките на кислород4,82.Ефектот на дефектите на кристалите е силно поврзан со содржината на празни места на кислород [83, 84].На работата на сензорот може да влијае и различната реактивност на отворените кристални лица67,85,86,87.Отворените кристални рамнини со помала густина откриваат повеќе некоординирани метални катјони со повисоки енергии, кои промовираат површинска адсорпција и реактивност88.Табела 1 наведува неколку клучни фактори и нивните поврзани подобрени перцептивни механизми.Затоа, со прилагодување на овие параметри на материјалот, перформансите за откривање може да се подобрат и од клучно значење е да се одредат клучните фактори кои влијаат на перформансите на сензорот.
Yamazoe89 и Shimanoe et al.68,71 извршија голем број студии за теоретскиот механизам на перцепција на сензорот и предложија три независни клучни фактори кои влијаат на перформансите на сензорот, конкретно функцијата на рецепторот, функцијата на трансдуцерот и корисноста (сл. 1б)..Функцијата на рецепторот се однесува на способноста на површината на MOS да комуницира со молекулите на гасот.Оваа функција е тесно поврзана со хемиските својства на MOS и може значително да се подобри со воведување странски акцептори (на пример, метални NP и други MOS).Функцијата на трансдуцерот се однесува на способноста да се претвори реакцијата помеѓу гасот и површината на MOS во електричен сигнал во кој доминираат границите на зрната на MOS.Така, сензорната функција е значително под влијание на големината на честичките на МПЦ и густината на странските рецептори.Katoch et al.90 објавија дека намалувањето на големината на зрната на нанофибрилите ZnO-SnO2 резултирало со формирање на бројни хетероврзувања и зголемена чувствителност на сензорот, во согласност со функционалноста на трансдуцерот.Ванг и сор.91 споредувале различни големини на зрната на Zn2GeO4 и покажале 6,5 пати зголемување на чувствителноста на сензорот по воведувањето на границите на зрната.Услужноста е уште еден клучен фактор на изведба на сензорот кој ја опишува достапноста на гас до внатрешната структура на MOS.Ако молекулите на гасот не можат да навлезат и да реагираат со внатрешниот MOS, чувствителноста на сензорот ќе се намали.Корисноста е тесно поврзана со длабочината на дифузија на одреден гас, што зависи од големината на порите на материјалот за чувствителност.Сакаи и сор.92 ја моделираше чувствителноста на сензорот на димните гасови и откри дека и молекуларната тежина на гасот и радиусот на порите на мембраната на сензорот влијаат на чувствителноста на сензорот на различни длабочини на дифузија на гас во мембраната на сензорот.Дискусијата погоре покажува дека сензорите за гас со високи перформанси може да се развијат со балансирање и оптимизирање на функцијата на рецепторот, функцијата на трансдуцерот и корисноста.
Горенаведената работа го појаснува основниот механизам за перцепција на еден MOS и дискутира за неколку фактори кои влијаат на перформансите на MOS.Покрај овие фактори, сензорите за гас базирани на хетероструктури може дополнително да ги подобрат перформансите на сензорот со значително подобрување на функциите на сензорот и рецепторот.Покрај тоа, хетеронаноструктурите можат дополнително да ги подобрат перформансите на сензорот со подобрување на каталитичките реакции, регулирање на преносот на полнеж и создавање повеќе места за адсорпција.До денес, многу гасни сензори базирани на хетероноструктурите на MOS се проучувани за да се дискутираат механизмите за подобрено сензорирање95,96,97.Милер и сор.55 сумираше неколку механизми кои веројатно ќе ја подобрат чувствителноста на хетеронаноструктурите, вклучувајќи зависни од површината, зависни од интерфејс и зависни од структура.Меѓу нив, механизмот за засилување зависен од интерфејсот е премногу комплициран за да ги опфати сите интеракции на интерфејсот во една теорија, бидејќи може да се користат различни сензори засновани на хетероноструктурирани материјали (на пример, nn-хетеројнкција, pn-хетеројнкција, pp-хетеројнкција итн.) .Шотки јазол).Вообичаено, хетероноструктурираните сензори базирани на MOS секогаш вклучуваат два или повеќе напредни сензорски механизми98,99,100.Синергетскиот ефект на овие механизми за засилување може да го подобри приемот и обработката на сигналите од сензорот.Така, разбирањето на механизмот на перцепција на сензорите врз основа на хетерогени наноструктурирани материјали е од клучно значење за да им се помогне на истражувачите да развијат сензори за гас од дното нагоре во согласност со нивните потреби.Дополнително, геометриската структура на уредот може значително да влијае и на чувствителноста на сензорот 74, 75, 76. Со цел систематски да се анализира однесувањето на сензорот, ќе бидат претставени механизмите за сензори на три структури на уреди базирани на различни хетероноструктурирани материјали и се дискутира подолу.
Со брзиот развој на сензори за гас базирани на MOS, предложени се различни хетеро-наноструктурирани MOS.Преносот на полнење на хетероинтерфејсот зависи од различните нивоа на Ферми (Ef) на компонентите.На хетероинтерфејсот, електроните се движат од едната страна со поголем Ef на другата страна со помал Ef додека нивните нивоа на Ферми не достигнат рамнотежа, а дупките, обратно.Тогаш носителите на хетероинтерфејсот се исцрпуваат и формираат осиромашен слој.Штом сензорот е изложен на целниот гас, се менува концентрацијата на носителот на MOS со хетероноструктурирана, како и висината на бариерата, со што се подобрува сигналот за откривање.Дополнително, различните методи за изработка на хетероноструктури доведуваат до различни односи помеѓу материјалите и електродите, што доведува до различни геометрии на уредите и различни механизми за сензори.Во овој преглед, предлагаме три структури на геометриски уреди и разговараме за механизмот за сензори за секоја структура.
Иако хетероспојките играат многу важна улога во перформансите за откривање гас, геометријата на уредот на целиот сензор може значително да влијае на однесувањето на детекцијата, бидејќи локацијата на каналот за спроводливост на сензорот е многу зависна од геометријата на уредот.Овде се дискутирани три типични геометрии на хетероспојните MOS уреди, како што е прикажано на слика 2. Во првиот тип, две MOS врски се случајно распределени помеѓу две електроди, а локацијата на проводниот канал е одредена од главниот MOS, втората е формирање на хетерогени наноструктури од различни MOS, додека само еден MOS е поврзан со електродата.електродата е поврзана, тогаш проводниот канал обично се наоѓа во MOS и е директно поврзан со електродата.Во третиот тип, два материјали се прикачени на две електроди одделно, водејќи го уредот низ хетероспој формиран помеѓу двата материјали.
Цртичка помеѓу соединенијата (на пр. „SnO2-NiO“) покажува дека двете компоненти едноставно се мешаат (тип I).Знакот „@“ помеѓу две врски (на пр. „SnO2@NiO“) покажува дека материјалот на скелето (NiO) е украсен со SnO2 за структура на сензор од тип II.Косата коса (на пр. „NiO/SnO2“) означува дизајн на сензор од тип III.
За сензори за гас базирани на композити MOS, два MOS елементи се случајно распределени помеѓу електродите.Развиени се бројни методи на изработка за да се подготват MOS композити, вклучувајќи сол-гел, копреципитација, хидротермални, електроврти и механичко мешање98,102,103,104.Неодамна, метално-органски рамки (MOFs), класа на порозни кристално структурирани материјали составени од метални центри и органски поврзувачи, се користат како шаблони за изработка на порозни MOS композити105,106,107,108.Вреди да се напомене дека иако процентот на MOS композити е ист, карактеристиките на чувствителноста може многу да се разликуваат кога се користат различни производствени процеси.109.110 На пример, Гао и сор.109 фабрикувале два сензори базирани на композити MoO3±SnO2 со ист атомски сооднос (Mo:Sn = 1:1.9) и откри дека различните методи на изработка доведуваат до различна чувствителност.Шапошник и сор.110 објави дека реакцијата на истовремениот SnO2-TiO2 на гасовитиот H2 се разликува од онаа на механички измешаните материјали, дури и во истиот сооднос Sn/Ti.Оваа разлика се јавува затоа што односот помеѓу големината на кристалитот MOP и MOP варира со различни методи на синтеза109,110.Кога големината и обликот на зрната се конзистентни во однос на густината на донаторот и типот на полупроводникот, одговорот треба да остане ист доколку геометријата на контактот не се промени 110 .Стаерц и сор.111 објави дека карактеристиките на детекција на нановлакненцата SnO2-Cr2O3 на јадро-обвивка (CSN) и заземјените SnO2-Cr2O3 CSN биле речиси идентични, што сугерира дека морфологијата на нановлакната не нуди никаква предност.
Покрај различните методи на изработка, полупроводничките типови на двата различни MOSFET исто така влијаат на чувствителноста на сензорот.Понатаму може да се подели во две категории во зависност од тоа дали двата MOSFET се од ист тип на полупроводници (nn или pp спој) или различни типови (pn спој).Кога сензорите за гас се базираат на композити на MOS од ист тип, со менување на моларниот однос на двата MOS, карактеристиката на одговорот на чувствителноста останува непроменета, а чувствителноста на сензорот варира во зависност од бројот на nn- или pp-хетероврзувања.Кога една компонента доминира во композитот (на пр. 0,9 ZnO-0,1 SnO2 или 0,1 ZnO-0,9 SnO2), каналот за спроводливост се одредува од доминантниот MOS, наречен хомоспојувачки канал за спроводливост 92 .Кога односот на двете компоненти се споредливи, се претпоставува дека во каналот на спроводливост доминира хетероспојот98,102.Јамазое и сор.112.113 објавија дека хетероконтактниот регион на двете компоненти може во голема мера да ја подобри чувствителноста на сензорот бидејќи хетероспојната бариера формирана поради различните работни функции на компонентите може ефикасно да ја контролира подвижноста на движењето на сензорот изложен на електрони.Разни амбиентални гасови 112.113.На сл.Слика 3а покажува дека сензорите базирани на влакнести хиерархиски структури SnO2-ZnO со различна содржина на ZnO (од 0 до 10 mol % Zn) можат селективно да детектираат етанол.Меѓу нив, сензор базиран на влакна SnO2-ZnO (7 mol.% Zn) покажа најголема чувствителност поради формирање на голем број хетероспојки и зголемување на специфичната површина, со што се зголеми функцијата на конверторот и се подобри чувствителност 90 Меѓутоа, со дополнително зголемување на содржината на ZnO до 10 mol.%, композитот со микроструктура SnO2-ZnO може да ги обвие областите за активирање на површината и да ја намали чувствителноста на сензорот85.Сличен тренд е забележан и за сензорите базирани на хетероврзувачки композити на NiO-NiFe2O4 pp со различни соодноси Fe/Ni (сл. 3б)114.
SEM слики од SnO2-ZnO влакна (7 mol.% Zn) и одговор на сензорот на различни гасови со концентрација од 100 ppm на 260 °C;54б Одговори на сензори базирани на чисти композити на NiO и NiO-NiFe2O4 при 50 ppm од различни гасови, 260 °C;114 ( в) Шематски дијаграм на бројот на јазли во составот xSnO2-(1-x)Co3O4 и соодветните реакции на отпор и чувствителност на составот xSnO2-(1-x)Co3O4 на 10 ppm CO, ацетон, C6H6 и SO2 гас на 350 °C со промена на моларниот однос на Sn/Co 98
Pn-MOS композитите покажуваат различно однесување на чувствителност во зависност од атомскиот сооднос на MOS115.Општо земено, сензорното однесување на MOS композитите е многу зависно од тоа кој MOS делува како примарен канал за спроводливост за сензорот.Затоа, многу е важно да се карактеризира процентуалниот состав и наноструктурата на композитите.Kim et al.98 го потврди овој заклучок со синтетизирање на серија xSnO2 ± (1-x)Co3O4 композитни нановлакна со електровртење и проучување на нивните својства на сензорот.Тие забележаа дека однесувањето на композитниот сензор SnO2-Co3O4 се префрли од n-тип во p-тип со намалување на процентот на SnO2 (сл. 3в)98.Дополнително, сензорите со доминација на хетероспој (врз основа на 0,5 SnO2-0,5 Co3O4) покажаа највисоки стапки на пренос за C6H6 во споредба со сензорите доминантни со хомоспој (на пример, сензори со висок SnO2 или Co3O4).Вродениот висок отпор на сензорот базиран на 0,5 SnO2-0,5 Co3O4 и неговата поголема способност да го модулира целокупниот отпор на сензорот придонесуваат за неговата најголема чувствителност на C6H6.Дополнително, дефектите на неусогласеноста на решетките кои потекнуваат од хетероинтерфејсите на SnO2-Co3O4 можат да создадат преференцијални места за адсорпција за молекулите на гасот, а со тоа да го подобрат одговорот на сензорот109,116.
Покрај MOS од полупроводнички тип, однесувањето на допир на MOS композитите исто така може да се прилагоди со користење на хемијата на MOS-117.Хуо и сор.117 користеле едноставен метод на натопување-печење за подготовка на композити на Co3O4-SnO2 и откриле дека при моларен сооднос Co/Sn од 10%, сензорот покажал одговор на детекција од p-тип на H2 и чувствителност од n-тип на H2.одговор.Одговорите на сензорите на гасовите CO, H2S и NH3 се прикажани на Слика 4a117.При ниски коефициенти Co/Sn, многу хомоспојувања се формираат на границите на нанозрнести SnO2±SnO2 и покажуваат одговори на сензорот од n-тип на H2 (слика 4b,c)115.Со зголемување на односот Co/Sn до 10 mol.%, наместо хомоспојувања SnO2-SnO2, истовремено беа формирани многу хетероврзувања Co3O4-SnO2 (сл. 4г).Бидејќи Co3O4 е неактивен во однос на H2, а SnO2 силно реагира со H2, реакцијата на H2 со јонски видови кислород главно се јавува на површината на SnO2117.Затоа, електроните се движат кон SnO2, а Ef SnO2 се префрла на проводниот опсег, додека Ef Co3O4 останува непроменет.Како резултат на тоа, отпорот на сензорот се зголемува, што покажува дека материјалите со висок сооднос Co/Sn покажуваат сензорно однесување од типот p (сл. 4д).Спротивно на тоа, CO, H2S и NH3 гасовите реагираат со јонски видови кислород на површините SnO2 и Co3O4, а електроните се движат од гасот до сензорот, што резултира со намалување на висината на бариерата и чувствителноста на n-типот (сл. 4f)..Ова различно однесување на сензорот се должи на различната реактивност на Co3O4 со различни гасови, што дополнително беше потврдено од Јин и сор.118 .Слично на тоа, Katoch et al.119 покажа дека композитите SnO2-ZnO имаат добра селективност и висока чувствителност на H2.Ова однесување се случува затоа што атомите на H може лесно да се адсорбираат на позициите O на ZnO поради силната хибридизација помеѓу s-орбиталата на H и p-орбиталата на O, што доведува до метализација на ZnO120,121.
a Co/Sn-10% криви на динамички отпор за типични редукциони гасови како што се H2, CO, NH3 и H2S, b, c Co3O4/SnO2 дијаграм на композитен механизам за сензори за H2 при низок % m.Co/Sn, df Co3O4 Механизам за откривање на H2 и CO, H2S и NH3 со композитен висок Co/Sn/SnO2
Затоа, можеме да ја подобриме чувствителноста на сензорот од типот I со избирање соодветни методи на изработка, намалување на големината на зрната на композитите и оптимизирање на моларниот сооднос на композитите MOS.Покрај тоа, длабокото разбирање на хемијата на чувствителниот материјал може дополнително да ја подобри селективноста на сензорот.
Сензорските структури од тип II се уште една популарна сензорска структура која може да користи различни хетерогени наноструктурирани материјали, вклучувајќи еден „главен“ наноматеријал и втор или дури трет наноматеријал.На пример, еднодимензионални или дводимензионални материјали украсени со наночестички, јадро-обвивка (CS) и повеќеслојни хетероноструктурирани материјали вообичаено се користат во структурите на сензори од тип II и ќе бидат детално разгледани подолу.
За првиот хетероноструктурен материјал (украсена хетероноструктура), како што е прикажано на сл. 2б(1), проводните канали на сензорот се поврзани со основен материјал.Поради формирањето на хетероспојувања, модифицираните наночестички можат да обезбедат пореактивни места за адсорпција или десорпција на гас, а исто така можат да дејствуваат како катализатори за подобрување на перформансите на сензорите109,122,123,124.Јуан и сор.41 забележаа дека украсувањето на наножици WO3 со наноточки CeO2 може да обезбеди повеќе места за адсорпција на хетероинтерфејсот CeO2@WO3 и површината на CeO2 и да генерира повеќе хемискисорбирани видови кислород за реакција со ацетон.Гунаван и сор.125. Предложен е ацетонски сензор со ултра висока чувствителност базиран на еднодимензионален Au@α-Fe2O3 и забележано е дека чувствителноста на сензорот се контролира со активирање на молекулите на О2 како извор на кислород.Присуството на Au NPs може да дејствува како катализатор што промовира дисоцијација на молекулите на кислород во решеткаст кислород за оксидација на ацетон.Слични резултати беа добиени од Чои и сор.9 каде што се користел катализатор Pt за дисоцирање на адсорбираните кислородни молекули во јонизирани кислородни видови и за подобрување на чувствителната реакција на ацетон.Во 2017 година, истиот истражувачки тим покажа дека биметалличните наночестички се многу поефикасни во катализата од единечните благородни метални наночестички, како што е прикажано на Слика 5126. 5а е шематски приказ на процесот на производство на биметалличните (PtM) NP базирани на платина со користење на апоферитин клетки просечна големина помала од 3 nm.Потоа, со користење на методот на електровртење, се добиени нановлакна PtM@WO3 за да се зголеми чувствителноста и селективноста на ацетон или H2S (сл. 5b–g).Неодамна, катализаторите со еден атом (SACs) покажаа одлични каталитички перформанси на полето на катализа и анализа на гасови поради максималната ефикасност на употребата на атоми и дотерани електронски структури127,128.Шин и сор.129 користеле Pt-SA закотвени јаглерод нитрид (MCN), SnCl2 и PVP нанолистови како хемиски извори за да се подготват Pt@MCN@SnO2 вградените влакна за откривање гас.И покрај многу ниската содржина на Pt@MCN (од 0,13 wt.% до 0,68 wt.%), перформансите за откривање на гасовитиот формалдехид Pt@MCN@SnO2 се супериорни во однос на другите референтни примероци (чист SnO2, MCN@SnO2 и Pt NPs@ SnO2)..Оваа одлична изведба за откривање може да се припише на максималната атомска ефикасност на катализаторот Pt SA и минималната покриеност на активните места на SnO2129.
Метод на инкапсулација натоварена со апоферитин за да се добијат наночестички PtM-apo (PtPd, PtRh, PtNi);динамични особини чувствителни на гас на нановлакна BD чист WO3, PtPd@WO3, PtRn@WO3 и Pt-NiO@WO3;врз основа, на пример, на својствата на селективност на сензорите за нановлакна PtPd@WO3, PtRn@WO3 и Pt-NiO@WO3 до 1 ppm пречки гас 126
Дополнително, хетероспојот формиран помеѓу материјалите на скелето и наночестичките може ефикасно да ги модулираат каналите на спроводливост преку механизам за радијална модулација за да ги подобрат перформансите на сензорот130,131,132.На сл.Слика 6а ги прикажува карактеристиките на сензорот на чистите наножици SnO2 и Cr2O3@SnO2 за редуцирачки и оксидирачки гасови и соодветните сензорски механизми131.Во споредба со чистите наножици SnO2, одговорот на наножиците Cr2O3@SnO2 на редуцирачките гасови е значително подобрен, додека одговорот на оксидирачките гасови е влошен.Овие појави се тесно поврзани со локалното забавување на каналите на спроводливост на наножиците SnO2 во радијална насока на формираната pn хетероспој.Отпорот на сензорот може едноставно да се прилагоди со менување на ширината на EDL на површината на чистите наножици SnO2 по изложување на редуцирачки и оксидирачки гасови.Меѓутоа, за наножиците Cr2O3@SnO2, почетниот DEL на наножиците SnO2 во воздухот е зголемен во споредба со чистите наножици SnO2, а каналот за спроводливост е потиснат поради формирање на хетероврзување.Затоа, кога сензорот е изложен на редуцирачки гас, заробените електрони се ослободуваат во наножиците SnO2 и EDL драстично се намалува, што резултира со поголема чувствителност од чистите наножици SnO2.Спротивно на тоа, кога се префрла на оксидирачки гас, проширувањето на DEL е ограничено, што резултира со мала чувствителност.Слични резултати од сензорниот одговор беа забележани од Choi et al., 133 во кои наножиците SnO2 украсени со наночестички WO3 од p-тип покажаа значително подобрен сензорен одговор на редуцирачки гасови, додека n-украсените сензори SnO2 имаат подобрена чувствителност на оксидирачки гасови.Наночестички TiO2 (сл. 6б) 133. Овој резултат главно се должи на различните работни функции на наночестичките SnO2 и MOS (TiO2 или WO3).Кај наночестичките од p-тип (n-тип), каналот за спроводливост на рамковниот материјал (SnO2) се шири (или се собира) во радијална насока, а потоа, под дејство на редукција (или оксидација), дополнително проширување (или скратување) на спроводниот канал на SnO2 – ребро ) на гасот (сл. 6б).
Механизам на радијална модулација индуциран од модифициран LF MOS.Резиме на реакции на гас до 10 ppm редуцирачки и оксидирачки гасови врз основа на чисти наножици SnO2 и Cr2O3@SnO2 и соодветни шематски дијаграми на механизмот за сензори;и соодветните шеми на нанопрачки WO3@SnO2 и механизам за детекција133
Кај уредите со двослојни и повеќеслојни хетероструктурни уреди, во каналот за спроводливост на уредот доминира слојот (обично долниот слој) во директен контакт со електродите, а хетероспојот формиран на интерфејсот на двата слоја може да ја контролира спроводливоста на долниот слој. .Затоа, кога гасовите се во интеракција со горниот слој, тие можат значително да влијаат на каналите за спроводливост на долниот слој и на отпорот 134 на уредот.На пример, Кумар и сор.77 го пријавиле спротивното однесување на двојните слоеви TiO2@NiO и NiO@TiO2 за NH3.Оваа разлика настанува затоа што каналите на спроводливост на двата сензори доминираат во слоеви од различни материјали (соодветно NiO и TiO2), а потоа варијациите во основните спроводни канали се различни77.
Двослојните или повеќеслојните хетеронаноструктури најчесто се произведуваат со распрскување, таложење на атомски слој (ALD) и центрифугирање56,70,134,135,136.Дебелината на филмот и површината за контакт на двата материјали може добро да се контролираат.На сликите 7а и б се прикажани нанофилмовите NiO@SnO2 и Ga2O3@WO3 добиени со распрскување за откривање на етанол135,137.Сепак, овие методи генерално произведуваат рамни филмови, а овие рамни филмови се помалку чувствителни од 3D наноструктурирани материјали поради нивната мала специфична површина и пропустливост на гас.Затоа, стратегијата во течна фаза за изработка на двослојни филмови со различни хиерархии, исто така, е предложена за да се подобрат перцептивните перформанси со зголемување на специфичната површина41,52,138.Zhu et al139 комбинираа прскање и хидротермални техники за да произведат високо нарачани наножици ZnO преку наножици SnO2 (наножици ZnO@SnO2) за детекција на H2S (сл. 7в).Неговиот одговор на 1 ppm H2S е 1,6 пати поголем од оној на сензор базиран на распрскани нанофилмови ZnO@SnO2.Лиу и сор.52 пријави H2S сензор со високи перформанси користејќи метод на хемиско таложење во два чекора in situ за да се изработат хиерархиски наноструктури SnO2@NiO проследени со термичко жарење (сл. 10d).Во споредба со конвенционалните испрскани SnO2@NiO двослојни филмови, перформансите на чувствителност на хиерархиската двослојна структура SnO2@NiO се значително подобрени поради зголемувањето на специфичната површина52,137.
Двослоен сензор за гас базиран на MOS.NiO@SnO2 нанофилм за детекција на етанол;137b Ga2O3@WO3 нанофилм за детекција на етанол;135c високо наредена хиерархиска двослојна структура SnO2@ZnO за детекција на H2S;139d SnO2@NiO двослојна хиерархиска структура за откривање на H2S52.
Кај уредите од типот II засновани на хетеронаноструктури на јадрото на обвивката (CSHN), механизмот за чувствителност е покомплексен, бидејќи каналите на спроводливост не се ограничени на внатрешната обвивка.И патот на производството и дебелината (hs) на пакувањето може да ја одредат локацијата на проводните канали.На пример, кога се користат методите на синтеза одоздола нагоре, каналите за спроводливост обично се ограничени на внатрешното јадро, кое е слично во структурата на двослојните или повеќеслојните структури на уреди (сл. 2б(3)) 123, 140, 141, 142, 143. Ксу и сор.144 пријавиле пристап оддолу нагоре за добивање на CSHN NiO@α-Fe2O3 и CuO@α-Fe2O3 со депонирање слој од NiO или CuO NP на α-Fe2O3 нанопрачки во кои каналот за спроводливост бил ограничен од централниот дел.(нанопрачки α-Fe2O3).Лиу и сор.142, исто така, успеа да го ограничи каналот за спроводливост на главниот дел од CSHN TiO2 @ Si со депонирање на TiO2 на подготвени низи од силиконски наножици.Затоа, неговото сензорно однесување (p-тип или n-тип) зависи само од полупроводничкиот тип на силициумската наножица.
Сепак, повеќето пријавени сензори базирани на CSHN (сл. 2б(4)) беа направени со пренесување на прашоци од синтетизираниот CS материјал на чипови.Во овој случај, на патеката на спроводливост на сензорот влијае дебелината на куќиштето (hs).Групата на Ким го истражуваше ефектот на hs врз перформансите за откривање гас и предложи можен механизам за откривање100,112,145,146,147,148. Се верува дека два фактори придонесуваат за сензорниот механизам на оваа структура: (1) радијалната модулација на EDL на обвивката и (2) ефектот на размачкување на електричното поле (сл. 8) 145. Истражувачите споменале дека каналот на спроводливост од носителите е претежно ограничена на слојот на школка кога hs > λD на слојот на обвивката145. Се верува дека два фактори придонесуваат за сензорниот механизам на оваа структура: (1) радијалната модулација на EDL на обвивката и (2) ефектот на размачкување на електричното поле (сл. 8) 145. Истражувачите споменале дека каналот на спроводливост од носителите е претежно ограничена на слојот на школка кога hs > λD на слојот на обвивката145. Считается, што в механизме восприятия етой структуры участвуют два фактора: (1) радиальная модуляция ДЭС оболочки и (2) эффект размытия электрического поля (рис. 8) 145. λD оболочки145. Се верува дека два фактори се вклучени во механизмот на перцепција на оваа структура: (1) радијална модулација на EDL на школка и (2) ефект на замаглување на електричното поле (сл. 8) 145. Истражувачите забележале дека носачкиот спроводен канал главно е ограничен на обвивката кога hs > λD школки145.Се верува дека два фактори придонесуваат за механизмот за откривање на оваа структура: (1) радијалната модулација на DEL на обвивката и (2) ефектот на размачкување на електричното поле (сл. 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 > λD145 时，载流子的数量主要局限于壳层. Исследователи отметили, что канал проводимости Когда hs > лD145 оболочки, количество носители в основном ограничено оболочкой. Истражувачите забележаа дека каналот на спроводливост Кога hs > λD145 на школка, бројот на носители е главно ограничен од школка.Затоа, во резистивната модулација на сензорот базирана на CSHN, преовладува радијалната модулација на облогата DEL (Сл. 8а).Меѓутоа, на hs ≤ λD на обвивката, честичките на кислород што се адсорбираат од обвивката и хетероспојот формиран на хетероврзувањето CS се целосно исцрпени од електрони. Затоа, каналот за спроводливост не се наоѓа само во внатрешноста на слојот на обвивката, туку и делумно во јадрото, особено кога hs < λD на слојот на обвивката. Затоа, каналот за спроводливост не се наоѓа само во внатрешноста на слојот на обвивката, туку и делумно во јадрото, особено кога hs < λD на слојот на обвивката. Поэтому канал проводимости располагатся не е толку внутри оболочечного збора, но и частично во сердцевинной части, особено при hs < λD оболочечного збора. Затоа, каналот за спроводливост се наоѓа не само во внатрешноста на слојот на обвивката, туку и делумно во јадрото, особено на hs < λD на слојот на обвивката.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Dlhs hs < λD 时. Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочки, но и частично во сердцевине, особено при hs < λD оболочки. Затоа, каналот за спроводливост се наоѓа не само во внатрешноста на обвивката, туку и делумно во јадрото, особено на hs < λD на обвивката.Во овој случај, и целосно исцрпената електронска обвивка и делумно осиромашениот јадро слој помагаат да се модулира отпорот на целиот CSHN, што резултира со ефект на опашката на електричното поле (сл. 8б).Некои други студии го користеле концептот на волуменска фракција на EDL наместо опашка на електричното поле за да го анализираат ефектот hs100,148.Земајќи ги предвид овие два придонеси, вкупната модулација на отпорот CSHN ја достигнува својата најголема вредност кога hs е споредлива со обвивката λD, како што е прикажано на сл. 8в.Затоа, оптималниот hs за CSHN може да биде блиску до обвивката λD, што е во согласност со експерименталните набљудувања99,144,145,146,149.Неколку студии покажаа дека hs може да влијае и на чувствителноста на сензорите за pn-хетероврзување базирани на CSHN40,148.Ли и сор.148 и Bai et al.40 систематски го истражуваше ефектот на hs врз перформансите на CSHN сензорите со pn-хетероврзување, како што се TiO2@CuO и ZnO@NiO, со менување на циклусот ALD на обложување.Како резултат на тоа, сензорното однесување се промени од p-тип во n-тип со зголемување на hs40,148.Ваквото однесување се должи на фактот дека на почетокот (со ограничен број на ALD циклуси) хетероструктурите може да се сметаат како модифицирани хетеронаноструктури.Така, каналот за спроводливост е ограничен со јадрото на слојот (p-тип MOSFET), а сензорот покажува однесување за откривање на p-тип.Како што се зголемува бројот на ALD циклуси, слојот на обложување (n-тип MOSFET) станува квази-континуиран и делува како канал за спроводливост, што резултира со чувствителност од n-тип.Слично однесување на сензорна транзиција е забележано за pn разгранети хетероноструктури 150,151.Џоу и сор.150 ја истражуваше чувствителноста на разгранетите хетероноструктури на Zn2SnO4@Mn3O4 со контролирање на содржината на Zn2SnO4 на површината на наножиците Mn3O4.Кога јадрата Zn2SnO4 се формираа на површината на Mn3O4, беше забележана чувствителност на p-тип.Со дополнително зголемување на содржината на Zn2SnO4, сензорот базиран на разгранети хетеронаноструктури Zn2SnO4@Mn3O4 се префрла на однесувањето на сензорот од типот n.
Прикажан е концептуален опис на двофункционалниот сензорски механизам на CS наножиците.a Модулација на отпор поради радијална модулација на обвивки осиромашени од електрони, б Негативен ефект на размачкување врз модулацијата на отпорот, и c Модулација на вкупен отпор на CS наножиците поради комбинација на двата ефекти 40
Како заклучок, сензорите од тип II вклучуваат многу различни хиерархиски наноструктури, а перформансите на сензорот многу зависат од распоредот на проводните канали.Затоа, од клучно значење е да се контролира положбата на каналот за спроводливост на сензорот и да се користи соодветен хетероноструктуриран MOS модел за да се проучи механизмот за проширени сензори на сензорите од типот II.
Структурите на сензорот од тип III не се многу чести, а каналот за спроводливост се заснова на хетероспој формиран помеѓу два полупроводници поврзани со две електроди, соодветно.Уникатните структури на уреди обично се добиваат преку техники на микромашина и нивните механизми за сензори се многу различни од претходните две сензорски структури.Кривата IV на сензорот од тип III обично покажува типични карактеристики на исправување поради формирање на хетероспој48,152,153.Карактеристичната крива I–V на идеална хетероспој може да се опише со термионскиот механизам на емисија на електрони над висината на хетероспојната бариера152,154,155.
каде што Va е напонот на пристрасност, A е областа на уредот, k е Болцмановата константа, T е апсолутна температура, q е носечкиот полнеж, Jn и Jp се густината на струјата на дупката и дифузијата на електроните, соодветно.IS ја претставува обратната струја на сатурација, дефинирана како: 152,154,155
Според тоа, вкупната струја на pn хетероспојот зависи од промената на концентрацијата на носителите на полнеж и промената на висината на бариерата на хетероспојот, како што е прикажано во равенките (3) и (4) 156
каде nn0 и pp0 се концентрацијата на електроните (дупките) во MOS од n-тип (p-тип), \(V_{bi}^0\) е вградениот потенцијал, Dp (Dn) е коефициентот на дифузија на електрони (дупки), Ln (Lp ) е должината на дифузијата на електроните (дупки), ΔEv (ΔEc) е енергетското поместување на валентниот опсег (појас на спроводливост) на хетероврзувањето.Иако густината на струјата е пропорционална со густината на носителот, таа е експоненцијално обратно пропорционална на \(V_{bi}^0\).Затоа, целокупната промена на густината на струјата силно зависи од модулацијата на висината на хетероспојната бариера.
Како што споменавме погоре, создавањето на хетеро-наноструктурирани MOSFET-ови (на пример, уреди од тип I и тип II) може значително да ги подобри перформансите на сензорот, наместо на поединечните компоненти.А за уредите од типот III, одговорот на хетеронаноструктурата може да биде повисок од две компоненти48,153 или повисок од една компонента76, во зависност од хемискиот состав на материјалот.Неколку извештаи покажаа дека одговорот на хетероноструктурите е многу повисок од оној на една компонента кога една од компонентите е нечувствителна на целниот гас48,75,76,153.Во овој случај, целниот гас ќе комуницира само со осетливиот слој и ќе предизвика поместување Ef на осетливиот слој и промена на висината на хетероспојната бариера.Тогаш вкупната струја на уредот значително ќе се промени, бидејќи е обратно поврзана со висината на хетероспојната бариера според равенката.(3) и (4) 48,76,153.Меѓутоа, кога и компонентите од n-тип и p-тип се чувствителни на целниот гас, перформансите за откривање може да бидат некаде помеѓу.José et al.76 произведоа порозен сензор за филм NO2 со NiO/SnO2 со распрскување и открија дека чувствителноста на сензорот е само повисока од онаа на сензорот базиран на NiO, но пониска од онаа на сензорот базиран на SnO2.сензор.Овој феномен се должи на фактот што SnO2 и NiO покажуваат спротивни реакции на NO276.Исто така, бидејќи двете компоненти имаат различна чувствителност на гас, тие може да имаат иста тенденција да детектираат оксидирачки и редуцирачки гасови.На пример, Квон и сор.157 предложи NiO/SnO2 pn-хетероврзувачки сензор за гас со косо распрскување, како што е прикажано на сл. 9а.Интересно, сензорот за pn-хетероврзување NiO/SnO2 го покажа истиот тренд на чувствителност за H2 и NO2 (сл. 9а).За да се реши овој резултат, Квон и сор.157 систематски истражи како NO2 и H2 ги менуваат концентрациите на носителот и го наместија \(V_{bi}^0\) на двата материјали користејќи IV-карактеристики и компјутерски симулации (сл. 9bd).Сликите 9b и c ја покажуваат способноста на H2 и NO2 да ја менуваат густината на носителот на сензорите врз основа на p-NiO (pp0) и n-SnO2 (nn0), соодветно.Тие покажаа дека pp0 на p-тип на NiO малку се промени во околината NO2, додека драматично се промени во околината H2 (сл. 9б).Меѓутоа, за n-тип SnO2, nn0 се однесува на спротивен начин (сл. 9в).Врз основа на овие резултати, авторите заклучија дека кога H2 се примени на сензорот врз основа на хетеропојувањето NiO/SnO2 pn, зголемувањето на nn0 доведе до зголемување на Jn, а \(V_{bi}^0\) доведе до намалување на одговорот (сл. 9г).По изложувањето на NO2, и големото намалување на nn0 во SnO2 и малото зголемување на pp0 во NiO доведуваат до големо намалување на \(V_{bi}^0\), што обезбедува зголемување на сензорниот одговор (сл. 9d ) 157 Како заклучок, промените во концентрацијата на носителите и \(V_{bi}^0\) доведуваат до промени во вкупната струја, што дополнително влијае на способноста за откривање.
Механизмот на сензори на сензорот за гас се заснова на структурата на уредот од тип III.Слики со напречен пресек со електронска микроскопија за скенирање (SEM), уред за нано-серпентина p-NiO/n-SnO2 и својства на сензорот на хетероврзувачки сензор за нанокалем p-NiO/n-SnO2 на 200°C за H2 и NO2;b , напречен SEM на c-уред и резултати од симулација на уред со p-NiO b-слој и n-SnO2 c-слој.Сензорот b p-NiO и сензорот c n-SnO2 ги мерат и одговараат на карактеристиките I–V на сув воздух и по изложување на H2 и NO2.Дводимензионална карта на густината на b-дупката во p-NiO и карта на c-електрони во слојот n-SnO2 со скала во боја беа моделирани со помош на софтверот Sentaurus TCAD.г Резултати од симулацијата што прикажуваат 3D карта на p-NiO/n-SnO2 на сув воздух, H2 и NO2157 во околината.
Покрај хемиските својства на самиот материјал, структурата на уредот од тип III демонстрира можност за создавање сензори за гас што се напојуваат самостојно, што не е можно со уредите од тип I и тип II.Поради нивното вродено електрично поле (BEF), структурите на хетероврзувачките диоди pn вообичаено се користат за изградба на фотоволтаични уреди и покажуваат потенцијал за правење самонапојувачки фотоелектрични сензори за гас на собна температура под осветлување74,158,159,160,161.БЕФ на хетероинтерфејсот, предизвикан од разликата во нивоата на Ферми на материјалите, исто така придонесува за раздвојување на паровите електрон-дупки.Предноста на самонапојувачкиот фотонапонски сензор за гас е неговата мала потрошувачка на енергија бидејќи може да ја апсорбира енергијата на осветлувањето и потоа да се контролира себеси или други минијатурни уреди без потреба од надворешен извор на енергија.На пример, Tanuma и Sugiyama162 фабрикуваа NiO/ZnO pn хетероврзувања како соларни ќелии за активирање на поликристални CO2 сензори базирани на SnO2.Гад и сор.74 пријавил сензор за фотоволтаичен гас самонапојуван врз основа на хетероврзување Si/ZnO@CdS pn, како што е прикажано на Сл. 10а.Вертикално ориентирани наножици ZnO беа одгледувани директно на силициумски подлоги од p-тип за да формираат хетероврзувања Si/ZnO pn.Потоа CdS наночестичките беа модифицирани на површината на наножиците ZnO со хемиска модификација на површината.На сл.10a ги прикажува резултатите од офлајн одговорот на сензорот Si/ZnO@CdS за O2 и етанол.Под осветлување, напонот на отворено коло (Voc) поради одвојувањето на паровите електрон-дупки за време на BEP на хетероинтерфејсот Si/ZnO се зголемува линеарно со бројот на поврзани диоди74,161.Voc може да се претстави со равенка.(5) 156,
каде што ND, NA и Ni се концентрациите на донаторите, акцепторите и внатрешните носители, соодветно, а k, T и q се истите параметри како во претходната равенка.Кога се изложени на оксидирачки гасови, тие извлекуваат електрони од наножиците ZnO, што доведува до намалување на \(N_D^{ZnO}\) и Voc.Спротивно на тоа, намалувањето на гасот резултираше со зголемување на Voc (Сл. 10а).Кога се украсува ZnO со CdS наночестички, фотовозбудените електрони во наночестичките CdS се инјектираат во проводниот појас на ZnO и комуницираат со адсорбираниот гас, со што се зголемува ефикасноста на перцепцијата74,160.Сличен сензор за фотоволтаичен гас кој се напојува само напојуван на Si/ZnO беше пријавен од Хофман и сор.160, 161 (сл. 10б).Овој сензор може да се подготви со помош на линија на наночестички ZnO функционализирани со амин ([3-(2-аминоетиламино)пропил]триметоксисилан) (амино-функционализиран-SAM) и тиол ((3-меркаптопропил)-функционализиран, за да се прилагоди работната функција на целниот гас за селективно откривање на NO2 (триметоксисилан) (тиол-функционализиран-SAM)) (сл. 10б) 74,161.
Самонапојувачки фотоелектричен сензор за гас базиран на структурата на уред од тип III.сензор за фотоволтаичен гас кој се напојува само напојуван врз основа на Si/ZnO@CdS, механизам за сензори со самонапојување и одговор на сензорот на оксидирани (O2) и намалени (1000 ppm етанол) гасови под сончева светлина;74б Самонапојувачки фотонапонски гас сензор базиран на сензори Si ZnO/ZnO и одговори на сензори на различни гасови по функционализација на ZnO SAM со терминални амини и тиоли 161
Затоа, кога се дискутира за чувствителниот механизам на сензорите од типот III, важно е да се одреди промената на висината на бариерата на хетероспој и способноста на гасот да влијае на концентрацијата на носачот.Покрај тоа, осветлувањето може да генерира фотогенерирани носачи кои реагираат со гасови, што е ветувачко за откривање на гас со самопогон.
Како што беше дискутирано во овој преглед на литературата, многу различни MOS хетероноструктури се фабрикувани за да се подобрат перформансите на сензорот.Базата на податоци на Web of Science беше пребарувана за различни клучни зборови (композити од метал оксид, метални оксиди на јадро-обвивка, слоевити метални оксиди и самонапојувачки гасни анализатори) како и карактеристични карактеристики (изобилство, чувствителност/селективност, потенцијал за производство на енергија, производство) .Метод Карактеристиките на три од овие три уреди се прикажани во Табела 2. Целокупниот концепт на дизајн за сензори за гас со високи перформанси се дискутира со анализа на трите клучни фактори предложени од Yamazoe.Механизми за хетероструктурни сензори на MOS За да се разберат факторите кои влијаат на сензорите за гас, внимателно се проучени различни MOS параметри (на пример, големината на зрната, работната температура, дефектот и густината на празното место на кислород, отворените кристални рамнини).Структурата на уредот, која е исто така клучна за сензорното однесување на сензорот, е занемарена и ретко се дискутира.Овој преглед ги разгледува основните механизми за откривање на три типични типови на структура на уредот.
Структурата на големината на зрната, методот на производство и бројот на хетероспојувања на сензорниот материјал во сензорот од тип I може многу да влијаат на чувствителноста на сензорот.Покрај тоа, на однесувањето на сензорот влијае и моларниот сооднос на компонентите.Структурите на уредите од типот II (декоративни хетероноструктури, двослојни или повеќеслојни филмови, HSSN) се најпопуларните структури на уреди кои се состојат од две или повеќе компоненти, а само една компонента е поврзана со електродата.За оваа структура на уредот, одредувањето на локацијата на каналите на спроводливост и нивните релативни промени е критично во проучувањето на механизмот на перцепција.Бидејќи уредите од тип II вклучуваат многу различни хиерархиски хетероноструктури, предложени се многу различни механизми за сензори.Во сензорната структура од типот III, во каналот на спроводливост доминира хетероспој формиран на хетероврзувањето, а механизмот на перцепција е сосема поинаков.Затоа, важно е да се одреди промената на висината на хетероспојната бариера по изложувањето на целниот гас на сензорот од типот III.Со овој дизајн, може да се направат самонапојувачки фотоволтаични сензори за гас за да се намали потрошувачката на енергија.Меѓутоа, бидејќи тековниот процес на изработка е прилично комплициран и чувствителноста е многу помала од традиционалните сензори за гас со хемоотпорност базирани на MOS, сè уште има голем напредок во истражувањето на самонапојувачките гасни сензори.
Главните предности на гасните MOS сензори со хиерархиски хетеронаноструктури се брзината и поголемата чувствителност.Сепак, некои клучни проблеми на сензорите за гас MOS (на пр. висока работна температура, долгорочна стабилност, слаба селективност и репродуктивност, ефекти на влажност итн.) сè уште постојат и треба да се решат пред да можат да се користат во практична примена.Современите сензори за гас MOS обично работат на високи температури и трошат многу енергија, што влијае на долгорочната стабилност на сензорот.Постојат два вообичаени пристапи за решавање на овој проблем: (1) развој на чипови со сензори со мала моќност;(2) развој на нови чувствителни материјали кои можат да работат на ниска температура или дури и на собна температура.Еден пристап за развој на чипови со сензори со мала моќност е да се минимизира големината на сензорот со изработка на плочи за микрогреење базирани на керамика и силикон163.Микрогрејните плочи на база на керамика трошат приближно 50–70 mV по сензор, додека оптимизираните микрогрејни плочи базирани на силикон може да трошат само 2 mW по сензор кога работат непрекинато на 300 °C163,164.Развојот на нови сензорни материјали е ефикасен начин за намалување на потрошувачката на енергија со намалување на работната температура, а исто така може да ја подобри стабилноста на сензорот.Со оглед на тоа што големината на MOS продолжува да се намалува за да се зголеми чувствителноста на сензорот, термичката стабилност на MOS станува се поголем предизвик, што може да доведе до лизгање на сигналот на сензорот165.Покрај тоа, високата температура ја промовира дифузијата на материјалите на хетероинтерфејсот и формирањето на мешани фази, што влијае на електронските својства на сензорот.Истражувачите известуваат дека оптималната работна температура на сензорот може да се намали со избирање соодветни материјали за сензори и развивање на хетероноструктури на MOS.Потрагата по метод на ниска температура за изработка на висококристални хетеронаноструктури на MOS е уште еден ветувачки пристап за подобрување на стабилноста.
Селективноста на MOS сензорите е уште едно практично прашање бидејќи различни гасови коегзистираат со целниот гас, додека MOS сензорите често се чувствителни на повеќе од еден гас и често покажуваат вкрстена чувствителност.Затоа, зголемувањето на селективноста на сензорот кон целниот гас, како и кон другите гасови е критично за практична примена.Во текот на изминатите неколку децении, изборот беше делумно опфатен со градење низи од сензори за гас наречени „електронски носови (Е-нос)“ во комбинација со алгоритми за пресметковна анализа како што се квантизација на вектор за обука (LVQ), анализа на главни компоненти (PCA). итн. д.Сексуални проблеми.Делумни најмали квадрати (PLS), итн. 31, 32, 33, 34. Два главни фактори (бројот на сензори, кои се тесно поврзани со типот на материјалот за сензори, и пресметковната анализа) се клучни за подобрување на способноста на електронските носови да ги идентификува гасовите169.Сепак, зголемувањето на бројот на сензори обично бара многу сложени производствени процеси, па затоа е критично да се најде едноставен метод за подобрување на перформансите на електронските носови.Дополнително, менувањето на MOS со други материјали, исто така, може да ја зголеми селективноста на сензорот.На пример, селективно откривање на H2 може да се постигне поради добрата каталитичка активност на MOS модифицирана со NP Pd.Во последниве години, некои истражувачи ја обложија површината MOS MOF за да ја подобрат селективноста на сензорот преку исклучување на големината171,172.Инспирирана од оваа работа, функционализацијата на материјалот може некако да го реши проблемот со селективноста.Сепак, има уште многу работа во изборот на вистинскиот материјал.
Повторливоста на карактеристиките на сензорите произведени под исти услови и методи е уште еден важен услов за производство од големи размери и практични апликации.Вообичаено, методите на центрифугирање и натопување се методи со ниска цена за изработка на сензори за гас со висока пропусност.Меѓутоа, за време на овие процеси, чувствителниот материјал има тенденција да се собира и врската помеѓу чувствителниот материјал и подлогата станува слаба68, 138, 168. Како резултат на тоа, чувствителноста и стабилноста на сензорот значително се влошуваат, а перформансите стануваат репродуктивни.Други методи на изработка, како што се распрскување, ALD, импулсно ласерско таложење (PLD) и таложење на физичка пареа (PVD) овозможуваат производство на двослојни или повеќеслојни MOS-филмови директно на шарени силициумски или алумина супстрати.Овие техники избегнуваат акумулација на чувствителни материјали, обезбедуваат репродуктивност на сензорот и ја демонстрираат изводливоста на големо производство на рамни сензори со тенок филм.Сепак, чувствителноста на овие рамни филмови е генерално многу помала од онаа на 3D наноструктурираните материјали поради нивната мала специфична површина и малата пропустливост на гасот41,174.Новите стратегии за одгледување на хетероноструктури на MOS на специфични локации на структурирани микронизи и прецизно контролирање на големината, дебелината и морфологијата на чувствителните материјали се клучни за евтино производство на сензори на ниво на нафора со висока репродуктивност и чувствителност.На пример, Лиу и сор.174 предложи комбинирана стратегија од горе-надолу и оддолу-нагоре за производство на високопропусни кристалити со одгледување наноѕидови Ni(OH)2 на самото место на одредени локации..Наполитанки за микрогорилници.
Покрај тоа, исто така е важно да се земе предвид ефектот на влажноста на сензорот во практична примена.Молекулите на водата можат да се натпреваруваат со молекулите на кислород за местата на адсорпција во сензорските материјали и да влијаат на одговорноста на сензорот за целниот гас.Како и кислородот, водата делува како молекула преку физичка сорпција, а може да постои и во форма на хидроксилни радикали или хидроксилни групи на различни станици за оксидација преку хемисорпција.Покрај тоа, поради високото ниво и променливата влажност на околината, сигурен одговор на сензорот на целниот гас е голем проблем.Развиени се неколку стратегии за решавање на овој проблем, како што се преконцентрација на гас177, методи за компензација на влага и вкрстено реактивни решетки178, како и методи на сушење179,180.Сепак, овие методи се скапи, сложени и ја намалуваат чувствителноста на сензорот.Предложени се неколку евтини стратегии за да се потиснат ефектите од влажноста.На пример, украсувањето на SnO2 со наночестички Pd може да промовира конверзија на адсорбиран кислород во анјонски честички, додека функционализирањето на SnO2 со материјали со висок афинитет за молекулите на водата, како што се NiO и CuO, се два начини да се спречи зависноста од влагата од молекулите на водата..Сензори 181, 182, 183. Покрај тоа, ефектот на влажноста може да се намали и со користење на хидрофобни материјали за да се формираат хидрофобни површини36,138,184,185.Сепак, развојот на сензори за гас отпорни на влага е сè уште во рана фаза и потребни се понапредни стратегии за решавање на овие прашања.
Како заклучок, подобрувањата во перформансите на откривање (на пр., чувствителност, селективност, ниска оптимална работна температура) се постигнати со создавање на хетероноструктури на MOS и се предложени различни подобрени механизми за откривање.При проучување на механизмот за сензори на одреден сензор, мора да се земе предвид и геометриската структура на уредот.Ќе биде потребно истражување на нови материјали за сензори и истражување на напредни стратегии за производство за дополнително да се подобрат перформансите на сензорите за гас и да се решат преостанатите предизвици во иднина.За контролирано подесување на карактеристиките на сензорот, неопходно е систематски да се изгради врската помеѓу синтетичкиот метод на сензорските материјали и функцијата на хетероноструктурите.Дополнително, проучувањето на површинските реакции и промените во хетероинтерфејсите со користење на современи методи на карактеризација може да помогне да се разјаснат механизмите на нивната перцепција и да се обезбедат препораки за развој на сензори базирани на хетероноструктурирани материјали.Конечно, проучувањето на современите стратегии за изработка на сензори може да овозможи изработка на минијатурни сензори за гас на ниво на нафора за нивните индустриски апликации.
Гензел, НН и сор.Надолжна студија за нивоата на азот диоксид во затворен простор и респираторните симптоми кај деца со астма во урбаните области.маало.Здравствена перспектива.116, 1428–1432 (2008).
Време на објавување: Ноември-04-2022 година
