Augstas veiktspējas, pārnēsājamu un miniaturizētu gāzes sensoru izstrādei tiek pievērsta arvien lielāka uzmanība vides monitoringa, drošības, medicīniskās diagnostikas un lauksaimniecības jomās.Starp dažādiem noteikšanas rīkiem metāla oksīda-pusvadītāju (MOS) ķīmiski rezistīvie gāzes sensori ir vispopulārākā izvēle komerciāliem lietojumiem, pateicoties to augstajai stabilitātei, zemajām izmaksām un augstajai jutībai.Viena no svarīgākajām pieejām, lai vēl vairāk uzlabotu sensora veiktspēju, ir nanoizmēra MOS balstītu heterosavienojumu (hetero-nanostrukturētu MOS) izveide no MOS nanomateriāliem.Tomēr heteronanostrukturēta MOS sensora sensora mehānisms atšķiras no viena MOS gāzes sensora, jo tas ir diezgan sarežģīts.Sensora darbību ietekmē dažādi parametri, tostarp jutīgā materiāla fizikālās un ķīmiskās īpašības (piemēram, graudu izmērs, defektu blīvums un materiāla skābekļa vakances), darba temperatūra un ierīces struktūra.Šajā pārskatā ir sniegtas vairākas koncepcijas augstas veiktspējas gāzes sensoru projektēšanai, analizējot neviendabīgu nanostrukturētu MOS sensoru sensoru mehānismu.Turklāt tiek apspriesta ierīces ģeometriskās struktūras ietekme, ko nosaka attiecības starp jutīgo materiālu un darba elektrodu.Lai sistemātiski pētītu sensoru uzvedību, šajā rakstā ir ieviests un apskatīts vispārējais trīs tipisku ierīču ģeometrisko struktūru uztveres mehānisms, kuru pamatā ir dažādi heteronanostrukturēti materiāli.Šis pārskats kalpos kā ceļvedis nākamajiem lasītājiem, kuri pētīs jutīgos gāzes sensoru mehānismus un izstrādā augstas veiktspējas gāzes sensorus.
Gaisa piesārņojums ir arvien nopietnāka problēma un nopietna globāla vides problēma, kas apdraud cilvēku un dzīvo būtņu labklājību.Gāzveida piesārņotāju ieelpošana var izraisīt daudzas veselības problēmas, piemēram, elpceļu slimības, plaušu vēzi, leikēmiju un pat priekšlaicīgu nāvi1,2,3,4.No 2012. līdz 2016. gadam tika ziņots, ka miljoniem cilvēku ir miruši no gaisa piesārņojuma, un katru gadu miljardiem cilvēku tika pakļauti sliktai gaisa kvalitātei5.Tāpēc ir svarīgi izstrādāt pārnēsājamus un miniaturizētus gāzes sensorus, kas var nodrošināt reāllaika atgriezenisko saiti un augstu noteikšanas veiktspēju (piemēram, jutīgumu, selektivitāti, stabilitāti un reakcijas un atkopšanas laiku).Papildus vides uzraudzībai gāzes sensoriem ir būtiska nozīme drošībā6,7,8, medicīniskajā diagnostikā9,10, akvakultūrā11 un citās jomās12.
Līdz šim ir ieviesti vairāki pārnēsājami gāzes sensori, kuru pamatā ir dažādi sensoru mehānismi, piemēram, optiskie 13, 14, 15, 16, 17, 18, elektroķīmiskie 19, 20, 21, 22 un ķīmiskie pretestības sensori 23, 24 .Starp tiem metāla oksīda-pusvadītāju (MOS) ķīmiskie pretestības sensori ir vispopulārākie komerciālos lietojumos to augstās stabilitātes un zemo izmaksu dēļ25,26.Piesārņojuma koncentrāciju var noteikt, vienkārši nosakot MOS rezistences izmaiņas.Sešdesmito gadu sākumā tika ziņots par pirmajiem ķīmiski rezistīvajiem gāzes sensoriem, kuru pamatā bija ZnO plānās plēves, radot lielu interesi par gāzes noteikšanas jomu27, 28.Mūsdienās daudzi dažādi MOS tiek izmantoti kā gāzjutīgi materiāli, un tos var iedalīt divās kategorijās, pamatojoties uz to fizikālajām īpašībām: n-tipa MOS ar elektroniem kā lielāko lādiņu nesēju un p-tipa MOS ar caurumiem kā lielāko daļu lādiņu nesēju.lādiņu nesēji.Kopumā p-tipa MOS ir mazāk populārs nekā n-tipa MOS, jo p-tipa MOS (Sp) induktīvā reakcija ir proporcionāla n-tipa MOS kvadrātsaknei (\(S_p = \sqrt { S_n}\ ) ) pie tādiem pašiem pieņēmumiem (piemēram, vienāda morfoloģiskā struktūra un tādas pašas joslu lieces izmaiņas gaisā) 29,30.Tomēr vienas bāzes MOS sensori joprojām saskaras ar tādām problēmām kā nepietiekama noteikšanas robeža, zema jutība un selektivitāte praktiskos lietojumos.Selektivitātes problēmas zināmā mērā var atrisināt, izveidojot sensoru blokus (sauktus par "elektroniskajiem deguniem") un iekļaujot skaitļošanas analīzes algoritmus, piemēram, apmācību vektoru kvantēšanu (LVQ), galveno komponentu analīzi (PCA) un daļējo mazāko kvadrātu (PLS) analīzi31, 32, 33, 34, 35. Turklāt zemas dimensijas MOS32,36,37,38,39 (piem., viendimensiju (1D), 0D un 2D nanomateriālu) ražošana, kā arī citu nanomateriālu izmantošana ( Piemēram, MOS40,41,42, cēlmetālu nanodaļiņas (NP)43,44, oglekļa nanomateriāli45,46 un vadoši polimēri47,48), lai izveidotu nanomēroga heterosavienojumus (ti, heteronanostrukturētu MOS), ir citas ieteicamās pieejas iepriekš minēto problēmu risināšanai.Salīdzinot ar tradicionālajām biezajām MOS plēvēm, zema izmēra MOS ar lielu īpatnējo virsmu var nodrošināt aktīvākas gāzes adsorbcijas vietas un atvieglot gāzes difūziju 36, 37, 49.Turklāt uz MOS balstītu heteronanostruktūru dizains var vēl vairāk pielāgot nesēja transportēšanu heterointerfeisā, izraisot lielas pretestības izmaiņas dažādu darbības funkciju dēļ 50, 51, 52.Turklāt daži ķīmiskie efekti (piemēram, katalītiskā aktivitāte un sinerģiskas virsmas reakcijas), kas rodas MOS heteronanostruktūru projektēšanā, var arī uzlabot sensoru veiktspēju.50,53,54 Lai gan MOS heteronanostruktūru projektēšana un izgatavošana būtu daudzsološa pieeja, lai uzlabotu sensora veiktspēja, mūsdienu ķīmiski rezistīvie sensori parasti izmanto izmēģinājumus un kļūdas, kas ir laikietilpīgi un neefektīvi.Tāpēc ir svarīgi izprast MOS balstītu gāzes sensoru sensoru mehānismu, jo tas var vadīt augstas veiktspējas virziena sensoru dizainu.
Pēdējos gados MOS gāzes sensori ir strauji attīstījušies, un ir publicēti daži ziņojumi par MOS nanostruktūrām55,56,57, istabas temperatūras gāzes sensoriem58,59, īpašiem MOS sensoru materiāliem60,61,62 un īpašiem gāzes sensoriem63.Pārskata dokumentā “Citi apskati” galvenā uzmanība pievērsta gāzes sensoru sensoru mehānisma noskaidrošanai, pamatojoties uz MOS raksturīgajām fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām, tostarp skābekļa vakanču lomu 64, heteronanostruktūru lomu 55, 65 un lādiņu pārnesi heterosaskarnēs 66. Turklāt , daudzi citi parametri ietekmē sensora darbību, tostarp heterostruktūra, graudu izmērs, darba temperatūra, defektu blīvums, skābekļa vakances un pat jutīga materiāla atvērtas kristāla plaknes25,67,68,69,70,71.72, 73. Tomēr ierīces (retāk pieminētā) ģeometriskā struktūra, ko nosaka attiecības starp sensoru materiālu un darba elektrodu, būtiski ietekmē arī sensora jutību74,75,76 (sīkāku informāciju skatīt 3. sadaļā) .Piemēram, Kumar et al.77 ziņoja par diviem gāzes sensoriem, kuru pamatā ir viens un tas pats materiāls (piemēram, divslāņu gāzes sensori, kuru pamatā ir TiO2@NiO un NiO@TiO2), un novēroja dažādas izmaiņas NH3 gāzes pretestībā dažādu ierīču ģeometriju dēļ.Tāpēc, analizējot gāzes sensora mehānismu, ir svarīgi ņemt vērā ierīces struktūru.Šajā pārskatā autori koncentrējas uz MOS balstītiem noteikšanas mehānismiem dažādām neviendabīgām nanostruktūrām un ierīču struktūrām.Mēs uzskatām, ka šis pārskats var kalpot kā ceļvedis lasītājiem, kuri vēlas izprast un analizēt gāzes noteikšanas mehānismus, un tas var veicināt nākotnes augstas veiktspējas gāzes sensoru izstrādi.
Uz att.1.a attēlā parādīts gāzes sensora mehānisma pamatmodelis, kura pamatā ir viens MOS.Temperatūrai paaugstinoties, skābekļa (O2) molekulu adsorbcija uz MOS virsmas piesaistīs elektronus no MOS un veidos anjonu sugas (piemēram, O2- un O-).Pēc tam uz MOS 15, 23, 78 virsmas izveido elektronu noplicināšanas slāni (EDL) n-tipa MOS vai caurumu uzkrāšanas slāni (HAL) p-tipa MOS. Mijiedarbība starp O2 un MOS liek virsmas MOS vadītspējas joslai saliekties uz augšu un veido potenciālu barjeru.Pēc tam, kad sensors tiek pakļauts mērķa gāzei, uz MOS virsmas adsorbētā gāze reaģē ar jonu skābekļa sugām, vai nu piesaistot elektronus (oksidējošā gāze), vai ziedojot elektronus (reducējošā gāze).Elektronu pārnese starp mērķa gāzi un MOS var pielāgot EDL vai HAL30,81 platumu, kā rezultātā mainās MOS sensora kopējā pretestība.Piemēram, reducējošai gāzei elektroni tiks pārnesti no reducējošās gāzes uz n-tipa MOS, kā rezultātā samazināsies EDL un pretestība, ko dēvē par n-tipa sensora uzvedību.Turpretim, ja p-tipa MOS tiek pakļauts reducējošai gāzei, kas nosaka p-tipa jutīguma uzvedību, HAL samazinās un pretestība palielinās elektronu ziedošanas dēļ.Oksidējošām gāzēm sensora reakcija ir pretēja reakcijai reducējošām gāzēm.
Pamata noteikšanas mehānismi n-tipa un p-tipa MOS gāzu reducēšanai un oksidēšanai b Galvenie faktori un fizikāli ķīmiskās vai materiālu īpašības, kas saistītas ar pusvadītāju gāzes sensoriem 89
Neatkarīgi no pamata noteikšanas mehānisma praktiskajos gāzes sensoros izmantotie gāzes noteikšanas mehānismi ir diezgan sarežģīti.Piemēram, gāzes sensora faktiskajai lietošanai ir jāatbilst daudzām prasībām (piemēram, jutīgumam, selektivitātei un stabilitātei) atkarībā no lietotāja vajadzībām.Šīs prasības ir cieši saistītas ar jutīgā materiāla fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām.Piemēram, Xu et al.71 pierādīja, ka uz SnO2 balstīti sensori sasniedz visaugstāko jutību, ja kristāla diametrs (d) ir vienāds ar SnO271 Debija garumu (λD) vai divreiz mazāks par to.Ja d ≤ 2λD, SnO2 pēc O2 molekulu adsorbcijas ir pilnībā izsmelts, un sensora reakcija uz reducējošo gāzi ir maksimāla.Turklāt sensora veiktspēju var ietekmēt dažādi citi parametri, tostarp darba temperatūra, kristāla defekti un pat atklātas sensora materiāla kristāla plaknes.Jo īpaši darba temperatūras ietekme ir izskaidrojama ar iespējamo konkurenci starp mērķa gāzes adsorbcijas un desorbcijas ātrumiem, kā arī virsmas reaktivitāti starp adsorbētās gāzes molekulām un skābekļa daļiņām4,82.Kristālu defektu ietekme ir cieši saistīta ar skābekļa vakanču saturu [83, 84].Sensora darbību var ietekmēt arī dažāda atvērto kristāla virsmu reaktivitāte67,85,86,87.Atvērtās kristāla plaknes ar mazāku blīvumu atklāj vairāk nekoordinētu metāla katjonu ar lielāku enerģiju, kas veicina virsmas adsorbciju un reaktivitāti88.1. tabulā ir uzskaitīti vairāki galvenie faktori un ar tiem saistītie uzlabotie uztveres mehānismi.Tāpēc, pielāgojot šos materiāla parametrus, var uzlabot noteikšanas veiktspēju, un ir ļoti svarīgi noteikt galvenos faktorus, kas ietekmē sensora darbību.
Yamazoe89 un Shimanoe et al.68,71 veica vairākus pētījumus par sensoru uztveres teorētisko mehānismu un ierosināja trīs neatkarīgus galvenos faktorus, kas ietekmē sensora darbību, īpaši receptora funkciju, devēja funkciju un lietderību (1.b attēls)..Receptoru funkcija attiecas uz MOS virsmas spēju mijiedarboties ar gāzes molekulām.Šī funkcija ir cieši saistīta ar MOS ķīmiskajām īpašībām, un to var ievērojami uzlabot, ieviešot svešus akceptorus (piemēram, metāla NP un citus MOS).Pārveidotāja funkcija attiecas uz spēju pārveidot reakciju starp gāzi un MOS virsmu elektriskā signālā, kurā dominē MOS graudu robežas.Tādējādi sensoro funkciju būtiski ietekmē MOC daļiņu izmērs un svešo receptoru blīvums.Katoch et al.90 ziņoja, ka ZnO-SnO2 nanofibrilu graudu izmēra samazināšana izraisīja daudzu heterosavienojumu veidošanos un palielināja sensora jutību, kas atbilst devēja funkcionalitātei.Wang et al.91 salīdzināja dažādus Zn2GeO4 graudu izmērus un uzrādīja 6,5 reizes lielāku sensora jutību pēc graudu robežu ieviešanas.Lietderība ir vēl viens galvenais sensora veiktspējas faktors, kas raksturo gāzes pieejamību iekšējai MOS struktūrai.Ja gāzes molekulas nevar iekļūt un reaģēt ar iekšējo MOS, sensora jutība tiks samazināta.Lietderība ir cieši saistīta ar konkrētas gāzes difūzijas dziļumu, kas ir atkarīgs no sensora materiāla poru izmēra.Sakai et al.92 modelēja sensora jutību pret dūmgāzēm un atklāja, ka gan gāzes molekulmasa, gan sensora membrānas poru rādiuss ietekmē sensora jutību dažādos gāzu difūzijas dziļumos sensora membrānā.Iepriekš minētā diskusija parāda, ka augstas veiktspējas gāzes sensorus var izstrādāt, līdzsvarojot un optimizējot receptoru, devēja funkciju un lietderību.
Iepriekš minētais darbs precizē vienas MOS uztveres pamata mehānismu un apspriež vairākus faktorus, kas ietekmē MOS veiktspēju.Papildus šiem faktoriem gāzes sensori, kuru pamatā ir heterostruktūras, var vēl vairāk uzlabot sensoru veiktspēju, ievērojami uzlabojot sensoru un receptoru funkcijas.Turklāt heteronanostruktūras var vēl vairāk uzlabot sensora veiktspēju, uzlabojot katalītiskās reakcijas, regulējot lādiņa pārnesi un radot vairāk adsorbcijas vietu.Līdz šim ir pētīti daudzi gāzes sensori, kuru pamatā ir MOS heteronanostruktūras, lai apspriestu uzlabotus sensoru mehānismus95, 96, 97.Millers et al.55 apkopoti vairāki mehānismi, kas, iespējams, uzlabos heteronanostruktūru jutīgumu, tostarp no virsmas atkarīgos, no saskarnes atkarīgos un no struktūras atkarīgos.Tostarp no saskarnes atkarīgais pastiprināšanas mehānisms ir pārāk sarežģīts, lai aptvertu visas saskarnes mijiedarbības vienā teorijā, jo var izmantot dažādus sensorus, kuru pamatā ir heteronanostrukturēti materiāli (piemēram, nn-heterojunction, pn-heterojunction, pp-heterojunction utt.). .Šotkija mezgls).Parasti uz MOS balstīti heteronanostrukturēti sensori vienmēr ietver divus vai vairākus uzlabotus sensoru mehānismus98, 99, 100.Šo pastiprināšanas mehānismu sinerģiskā iedarbība var uzlabot sensoru signālu uztveršanu un apstrādi.Tādējādi ir ļoti svarīgi izprast sensoru uztveres mehānismu, kuru pamatā ir neviendabīgi nanostrukturēti materiāli, lai palīdzētu pētniekiem izstrādāt augšupvērstus gāzes sensorus atbilstoši viņu vajadzībām.Turklāt ierīces ģeometriskā struktūra var būtiski ietekmēt arī sensora 74, 75, 76 jutību. Lai sistemātiski analizētu sensora uzvedību, tiks prezentēti trīs ierīces struktūru sensoru mehānismi, kuru pamatā ir dažādi heteronanostrukturēti materiāli. un apspriests tālāk.
Strauji attīstoties uz MOS balstītiem gāzes sensoriem, ir ierosināti dažādi hetero-nanostrukturēti MOS.Uzlādes pārnešana heterointerfeisā ir atkarīga no komponentu dažādajiem Fermi līmeņiem (Ef).Heteroserfesē elektroni pārvietojas no vienas puses ar lielāku Ef uz otru pusi ar mazāku Ef, līdz to Fermi līmeņi sasniedz līdzsvaru, un caurumi, otrādi.Tad heterointerfeisa nesēji ir izsmelti un veido noplicinātu slāni.Kad sensors ir pakļauts mērķa gāzei, mainās heteronanostrukturētā MOS nesēja koncentrācija, tāpat kā barjeras augstums, tādējādi uzlabojot noteikšanas signālu.Turklāt dažādas heteronanostruktūru izgatavošanas metodes rada dažādas attiecības starp materiāliem un elektrodiem, kas rada dažādas ierīces ģeometrijas un dažādus sensoru mehānismus.Šajā pārskatā mēs piedāvājam trīs ģeometriskās ierīces struktūras un apspriežam katras struktūras sensora mehānismu.
Lai gan heterosavienojumiem ir ļoti svarīga loma gāzes noteikšanas veiktspējā, visa sensora ierīces ģeometrija var arī būtiski ietekmēt noteikšanas uzvedību, jo sensora vadīšanas kanāla atrašanās vieta ir ļoti atkarīga no ierīces ģeometrijas.Šeit ir apskatītas trīs tipiskas heterosavienojuma MOS ierīču ģeometrijas, kā parādīts 2. attēlā. Pirmajā tipā divi MOS savienojumi ir nejauši sadalīti starp diviem elektrodiem, un vadošā kanāla atrašanās vietu nosaka galvenais MOS, otrais ir neviendabīgu nanostruktūru veidošanās no dažādām MOS, kamēr elektrodam ir pievienots tikai viens MOS.elektrods ir pievienots, tad vadošais kanāls parasti atrodas MOS iekšpusē un ir tieši savienots ar elektrodu.Trešajā veidā divi materiāli ir pievienoti diviem elektrodiem atsevišķi, vadot ierīci caur heterosavienojumu, kas izveidots starp abiem materiāliem.
Defise starp savienojumiem (piemēram, “SnO2-NiO”) norāda, ka abas sastāvdaļas ir vienkārši sajauktas (I tips).“@” zīme starp diviem savienojumiem (piemēram, “SnO2@NiO”) norāda, ka sastatņu materiāls (NiO) ir dekorēts ar SnO2 II tipa sensora struktūrai.Slīpsvītra (piemēram, “NiO/SnO2”) norāda uz III tipa sensora dizainu.
Gāzes sensoriem, kuru pamatā ir MOS kompozītmateriāli, divi MOS elementi ir nejauši sadalīti starp elektrodiem.MOS kompozītmateriālu sagatavošanai ir izstrādātas daudzas ražošanas metodes, tostarp sola-gela, kopizgulsnēšanas, hidrotermiskās, elektrovērpšanas un mehāniskās sajaukšanas metodes98,102,103,104.Nesen metāla organiskie karkasi (MOF), porainu kristāliski strukturētu materiālu klase, kas sastāv no metāla centriem un organiskiem savienotājiem, tika izmantoti kā veidnes porainu MOS kompozītmateriālu ražošanai 105, 106, 107, 108.Ir vērts atzīmēt, ka, lai gan MOS kompozītu procentuālais daudzums ir vienāds, jutīguma raksturlielumi var ievērojami atšķirties, izmantojot dažādus ražošanas procesus.109 110 Piemēram, Gao et al.109 izgatavoja divus sensorus, kuru pamatā ir MoO3±SnO2 kompozītmateriāli ar vienādu atomu attiecību. (Mo:Sn = 1:1,9) un konstatēja, ka dažādas ražošanas metodes rada atšķirīgu jutīgumu.Šapošņiks u.c.110 ziņoja, ka līdzizgulsnētā SnO2-TiO2 reakcija uz gāzveida H2 atšķīrās no mehāniski sajauktu materiālu reakcijas pat ar tādu pašu Sn/Ti attiecību.Šī atšķirība rodas tāpēc, ka attiecības starp MOP un MOP kristalīta izmēru atšķiras ar dažādām sintēzes metodēm109, 110.Ja graudu izmērs un forma ir konsekventi donora blīvuma un pusvadītāja veida ziņā, reakcijai jāpaliek nemainīgai, ja kontakta ģeometrija nemainās110.Staerz et al.111 ziņoja, ka SnO2-Cr2O3 serdes apvalka (CSN) nanošķiedru un slīpēto SnO2-Cr2O3 CSN noteikšanas raksturlielumi bija gandrīz identiski, kas liecina, ka nanošķiedras morfoloģija nepiedāvā nekādas priekšrocības.
Papildus dažādām ražošanas metodēm, divu dažādu MOSFET pusvadītāju tipi ietekmē arī sensora jutīgumu.To var iedalīt divās kategorijās atkarībā no tā, vai abiem MOSFET ir viena tipa pusvadītāji (nn vai pp savienojums) vai dažādi veidi (pn savienojums).Ja gāzes sensori ir balstīti uz tāda paša veida MOS kompozītmateriāliem, mainot divu MOS molāro attiecību, jutīguma reakcijas raksturlielums paliek nemainīgs, un sensora jutība mainās atkarībā no nn- vai pp-heterosavienojumu skaita.Ja kompozītmateriālā dominē viens komponents (piemēram, 0,9 ZnO-0,1 SnO2 vai 0,1 ZnO-0,9 SnO2), vadīšanas kanālu nosaka dominējošais MOS, ko sauc par homosavienojuma vadīšanas kanālu 92 .Ja abu komponentu attiecības ir salīdzināmas, tiek pieņemts, ka vadīšanas kanālā dominē heterosavienojums98,102.Yamazoe et al.112 113 ziņoja, ka abu komponentu heterokontakta reģions var ievērojami uzlabot sensora jutīgumu, jo heterosavienojuma barjera, kas veidojas komponentu atšķirīgo darbības funkciju dēļ, var efektīvi kontrolēt sensora novirzes mobilitāti, kas pakļauta elektroniem.Dažādas apkārtējās vides gāzes 112 113.Uz att.3.a attēlā parādīts, ka sensori, kuru pamatā ir SnO2-ZnO šķiedru hierarhiskas struktūras ar dažādu ZnO saturu (no 0 līdz 10 mol% Zn), var selektīvi noteikt etanolu.Tostarp sensors, kura pamatā ir SnO2-ZnO šķiedras (7 mol.% Zn), uzrādīja vislielāko jutību, jo veidojās liels skaits heterosavienojumu un palielinājās īpatnējais virsmas laukums, kas palielināja pārveidotāja darbību un uzlaboja jutība 90 Tomēr, vēl vairāk palielinot ZnO saturu līdz 10 mol%, mikrostruktūras SnO2-ZnO kompozīts var aptvert virsmas aktivācijas zonas un samazināt sensora jutību85.Līdzīga tendence vērojama arī sensoriem, kuru pamatā ir NiO-NiFe2O4 pp heterosavienojuma kompozītmateriāli ar dažādām Fe/Ni attiecībām (3.b att.)114.
SnO2-ZnO šķiedru (7 mol.% Zn) SEM attēli un sensora reakcija uz dažādām gāzēm ar koncentrāciju 100 ppm pie 260 °C;54b Sensoru reakcijas uz tīra NiO un NiO-NiFe2O4 kompozītmateriāliem pie 50 ppm dažādu gāzu, 260 °C;114 (c) Shematiska diagramma par mezglu skaitu xSnO2-(1-x)Co3O4 sastāvā un atbilstošām xSnO2-(1-x)Co3O4 sastāva pretestības un jutības reakcijām uz 10 ppm CO, acetona, C6H6 un SO2. gāze 350 °C temperatūrā, mainot Sn/Co 98 molāro attiecību
Pn-MOS kompozītmateriāliem ir atšķirīga jutība atkarībā no MOS115 atomu attiecības.Kopumā MOS kompozītu sensorā uzvedība ir ļoti atkarīga no tā, kurš MOS darbojas kā sensora primārais vadīšanas kanāls.Tāpēc ļoti svarīgi ir raksturot kompozītu procentuālo sastāvu un nanostruktūru.Kim et al.98 apstiprināja šo secinājumu, sintezējot virkni xSnO2 ± (1-x)Co3O4 kompozītu nanošķiedru ar elektrovērpšanu un pētot to sensoru īpašības.Viņi novēroja, ka SnO2-Co3O4 kompozītmateriāla sensora darbība mainījās no n-tipa uz p-tipu, samazinot SnO2 procentuālo daudzumu (3.c att.)98.Turklāt sensori, kuros dominē heterosavienojumi (pamatojoties uz 0,5 SnO2-0,5 Co3O4), uzrādīja augstākos pārraides ātrumus C6H6, salīdzinot ar homosavienojuma dominējošiem sensoriem (piemēram, ar augstu SnO2 vai Co3O4 sensoriem).0,5 SnO2-0,5 Co3O4 bāzes sensoram piemītošā augstā pretestība un tā lielākā spēja modulēt vispārējo sensora pretestību veicina tā augstāko jutību pret C6H6.Turklāt režģa neatbilstības defekti, kas rodas no SnO2-Co3O4 heterosaskarnēm, var radīt preferenciālas adsorbcijas vietas gāzes molekulām, tādējādi uzlabojot sensora reakciju109,116.
Papildus pusvadītāju tipa MOS MOS kompozītmateriālu pieskārienu var arī pielāgot, izmantojot MOS-117 ķīmiju.Huo et al.117 izmantoja vienkāršu mērcēšanas-cepšanas metodi, lai sagatavotu Co3O4-SnO2 kompozītmateriālus, un konstatēja, ka pie Co/Sn molārās attiecības 10%, sensors uzrādīja p-tipa noteikšanas reakciju uz H2 un n-veida jutību pret H2.atbildi.Sensora reakcija uz CO, H2S un NH3 gāzēm ir parādīta 4a117. attēlā.Pie zemām Co/Sn attiecībām pie SnO2±SnO2 nanograudu robežām veidojas daudz homosavienojumu, un tiem ir n-tipa sensora reakcija uz H2 (4.b,c att.)115.Palielinoties Co/Sn attiecībai līdz 10 mol.%, SnO2-SnO2 homosavienojumu vietā vienlaikus veidojās daudzi Co3O4-SnO2 heterosavienojumi (4.d att.).Tā kā Co3O4 ir neaktīvs attiecībā pret H2 un SnO2 spēcīgi reaģē ar H2, H2 reakcija ar jonu skābekļa veidiem galvenokārt notiek uz SnO2117 virsmas.Tāpēc elektroni pāriet uz SnO2 un Ef SnO2 pāriet uz vadīšanas joslu, bet Ef Co3O4 paliek nemainīgs.Rezultātā palielinās sensora pretestība, norādot, ka materiāliem ar augstu Co/Sn attiecību ir p-tipa sensora uzvedība (4.e attēls).Turpretim CO, H2S un NH3 gāzes reaģē ar jonu skābekļa sugām uz SnO2 un Co3O4 virsmām, un elektroni pārvietojas no gāzes uz sensoru, kā rezultātā samazinās barjeras augstums un n-tipa jutība (4.f att.)..Šī atšķirīgā sensora uzvedība ir saistīta ar atšķirīgo Co3O4 reaktivitāti ar dažādām gāzēm, ko vēl vairāk apstiprināja Yin et al.118 .Līdzīgi Katoch et al.119 parādīja, ka SnO2-ZnO kompozītmateriāliem ir laba selektivitāte un augsta jutība pret H2.Šāda uzvedība rodas tāpēc, ka H atomus var viegli adsorbēt ZnO O pozīcijās, pateicoties spēcīgai hibridizācijai starp H s-orbitāli un O p-orbitāli, kas noved pie ZnO120, 121 metalizācijas.
a Co/Sn-10% dinamiskās pretestības līknes tipiskām reducējošām gāzēm, piemēram, H2, CO, NH3 un H2S, b, c Co3O4/SnO2 saliktā sensora mehānisma diagramma H2 pie zema % m.Co/Sn, df Co3O4 H2 un CO, H2S un NH3 noteikšanas mehānisms ar augstu Co/Sn/SnO2 kompozītmateriālu
Tāpēc mēs varam uzlabot I tipa sensora jutību, izvēloties atbilstošas ražošanas metodes, samazinot kompozītmateriālu graudu izmēru un optimizējot MOS kompozītu molāro attiecību.Turklāt dziļa izpratne par jutīgā materiāla ķīmiju var vēl vairāk uzlabot sensora selektivitāti.
II tipa sensoru struktūras ir vēl viena populāra sensoru struktūra, kurā var izmantot dažādus neviendabīgus nanostrukturētus materiālus, tostarp vienu “galveno” nanomateriālu un otru vai pat trešo nanomateriālu.Piemēram, viendimensijas vai divdimensiju materiāli, kas dekorēti ar nanodaļiņām, kodola apvalka (CS) un daudzslāņu heteronanostrukturētiem materiāliem, parasti tiek izmantoti II tipa sensoru struktūrās, un tie tiks sīkāk aplūkoti turpmāk.
Pirmajam heteronanostruktūras materiālam (dekorēta heteronanostruktūra), kā parādīts 2.b (1) attēlā, sensora vadošie kanāli ir savienoti ar pamatmateriālu.Heterasavienojumu veidošanās dēļ modificētās nanodaļiņas var nodrošināt reaktīvākas vietas gāzes adsorbcijai vai desorbcijai, kā arī var darboties kā katalizatori, lai uzlabotu sensoru veiktspēju109,122,123,124.Yuan et al.41 atzīmēja, ka WO3 nanovadu dekorēšana ar CeO2 nanopunktiem var nodrošināt vairāk adsorbcijas vietu CeO2@WO3 heterointerfeisā un CeO2 virsmā un radīt vairāk ķīmiski sorbētu skābekļa veidu reakcijai ar acetonu.Gunawan et al.125. Piedāvāts īpaši augstas jutības acetona sensors, kura pamatā ir viendimensijas Au@α-Fe2O3, un ir novērots, ka sensora jutību kontrolē O2 molekulu kā skābekļa avota aktivizēšana.Au NP klātbūtne var darboties kā katalizators, kas veicina skābekļa molekulu disociāciju režģa skābeklī acetona oksidēšanai.Līdzīgus rezultātus ieguva Choi et al.9, kur tika izmantots Pt katalizators, lai adsorbētās skābekļa molekulas sadalītu jonizētās skābekļa sugās un uzlabotu jutīgo reakciju uz acetonu.2017. gadā tā pati pētnieku grupa pierādīja, ka bimetāla nanodaļiņas ir daudz efektīvākas katalīzē nekā atsevišķas cēlmetāla nanodaļiņas, kā parādīts 5126. attēlā. 5.a ir platīna bāzes bimetāla (PtM) NP ražošanas procesa shematiska shēma, izmantojot apoferritīna šūnas ar vidējais izmērs ir mazāks par 3 nm.Pēc tam, izmantojot elektrovērpšanas metodi, tika iegūtas PtM@WO3 nanošķiedras, lai palielinātu jutību un selektivitāti pret acetonu vai H2S (5.b–g att.).Nesen viena atoma katalizatori (SAC) ir uzrādījuši izcilu katalītisku veiktspēju katalīzes un gāzes analīzes jomā, pateicoties atomu un noregulētu elektronisko struktūru izmantošanas maksimālajai efektivitātei127, 128.Šīns et al.129 izmantoja Pt-SA noenkurotu oglekļa nitrīdu (MCN), SnCl2 un PVP nanoloksnes kā ķīmiskus avotus, lai sagatavotu Pt@MCN@SnO2 iekšējās šķiedras gāzes noteikšanai.Neskatoties uz ļoti zemo Pt@MCN saturu (no 0,13 mas.% līdz 0.68 mas.%), gāzveida formaldehīda Pt@MCN@SnO2 noteikšanas veiktspēja ir labāka nekā citiem standartparaugiem (tīrs SnO2, MCN@SnO2 un Pt NPs@). SnO2)..Šo lielisko noteikšanas veiktspēju var saistīt ar Pt SA katalizatora maksimālo atomu efektivitāti un SnO2129 aktīvo vietu minimālo pārklājumu.
Apoferritīna iekapsulēšanas metode PtM-apo (PtPd, PtRh, PtNi) nanodaļiņu iegūšanai;bd neskarto WO3, PtPd@WO3, PtRn@WO3 un Pt-NiO@WO3 nanošķiedru dinamiskās gāzjutības īpašības;pamatojoties, piemēram, uz PtPd@WO3, PtRn@WO3 un Pt-NiO@WO3 nanošķiedras sensoru selektivitātes īpašībām līdz 1 ppm traucējošas gāzes 126
Turklāt heterojunkcijas, kas veidojas starp sastatņu materiāliem un nanodaļiņām, var arī efektīvi modulēt vadīšanas kanālus, izmantojot radiālās modulācijas mehānismu, lai uzlabotu sensora veiktspēju130, 131, 132.Uz att.6.a attēlā parādīti tīru SnO2 un Cr2O3@SnO2 nanovadu sensoru raksturlielumi gāzu reducēšanai un oksidēšanai un atbilstošie sensoru mehānismi131.Salīdzinot ar tīriem SnO2 nanovadiem, Cr2O3@SnO2 nanovadu reakcija uz reducējošām gāzēm ir ievērojami uzlabota, savukārt reakcija uz oksidējošām gāzēm ir pasliktināta.Šīs parādības ir cieši saistītas ar SnO2 nanovadu vadīšanas kanālu lokālo palēninājumu izveidotās pn heterosavienojuma radiālajā virzienā.Sensora pretestību var vienkārši noregulēt, mainot EDL platumu uz tīra SnO2 nanovadu virsmas pēc reducējošu un oksidējošu gāzu iedarbības.Tomēr Cr2O3@SnO2 nanovadiem SnO2 nanovadu sākotnējais DEL gaisā ir palielināts, salīdzinot ar tīriem SnO2 nanovadiem, un vadīšanas kanāls tiek nomākts heterosavienojuma veidošanās dēļ.Tāpēc, kad sensors tiek pakļauts reducējošai gāzei, iesprostotie elektroni tiek atbrīvoti SnO2 nanovados un EDL tiek krasi samazināts, kā rezultātā jutība ir augstāka nekā tīriem SnO2 nanovadiem.Un otrādi, pārejot uz oksidējošu gāzi, DEL izplešanās ir ierobežota, kā rezultātā ir zema jutība.Līdzīgus sensoro reakciju rezultātus novēroja Choi et al., 133, kurā SnO2 nanovadi, kas dekorēti ar p-tipa WO3 nanodaļiņām, uzrādīja ievērojami uzlabotu sensoro reakciju uz reducējošām gāzēm, savukārt n-dekorētiem SnO2 sensoriem bija uzlabota jutība pret oksidējošām gāzēm.TiO2 nanodaļiņas (6.b att.) 133. Šis rezultāts galvenokārt ir saistīts ar SnO2 un MOS (TiO2 vai WO3) nanodaļiņu dažādajām darba funkcijām.P-tipa (n-tipa) nanodaļiņās karkasa materiāla (SnO2) vadītspējas kanāls izplešas (vai saraujas) radiālā virzienā un pēc tam reducēšanas (vai oksidācijas) rezultātā tālāk izplešas (vai saīsinās) SnO2 vadīšanas kanāla – rib ) gāzes (6.b att.).
Radiālās modulācijas mehānisms, ko izraisa modificēts LF MOS.a Gāzes reakciju kopsavilkums uz 10 ppm reducējošām un oksidējošām gāzēm, pamatojoties uz tīriem SnO2 un Cr2O3@SnO2 nanovadiem un atbilstošām sensoru mehānismu shematiskām diagrammām;un atbilstošās WO3@SnO2 nanostieņu shēmas un noteikšanas mehānisms133
Divslāņu un daudzslāņu heterostruktūras ierīcēs ierīces vadītspējas kanālā dominē slānis (parasti apakšējais slānis), kas ir tiešā saskarē ar elektrodiem, un heterosavienojums, kas veidojas abu slāņu saskarnē, var kontrolēt apakšējā slāņa vadītspēju. .Tāpēc, kad gāzes mijiedarbojas ar augšējo slāni, tās var būtiski ietekmēt apakšējā slāņa vadīšanas kanālus un ierīces pretestību 134.Piemēram, Kumar et al.77 ziņoja par pretējo TiO2@NiO un NiO@TiO2 dubulto slāņu uzvedību NH3.Šī atšķirība rodas tāpēc, ka divu sensoru vadīšanas kanāli dominē dažādu materiālu slāņos (attiecīgi NiO un TiO2), un tad pamatā esošo vadīšanas kanālu variācijas ir atšķirīgas77.
Divslāņu vai daudzslāņu heteronanostruktūras parasti ražo ar izsmidzināšanu, atomu slāņa nogulsnēšanos (ALD) un centrifugēšanu56,70,134,135,136.Abu materiālu plēves biezumu un saskares laukumu var labi kontrolēt.7.a un b attēlā parādītas NiO@SnO2 un Ga2O3@WO3 nanoplēves, kas iegūtas ar izsmidzināšanu etanola noteikšanai135,137.Tomēr šīs metodes parasti rada plakanas plēves, un šīs plakanas plēves ir mazāk jutīgas nekā 3D nanostrukturēti materiāli to zemā īpatnējās virsmas un gāzes caurlaidības dēļ.Tāpēc ir ierosināta arī šķidrās fāzes stratēģija divslāņu plēvju izgatavošanai ar dažādām hierarhijām, lai uzlabotu uztveres veiktspēju, palielinot īpatnējo virsmas laukumu 41, 52, 138.Zhu et al139 apvienoja izsmidzināšanas un hidrotermiskās metodes, lai H2S noteikšanai ražotu ļoti sakārtotus ZnO nanovadus pār SnO2 nanovadiem (ZnO@SnO2 nanovadiem) (7.c att.).Tā reakcija uz 1 ppm H2S ir 1,6 reizes augstāka nekā sensoram, kura pamatā ir izsmidzinātās ZnO@SnO2 nanofilmas.Liu et al.52 ziņoja par augstas veiktspējas H2S sensoru, izmantojot divpakāpju in situ ķīmiskās pārklāšanas metodi, lai izveidotu hierarhiskas SnO2@NiO nanostruktūras, kam sekoja termiskā atkausēšana (10.d attēls).Salīdzinot ar parastajām izsmidzinātajām SnO @ NiO divslāņu plēvēm, SnO @ NiO hierarhiskās divslāņu struktūras jutīguma veiktspēja ir ievērojami uzlabota, jo palielinās īpatnējais virsmas laukums52 137.
Divslāņu gāzes sensors, kura pamatā ir MOS.NiO@SnO2 nanofilma etanola noteikšanai;137b Ga2O3@WO3 nanofilma etanola noteikšanai;135c ļoti sakārtota SnO2@ZnO divslāņu hierarhiskā struktūra H2S noteikšanai;139d SnO2@NiO divslāņu hierarhiskā struktūra H2S52 noteikšanai.
II tipa ierīcēs, kuru pamatā ir kodola apvalka heteronanostruktūras (CSHN), sensora mehānisms ir sarežģītāks, jo vadīšanas kanāli neaprobežojas tikai ar iekšējo apvalku.Gan ražošanas ceļš, gan iepakojuma biezums (hs) var noteikt vadošo kanālu atrašanās vietu.Piemēram, izmantojot augšupējas sintēzes metodes, vadītspējas kanāli parasti tiek ierobežoti līdz iekšējam serdenim, kas pēc struktūras ir līdzīgs divslāņu vai daudzslāņu ierīču struktūrām (2.b att.(3)) 123, 140, 141, 142, 143. Xu et al.144 ziņoja par augšupēju pieeju CSHN NiO@α-Fe2O3 un CuO@α-Fe2O3 iegūšanai, uzklājot NiO vai CuO NP slāni uz α-Fe2O3 nanostieņiem, kuros vadīšanas kanālu ierobežoja centrālā daļa.(nanorodi α-Fe2O3).Liu et al.142 arī izdevās ierobežot vadīšanas kanālu līdz galvenajai CSHN TiO2 @ Si daļai, uzklājot TiO2 uz sagatavotiem silīcija nanovadu blokiem.Tāpēc tā sensora uzvedība (p-tipa vai n-tipa) ir atkarīga tikai no silīcija nanovada pusvadītāja tipa.
Tomēr lielākā daļa ziņoto uz CSHN balstītu sensoru (2.b att. (4)) tika izgatavoti, pārnesot sintezētā CS materiāla pulverus uz mikroshēmām.Šajā gadījumā sensora vadīšanas ceļu ietekmē korpusa biezums (hs).Kima grupa pētīja hs ietekmi uz gāzes noteikšanas veiktspēju un ierosināja iespējamo noteikšanas mehānismu100,112,145,146,147,148. Tiek uzskatīts, ka šīs struktūras sensora mehānismu veicina divi faktori: (1) apvalka EDL radiālā modulācija un (2) elektriskā lauka smērēšanās efekts (8. att.) 145. Pētnieki minēja, ka vadīšanas kanāls no nesējiem lielākoties aprobežojas ar čaulas slāni, kad apvalka slāņa hs > λD145. Tiek uzskatīts, ka šīs struktūras sensora mehānismu veicina divi faktori: (1) apvalka EDL radiālā modulācija un (2) elektriskā lauka smērēšanās efekts (8. att.) 145. Pētnieki minēja, ka vadīšanas kanāls no nesējiem lielākoties aprobežojas ar čaulas slāni, kad apvalka slāņa hs > λD145. 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. Tiek uzskatīts, ka šīs struktūras uztveres mehānismā ir iesaistīti divi faktori: (1) korpusa EDL radiālā modulācija un (2) elektriskā lauka izplūšanas efekts (8. att.) 145. Pētnieki atzīmēja, ka nesēja vadīšanas kanāls galvenokārt ir ierobežots ar apvalku, kad hs > λD apvalki145.Tiek uzskatīts, ka šīs struktūras noteikšanas mehānismu veicina divi faktori: (1) apvalka DEL radiālā modulācija un (2) elektriskā lauka smērēšanās efekts (8. att.) 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倳 > 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. носителей вогора Pētnieki atzīmēja, ka vadītspējas kanāls Kad apvalka hs > λD145, nesēju skaitu galvenokārt ierobežo apvalks.Tāpēc sensora rezistīvajā modulācijā, kuras pamatā ir CSHN, dominē apšuvuma DEL radiālā modulācija (8.a att.).Tomēr, ja apvalka hs ≤ λD, skābekļa daļiņas, kuras adsorbē apvalks, un heterosavienojums, kas veidojas CS heterosavienojumā, ir pilnībā iztukšots no elektroniem. Tāpēc vadīšanas kanāls atrodas ne tikai apvalka slāņa iekšpusē, bet arī daļēji serdes daļā, it īpaši, ja apvalka slāņa hs < λD. Tāpēc vadīšanas kanāls atrodas ne tikai apvalka slāņa iekšpusē, bet arī daļēji serdes daļā, it īpaši, ja apvalka slāņa hs < λD. Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочечного слоя, но и частично в сердцевинной Tāpēc vadīšanas kanāls atrodas ne tikai čaulas slāņa iekšpusē, bet arī daļēji serdes daļā, īpaši pie čaulas slāņa hs < λD.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s层皀此，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s层皀 hs < λD 时. Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочки, но и частично в сердцевине, осаприсно. Tāpēc vadīšanas kanāls atrodas ne tikai čaulas iekšpusē, bet arī daļēji kodolā, īpaši pie čaulas hs < λD.Šajā gadījumā gan pilnībā noplicinātais elektronu apvalks, gan daļēji noplicinātais serdes slānis palīdz modulēt visa CSHN pretestību, kā rezultātā rodas elektriskā lauka astes efekts (8.b att.).Dažos citos pētījumos ir izmantota EDL tilpuma daļas koncepcija, nevis elektriskā lauka aste, lai analizētu hs efektu100 148.Ņemot vērā šos divus ieguldījumus, kopējā CSHN pretestības modulācija sasniedz savu lielāko vērtību, kad hs ir salīdzināms ar apvalku λD, kā parādīts 8.c attēlā.Tāpēc CSHN optimālais hs var būt tuvu apvalkam λD, kas atbilst eksperimentālajiem novērojumiem 99, 144, 145, 146, 149.Vairāki pētījumi ir parādījuši, ka hs var ietekmēt arī uz CSHN balstītu pn-heterojunction sensoru jutīgumu 40, 148.Li et al.148 un Bai et al.40 sistemātiski pētīja hs ietekmi uz pn-heterojunction CSHN sensoru, piemēram, TiO2@CuO un ZnO@NiO, veiktspēju, mainot apvalka ALD ciklu.Rezultātā maņu uzvedība mainījās no p-tipa uz n-tipu, palielinoties hs40,148.Šāda uzvedība ir saistīta ar faktu, ka sākotnēji (ar ierobežotu ALD ciklu skaitu) heterostruktūras var uzskatīt par modificētām heteronanostruktūrām.Tādējādi vadīšanas kanālu ierobežo serdes slānis (p-tipa MOSFET), un sensoram ir p-tipa noteikšanas uzvedība.Palielinoties ALD ciklu skaitam, apšuvuma slānis (n-tipa MOSFET) kļūst gandrīz nepārtraukts un darbojas kā vadīšanas kanāls, kā rezultātā rodas n-veida jutība.Ir ziņots par līdzīgu sensoro pāreju uz pn sazarotām heteronanostruktūrām 150 151 .Džou et al.150 pētīja Zn2SnO4@Mn3O4 sazaroto heteronanostruktūru jutīgumu, kontrolējot Zn2SnO4 saturu uz Mn3O4 nanovadu virsmas.Kad uz Mn3O4 virsmas veidojās Zn2SnO4 kodoli, tika novērota p veida jutība.Turpinot palielināt Zn2SnO4 saturu, sensors, kura pamatā ir sazarotās Zn2SnO4@Mn3O4 heteronanostruktūras, pārslēdzas uz n-tipa sensora uzvedību.
Parādīts CS nanovadu divu funkcionālo sensoru mehānisma konceptuāls apraksts.a Pretestības modulācija elektronu noplicinātu apvalku radiālās modulācijas dēļ, b smērēšanās negatīvā ietekme uz pretestības modulāciju un c CS nanovadu kopējā pretestības modulācija abu efektu kombinācijas dēļ 40
Noslēgumā jāsaka, ka II tipa sensori ietver daudzas dažādas hierarhiskas nanostruktūras, un sensoru veiktspēja ir ļoti atkarīga no vadošo kanālu izvietojuma.Tāpēc ir ļoti svarīgi kontrolēt sensora vadīšanas kanāla stāvokli un izmantot piemērotu heteronanostrukturētu MOS modeli, lai izpētītu II tipa sensoru paplašināto sensoru mehānismu.
III tipa sensoru struktūras nav ļoti izplatītas, un vadīšanas kanāls ir balstīts uz heterosavienojumu, kas izveidots starp diviem pusvadītājiem, kas savienoti attiecīgi ar diviem elektrodiem.Unikālas ierīču struktūras parasti tiek iegūtas, izmantojot mikroapstrādes metodes, un to uztveršanas mehānismi ļoti atšķiras no iepriekšējām divām sensoru struktūrām.III tipa sensora IV līknei parasti ir raksturīgas rektifikācijas īpašības heterosavienojuma veidošanās dēļ48,152,153.Ideālas heterosavienojuma I–V raksturlīkni var aprakstīt ar elektronu emisijas termisko mehānismu virs heterosavienojuma barjeras augstuma152, 154, 155.
kur Va ir nobīdes spriegums, A ir ierīces laukums, k ir Bolcmana konstante, T ir absolūtā temperatūra, q ir nesēja lādiņš, Jn un Jp ir attiecīgi cauruma un elektronu difūzijas strāvas blīvumi.IS ir apgrieztā piesātinājuma strāva, kas definēta kā: 152,154,155
Tāpēc pn heterosavienojuma kopējā strāva ir atkarīga no lādiņnesēju koncentrācijas izmaiņām un heterosavienojuma barjeras augstuma izmaiņām, kā parādīts vienādojumos (3) un (4) 156
kur nn0 un pp0 ir elektronu (caurumu) koncentrācija n-tipa (p-tipa) MOS, \(V_{bi}^0\) ir iebūvētais potenciāls, Dp (Dn) ir difūzijas koeficients elektroni (caurumi), Ln (Lp ) ir elektronu (caurumu) difūzijas garums, ΔEv (ΔEc) ir valences joslas (vadības joslas) enerģijas nobīde heterosavienojumā.Lai gan strāvas blīvums ir proporcionāls nesēja blīvumam, tas ir eksponenciāli apgriezti proporcionāls \(V_{bi}^0\).Tāpēc kopējās strāvas blīvuma izmaiņas ir ļoti atkarīgas no heterosavienojuma barjeras augstuma modulācijas.
Kā minēts iepriekš, hetero-nanostrukturētu MOSFET (piemēram, I un II tipa ierīču) izveide var ievērojami uzlabot sensora, nevis atsevišķu komponentu veiktspēju.Un III tipa ierīcēm heteronanostruktūras reakcija var būt lielāka par diviem komponentiem48,153 vai augstāka par vienu komponentu76 atkarībā no materiāla ķīmiskā sastāva.Vairāki ziņojumi liecina, ka heteronanostruktūru reakcija ir daudz augstāka nekā viena komponenta reakcija, ja viena no sastāvdaļām ir nejutīga pret mērķa gāzi 48, 75, 76, 153.Šajā gadījumā mērķa gāze mijiedarbosies tikai ar jutīgo slāni un izraisīs jutīgā slāņa nobīdi Ef un heterosavienojuma barjeras augstuma izmaiņas.Tad ierīces kopējā strāva būtiski mainīsies, jo saskaņā ar vienādojumu tā ir apgriezti saistīta ar heterosavienojuma barjeras augstumu.(3) un (4) 48,76,153.Tomēr, ja gan n-tipa, gan p-tipa komponenti ir jutīgi pret mērķa gāzi, noteikšanas veiktspēja var būt kaut kur pa vidu.José et al.76 izveidoja porainu NiO/SnO2 plēves NO2 sensoru, izsmidzinot, un konstatēja, ka sensora jutība bija tikai augstāka nekā sensoram, kura pamatā ir NiO, bet zemāka nekā sensoram, kura pamatā ir SnO2.sensors.Šī parādība ir saistīta ar faktu, ka SnO2 un NiO uzrāda pretēju reakciju pret NO276.Turklāt, tā kā abiem komponentiem ir atšķirīga gāzes jutība, tiem var būt vienāda tendence noteikt oksidējošās un reducējošās gāzes.Piemēram, Kwon et al.157 ierosināja NiO/SnO2 pn-heterosavienojuma gāzes sensoru ar slīpu izsmidzināšanu, kā parādīts 9.a attēlā.Interesanti, ka NiO/SnO2 pn-heterosavienojuma sensors uzrādīja tādu pašu jutīguma tendenci attiecībā uz H2 un NO2 (9.a att.).Lai atrisinātu šo rezultātu, Kwon et al.157 sistemātiski pētīja, kā NO2 un H2 maina nesēju koncentrāciju, un noregulēja abu materiālu \(V_{bi}^0\), izmantojot IV raksturlielumus un datorsimulācijas (9.bd att.).9.b un c attēli parāda H2 un NO2 spēju mainīt sensoru nesēja blīvumu, pamatojoties uz attiecīgi p-NiO (pp0) un n-SnO2 (nn0).Tie parādīja, ka p-tipa NiO pp0 nedaudz mainījās NO2 vidē, bet krasi mainījās H2 vidē (9.b att.).Taču n-tipa SnO2 nn0 uzvedas pretēji (9.c att.).Pamatojoties uz šiem rezultātiem, autori secināja, ka tad, kad sensoram tika uzlikts H2, pamatojoties uz NiO/SnO2 pn heterosavienojumu, nn0 palielināšanās izraisīja Jn palielināšanos, un \(V_{bi}^0\) atbildes reakcijas samazināšanās (9.d attēls).Pēc NO2 iedarbības gan liels nn0 samazinājums SnO2, gan neliels pp0 pieaugums NiO izraisa lielu \(V_{bi}^0\) samazināšanos, kas nodrošina sensorās reakcijas palielināšanos (9.d att. ) 157 Noslēgumā jāsaka, ka nesēju un \(V_{bi}^0\) koncentrācijas izmaiņas izraisa kopējās strāvas izmaiņas, kas vēl vairāk ietekmē noteikšanas spēju.
Gāzes sensora sensora mehānisms ir balstīts uz III tipa ierīces struktūru.Skenējošās elektronu mikroskopijas (SEM) šķērsgriezuma attēli, p-NiO/n-SnO2 nanospoles ierīce un p-NiO/n-SnO2 nanospoles heterosavienojuma sensora sensora īpašības pie 200°C H2 un NO2;b , c-ierīces šķērsgriezuma SEM un simulācijas rezultāti ierīcei ar p-NiO b-slāni un n-SnO2 c-slāni.b p-NiO sensors un c n-SnO2 sensors mēra un saskaņo I–V raksturlielumus sausā gaisā un pēc H2 un NO2 iedarbības.Izmantojot Sentaurus TCAD programmatūru, tika modelēta divdimensiju b-caurumu blīvuma karte p-NiO un c-elektronu karte n-SnO2 slānī ar krāsu skalu.d Simulācijas rezultāti, kas parāda p-NiO/n-SnO2 3D karti sausā gaisā, H2 un NO2157 vidē.
Papildus paša materiāla ķīmiskajām īpašībām, III tipa ierīces uzbūve demonstrē iespēju izveidot pašdarbināmus gāzes sensorus, kas nav iespējams ar I un II tipa ierīcēm.Sakarā ar to raksturīgo elektrisko lauku (BEF), pn heterosavienojuma diožu struktūras parasti tiek izmantotas, lai izveidotu fotoelektriskās ierīces un parādītu potenciālu pašapkalpošanās fotoelektrisko gāzes sensoru izgatavošanai istabas temperatūrā apgaismojumā74, 158, 159, 160, 161.BEF heterointerfeisā, ko izraisa materiālu Fermi līmeņu atšķirības, arī veicina elektronu caurumu pāru atdalīšanu.Pašbarojama fotoelektriskā gāzes sensora priekšrocība ir tā zemais enerģijas patēriņš, jo tas var absorbēt apgaismojošās gaismas enerģiju un pēc tam vadīt sevi vai citas miniatūras ierīces, neizmantojot ārēju strāvas avotu.Piemēram, Tanuma un Sugiyama162 ir izgatavojuši NiO / ZnO pn heterosavienojumus kā saules baterijas, lai aktivizētu uz SnO2 balstītus polikristāliskos CO2 sensorus.Gads et al.74 ziņoja par pašenerģisku fotoelektrisko gāzes sensoru, kura pamatā ir Si/ZnO@CdS pn heterosavienojums, kā parādīts 10.a attēlā.Vertikāli orientēti ZnO nanovadi tika audzēti tieši uz p-tipa silīcija substrātiem, veidojot Si / ZnO pn heterosavienojumus.Pēc tam CdS nanodaļiņas tika modificētas uz ZnO nanovadu virsmas, ķīmiski modificējot virsmu.Uz att.10a parāda bezsaistes Si/ZnO@CdS sensora reakcijas rezultātus attiecībā uz O2 un etanolu.Apgaismojumā atvērtās ķēdes spriegums (Voc), kas rodas elektronu caurumu pāru atdalīšanas dēļ BEP laikā Si / ZnO heterointerfeisā, lineāri palielinās ar pievienoto diožu skaitu 74 161.Voc var attēlot ar vienādojumu.(5) 156,
kur ND, NA un Ni ir attiecīgi donoru, akceptoru un iekšējo nesēju koncentrācijas, un k, T un q ir tie paši parametri, kas iepriekšējā vienādojumā.Saskaroties ar oksidējošām gāzēm, tie ekstrahē elektronus no ZnO nanovadiem, kas noved pie \(N_D^{ZnO}\) un Voc samazināšanās.Un otrādi, gāzes samazināšana izraisīja Voc palielināšanos (10.a attēls).Dekorējot ZnO ar CdS nanodaļiņām, foto ierosinātie elektroni CdS nanodaļiņās tiek ievadīti ZnO vadīšanas joslā un mijiedarbojas ar adsorbēto gāzi, tādējādi palielinot uztveres efektivitāti74 160.Par līdzīgu pašdarbināmu fotoelektrisko gāzes sensoru, kura pamatā ir Si / ZnO, ziņoja Hoffmann et al.160, 161 (10.b att.).Šo sensoru var sagatavot, izmantojot virkni ar amīnu funkcionalizētu ZnO nanodaļiņu ([3-(2-aminoetilamino)propil]trimetoksisilāna) (aminofunkcionalizēts-SAM) un tiolu ((3-merkaptopropil)-funkcionalizēts, lai pielāgotu darba funkciju mērķa gāzes NO2 selektīvai noteikšanai (trimetoksisilāns) (tiolfunkcionalizēts-SAM)) (10.b att.) 74,161.
Pašbarojams fotoelektrisks gāzes sensors, kura pamatā ir III tipa ierīces struktūra.pašdarbināms fotoelementu gāzes sensors, kura pamatā ir Si/ZnO@CdS, pašdarbināms sensora mehānisms un sensora reakcija uz oksidētām (O2) un reducētām (1000 ppm etanola) gāzēm saules gaismā;74b Pašbarojams fotoelektriskais gāzes sensors, kura pamatā ir Si ZnO/ZnO sensori un sensoru reakcija uz dažādām gāzēm pēc ZnO SAM funkcionalizācijas ar gala amīniem un tioliem 161
Tāpēc, apspriežot III tipa sensoru jutīgo mehānismu, ir svarīgi noteikt heterosavienojuma barjeras augstuma izmaiņas un gāzes spēju ietekmēt nesēja koncentrāciju.Turklāt apgaismojums var radīt fotoģenerētus nesējus, kas reaģē ar gāzēm, kas ir daudzsološi pašpietiekamas gāzes noteikšanai.
Kā minēts šajā literatūras pārskatā, ir izgatavotas daudzas dažādas MOS heteronanostruktūras, lai uzlabotu sensora veiktspēju.Web of Science datubāzē tika meklēti dažādi atslēgvārdi (metāla oksīdu kompozītmateriāli, serdes-apvalku metālu oksīdi, slāņveida metālu oksīdi un pašpiedziņas gāzes analizatori), kā arī raksturīgās īpašības (pārpilnība, jutība/selektivitāte, elektroenerģijas ražošanas potenciāls, ražošana). .Metode Trīs no šīm trim ierīcēm raksturlielumi ir parādīti 2. tabulā. Augstas veiktspējas gāzes sensoru vispārējā konstrukcijas koncepcija ir apspriesta, analizējot trīs galvenos Yamazoe ierosinātos faktorus.MOS heterostruktūras sensoru mehānismi Lai izprastu gāzes sensorus ietekmējošos faktorus, ir rūpīgi izpētīti dažādi MOS parametri (piem., graudu izmērs, darba temperatūra, defektu un skābekļa vakances blīvums, atvērtās kristāla plaknes).Ierīces struktūra, kas arī ir būtiska sensora uztveršanas uzvedībai, ir atstāta novārtā un reti apspriesta.Šajā pārskatā ir aplūkoti trīs tipisku ierīču struktūras veidu noteikšanas mehānismi.
Graudu izmēra struktūra, ražošanas metode un sensora materiāla heterosavienojumu skaits I tipa sensorā var ievērojami ietekmēt sensora jutīgumu.Turklāt sensora darbību ietekmē arī komponentu molārā attiecība.II tipa ierīču struktūras (dekoratīvās heteronanostruktūras, divslāņu vai daudzslāņu plēves, HSSN) ir vispopulārākās ierīču struktūras, kas sastāv no diviem vai vairākiem komponentiem, un tikai viens komponents ir savienots ar elektrodu.Šai ierīces struktūrai uztveres mehānisma izpētē ir ļoti svarīgi noteikt vadīšanas kanālu atrašanās vietu un to relatīvās izmaiņas.Tā kā II tipa ierīces ietver daudzas dažādas hierarhiskas heteronanostruktūras, ir ierosināti daudzi dažādi sensoru mehānismi.III tipa sensorajā struktūrā vadīšanas kanālā dominē heterosavienojumā izveidots heterosavienojums, un uztveres mehānisms ir pilnīgi atšķirīgs.Tāpēc ir svarīgi noteikt heterosavienojuma barjeras augstuma izmaiņas pēc mērķa gāzes pakļaušanas III tipa sensoram.Izmantojot šo konstrukciju, var izveidot pašbarojamus fotoelektriskos gāzes sensorus, lai samazinātu enerģijas patēriņu.Tomēr, tā kā pašreizējais ražošanas process ir diezgan sarežģīts un jutība ir daudz zemāka nekā tradicionālajiem uz MOS balstītiem ķīmiski pretestības gāzes sensoriem, pašdarbināmo gāzes sensoru izpētē joprojām ir liels progress.
Galvenās priekšrocības gāzes MOS sensoriem ar hierarhiskām heteronanostruktūrām ir ātrums un lielāka jutība.Tomēr dažas galvenās MOS gāzes sensoru problēmas (piemēram, augsta darba temperatūra, ilgtermiņa stabilitāte, slikta selektivitāte un reproducējamība, mitruma ietekme utt.) joprojām pastāv, un tās ir jārisina, pirms tos var izmantot praktiskos lietojumos.Mūsdienu MOS gāzes sensori parasti darbojas augstā temperatūrā un patērē daudz enerģijas, kas ietekmē sensora ilgtermiņa stabilitāti.Šīs problēmas risināšanai ir divas izplatītas pieejas: (1) mazjaudas sensoru mikroshēmu izstrāde;(2) jaunu jutīgu materiālu izstrāde, kas var darboties zemā temperatūrā vai pat istabas temperatūrā.Viena pieeja mazjaudas sensoru mikroshēmu izstrādei ir sensora izmēra samazināšana, izgatavojot mikrosildīšanas plāksnes, kuru pamatā ir keramika un silīcijs163.Keramikas bāzes mikrosildīšanas plāksnes patērē aptuveni 50–70 mV uz vienu sensoru, savukārt optimizētas silīcija bāzes mikrosildīšanas plāksnes var patērēt tikai 2 mW uz vienu sensoru, nepārtraukti darbojoties 300 °C temperatūrā163,164.Jaunu sensoru materiālu izstrāde ir efektīvs veids, kā samazināt enerģijas patēriņu, pazeminot darba temperatūru, kā arī var uzlabot sensora stabilitāti.Tā kā MOS izmērs turpina samazināties, lai palielinātu sensora jutību, MOS termiskā stabilitāte kļūst par lielāku izaicinājumu, kas var izraisīt sensora signāla novirzi165.Turklāt augsta temperatūra veicina materiālu difūziju heterointerfeisā un jauktu fāžu veidošanos, kas ietekmē sensora elektroniskās īpašības.Pētnieki ziņo, ka sensora optimālo darba temperatūru var samazināt, izvēloties piemērotus sensora materiālus un izstrādājot MOS heteronanostruktūras.Vēl viena daudzsološa pieeja stabilitātes uzlabošanai ir zemas temperatūras metodes meklēšana ļoti kristālisku MOS heteronanostruktūru izgatavošanai.
MOS sensoru selektivitāte ir vēl viens praktisks jautājums, jo dažādas gāzes pastāv līdzās mērķa gāzei, savukārt MOS sensori bieži ir jutīgi pret vairāk nekā vienu gāzi un bieži uzrāda krustenisku jutību.Tāpēc praktiskos lietojumos ir ļoti svarīgi palielināt sensora selektivitāti pret mērķa gāzi, kā arī citām gāzēm.Dažu pēdējo desmitgažu laikā šī izvēle ir daļēji risināta, veidojot gāzes sensoru blokus, ko sauc par "elektroniskajiem deguniem (E-nose)" kombinācijā ar skaitļošanas analīzes algoritmiem, piemēram, apmācības vektora kvantēšanu (LVQ), galveno komponentu analīzi (PCA), utt e.Seksuālās problēmas.Daļēji mazākie kvadrāti (PLS) utt. 31, 32, 33, 34. Divi galvenie faktori (sensoru skaits, kas ir cieši saistīts ar sensora materiāla veidu, un skaitļošanas analīze) ir būtiski, lai uzlabotu elektronisko degunu spēju. lai identificētu gāzes169.Tomēr, lai palielinātu sensoru skaitu, parasti ir nepieciešami daudzi sarežģīti ražošanas procesi, tāpēc ir ļoti svarīgi atrast vienkāršu metodi elektronisko degunu veiktspējas uzlabošanai.Turklāt MOS modificēšana ar citiem materiāliem var arī palielināt sensora selektivitāti.Piemēram, selektīvu H2 noteikšanu var panākt, pateicoties labajai MOS katalītiskajai aktivitātei, kas modificēta ar NP Pd.Pēdējos gados daži pētnieki ir pārklājuši MOS MOF virsmu, lai uzlabotu sensora selektivitāti, izslēdzot izmēru171 172.Iedvesmojoties no šī darba, materiālu funkcionalizācija var kaut kā atrisināt selektivitātes problēmu.Tomēr, izvēloties pareizo materiālu, vēl ir daudz jāstrādā.
To sensoru raksturlielumu atkārtojamība, kas ražoti ar tādiem pašiem nosacījumiem un metodēm, ir vēl viena svarīga prasība liela mēroga ražošanai un praktiskiem lietojumiem.Parasti centrifugēšanas un iegremdēšanas metodes ir zemu izmaksu metodes augstas caurlaidības gāzes sensoru izgatavošanai.Tomēr šo procesu laikā jutīgajam materiālam ir tendence agregēties, un attiecības starp jutīgo materiālu un substrātu kļūst vājas68, 138, 168. Rezultātā sensora jutīgums un stabilitāte ievērojami pasliktinās, un veiktspēja kļūst reproducējama.Citas ražošanas metodes, piemēram, izsmidzināšana, ALD, impulsa lāzera pārklāšana (PLD) un fizikālā tvaiku pārklāšana (PVD), ļauj ražot divslāņu vai daudzslāņu MOS plēves tieši uz rakstainiem silīcija vai alumīnija oksīda substrātiem.Šīs metodes ļauj izvairīties no jutīgu materiālu uzkrāšanās, nodrošina sensoru reproducējamību un parāda plakanu plānslāņa sensoru liela mēroga ražošanas iespējamību.Tomēr šo plakano plēvju jutība parasti ir daudz zemāka nekā 3D nanostrukturētiem materiāliem to mazā īpatnējās virsmas un zemās gāzes caurlaidības dēļ41, 174.Jaunas stratēģijas MOS heteronanostruktūru audzēšanai noteiktās vietās uz strukturētiem mikromasīviem un precīzai jutīgu materiālu izmēra, biezuma un morfoloģijas kontrolei ir būtiskas vafeļu līmeņa sensoru ar augstu reproducējamību un jutīgumu zemu izmaksu izgatavošanai.Piemēram, Liu et al.174 ierosināja kombinētu lejupejošu un augšupēju stratēģiju augstas caurlaidības kristalītu ražošanai, audzējot in situ Ni (OH) 2 nanosienas noteiktās vietās..Vafeles mikrodegļiem.
Turklāt ir svarīgi ņemt vērā arī mitruma ietekmi uz sensoru praktiskos lietojumos.Ūdens molekulas var konkurēt ar skābekļa molekulām par adsorbcijas vietām sensora materiālos un ietekmēt sensora atbildību par mērķa gāzi.Tāpat kā skābeklis, ūdens darbojas kā molekula, izmantojot fizisku sorbciju, un ķīmiskās sorbcijas ceļā var pastāvēt arī hidroksilgrupu vai hidroksilgrupu veidā dažādās oksidācijas stacijās.Turklāt augstā līmeņa un mainīgā vides mitruma dēļ liela problēma ir sensora uzticama reakcija uz mērķa gāzi.Šīs problēmas risināšanai ir izstrādātas vairākas stratēģijas, piemēram, gāzes priekškoncentrēšana177, mitruma kompensācijas un krusteniskās režģa metodes178, kā arī žāvēšanas metodes179,180.Tomēr šīs metodes ir dārgas, sarežģītas un samazina sensora jutību.Ir ierosinātas vairākas lētas stratēģijas, lai nomāktu mitruma ietekmi.Piemēram, SnO2 dekorēšana ar Pd nanodaļiņām var veicināt adsorbētā skābekļa pārvēršanu anjonu daļiņās, savukārt SnO2 funkcionalizācija ar materiāliem ar augstu afinitāti pret ūdens molekulām, piemēram, NiO un CuO, ir divi veidi, kā novērst mitruma atkarību no ūdens molekulām..Sensori 181, 182, 183. Turklāt mitruma ietekmi var arī samazināt, izmantojot hidrofobus materiālus, veidojot hidrofobas virsmas36,138,184,185.Tomēr mitrumizturīgu gāzes sensoru izstrāde joprojām ir agrīnā stadijā, un šo problēmu risināšanai ir nepieciešamas progresīvākas stratēģijas.
Noslēgumā jāsaka, ka, izveidojot MOS heteronanostruktūras, ir panākti noteikšanas veiktspējas uzlabojumi (piemēram, jutība, selektivitāte, zema optimālā darba temperatūra), un ir ierosināti dažādi uzlaboti noteikšanas mehānismi.Pētot konkrēta sensora sensora mehānismu, jāņem vērā arī ierīces ģeometriskā uzbūve.Lai turpmāk uzlabotu gāzes sensoru veiktspēju un risinātu atlikušās problēmas, būs jāveic jaunu sensoru materiālu izpēte un progresīvu ražošanas stratēģiju izpēte.Sensoru raksturlielumu kontrolētai regulēšanai nepieciešams sistemātiski veidot attiecības starp sensoru materiālu sintētisko metodi un heteronanostruktūru funkciju.Turklāt virsmas reakciju un heterosaskarņu izmaiņu izpēte, izmantojot modernas raksturošanas metodes, var palīdzēt noskaidrot to uztveres mehānismus un sniegt ieteikumus sensoru izstrādei, kuru pamatā ir heteronanostrukturēti materiāli.Visbeidzot, mūsdienu sensoru ražošanas stratēģiju izpēte var ļaut izgatavot miniatūras gāzes sensorus vafeļu līmenī to rūpnieciskiem lietojumiem.
Genzels, NN et al.Garengriezuma pētījums par slāpekļa dioksīda līmeni iekštelpās un elpceļu simptomiem bērniem ar astmu pilsētās.apkārtne.Veselības perspektīva.116, 1428–1432 (2008).
Izlikšanas laiks: Nov-04-2022
