Suure jõudlusega, kaasaskantavate ja miniatuursete gaasiandurite väljatöötamine pälvib üha suuremat tähelepanu keskkonnaseire, turvalisuse, meditsiinidiagnostika ja põllumajanduse valdkondades.Erinevate tuvastamistööriistade hulgas on metalloksiid-pooljuht (MOS) kemotakistuslikud gaasiandurid oma kõrge stabiilsuse, madalate kulude ja kõrge tundlikkuse tõttu kaubanduslikes rakendustes kõige populaarsem valik.Üks olulisemaid lähenemisviise anduri jõudluse edasiseks parandamiseks on nanosuuruses MOS-põhiste heteroühenduste (hetero-nanostruktureeritud MOS) loomine MOS-nanomaterjalidest.Kuid heteronanostruktureeritud MOS-anduri sensormehhanism erineb üksiku MOS-gaasianduri omast, kuna see on üsna keeruline.Anduri jõudlust mõjutavad erinevad parameetrid, sealhulgas tundliku materjali füüsikalised ja keemilised omadused (nagu tera suurus, defektide tihedus ja materjali hapnikuvabad kohad), töötemperatuur ja seadme struktuur.Selles ülevaates esitatakse mitu kontseptsiooni suure jõudlusega gaasiandurite kavandamiseks, analüüsides heterogeensete nanostruktureeritud MOS-andurite tundlikkuse mehhanismi.Lisaks käsitletakse seadme geomeetrilise struktuuri mõju, mille määrab tundliku materjali ja tööelektroodi vaheline seos.Andurite käitumise süstemaatiliseks uurimiseks tutvustatakse ja arutatakse erinevatel heteronanostruktureeritud materjalidel põhinevate seadmete kolme tüüpilise geomeetrilise struktuuri üldist tajumismehhanismi.See ülevaade on juhiseks tulevastele lugejatele, kes uurivad gaasiandurite tundlikke mehhanisme ja arendavad suure jõudlusega gaasiandureid.
Õhusaaste on üha tõsisem probleem ja tõsine ülemaailmne keskkonnaprobleem, mis ohustab inimeste ja elusolendite heaolu.Gaasiliste saasteainete sissehingamine võib põhjustada mitmeid terviseprobleeme, nagu hingamisteede haigused, kopsuvähk, leukeemia ja isegi enneaegne surm1,2,3,4.Aastatel 2012–2016 suri õhusaaste tõttu miljoneid inimesi ja igal aastal puutusid miljardid inimesed kokku halva õhukvaliteediga5.Seetõttu on oluline välja töötada kaasaskantavad ja miniatuursed gaasiandurid, mis suudavad anda reaalajas tagasisidet ja kõrget tuvastamisjõudlust (nt tundlikkus, selektiivsus, stabiilsus ning reageerimis- ja taastumisajad).Lisaks keskkonnaseirele on gaasianduritel oluline roll ohutuses6,7,8, meditsiinidiagnostikas9,10, vesiviljeluses11 ja muudes valdkondades12.
Praeguseks on kasutusele võetud mitmed erinevatel andurmehhanismidel põhinevad kaasaskantavad gaasiandurid, näiteks optilised13,14,15,16,17,18, elektrokeemilised19,20,21,22 ja keemilised takistusandurid23,24.Nende hulgas on metalloksiid-pooljuht (MOS) keemilised takistusandurid oma kõrge stabiilsuse ja madala hinna tõttu kaubanduslikes rakendustes kõige populaarsemad25,26.Saasteainete kontsentratsiooni saab määrata lihtsalt MOS-resistentsuse muutuse tuvastamisega.1960. aastate alguses teatati esimestest ZnO õhukestel kiledel põhinevatest kemoresistentsetest gaasianduritest, mis tekitasid suurt huvi gaasituvastuse valdkonna vastu27, 28.Tänapäeval kasutatakse gaasitundlike materjalidena palju erinevaid MOS-e ja need võib nende füüsikaliste omaduste alusel jagada kahte kategooriasse: n-tüüpi MOS, mille enamuslaengukandjad on elektronid, ja p-tüüpi MOS-id, mille põhilaengukandjad on augud.laengukandjad.Üldiselt on p-tüüpi MOS vähem populaarne kui n-tüüpi MOS, kuna p-tüüpi MOS-i (Sp) induktiivne reaktsioon on võrdeline n-tüüpi MOS-i ruutjuurega (\(S_p = \sqrt { S_n}\ ) ) samadel eeldustel (näiteks sama morfoloogiline struktuur ja sama muutus õhus olevate ribade paindes) 29,30.Kuid ühe aluse MOS-anduritel on praktilistes rakendustes endiselt probleeme, nagu ebapiisav tuvastamispiir, madal tundlikkus ja selektiivsus.Selektiivsusprobleeme saab teatud määral lahendada andurite massiivide loomisega (nimetatakse "elektroonilisteks ninadeks") ja arvutusanalüüsi algoritmide lisamisega, nagu treeningvektori kvantimine (LVQ), põhikomponentide analüüs (PCA) ja osalise vähimruutude (PLS) analüüs31, 32, 33, 34, 35. Lisaks madaladimensiooniliste MOS32,36,37,38,39 (nt ühemõõtmelised (1D), 0D ja 2D nanomaterjalid) tootmine, samuti muude nanomaterjalide kasutamine ( nt MOS40,41,42, väärismetallide nanoosakesed (NP-d)43,44, süsiniknanomaterjalid45,46 ja juhtivad polümeerid47,48) nanomõõtmeliste heteroühenduste (st heteronanostruktureeritud MOS) loomiseks on teised eelistatud lähenemisviisid ülaltoodud probleemide lahendamiseks.Võrreldes traditsiooniliste paksude MOS-kiledega võib suure eripinnaga madalamõõtmeline MOS pakkuda gaasi adsorptsiooniks aktiivsemaid kohti ja hõlbustada gaasi difusiooni 36, 37, 49.Lisaks võib MOS-põhiste heteronanostruktuuride disain veelgi häälestada kandja transporti heteroliideses, mille tulemuseks on suured muutused takistuses erinevate tööfunktsioonide tõttu 50, 51, 52.Lisaks võivad mõned keemilised mõjud (nt katalüütiline aktiivsus ja sünergistlikud pinnareaktsioonid), mis ilmnevad MOS-i heteronanostruktuuride kujundamisel, samuti parandada andurite jõudlust.50,53,54 Kuigi MOS-i heteronanostruktuuride projekteerimine ja valmistamine oleks paljutõotav lähenemisviis parandamiseks. Anduri jõudluse tõttu kasutavad kaasaegsed kemotakistusandurid tavaliselt katse-eksituse meetodit, mis on aeganõudev ja ebaefektiivne.Seetõttu on oluline mõista MOS-põhiste gaasiandurite tundlikkuse mehhanismi, kuna see võib juhtida suure jõudlusega suunaandurite disaini.
Viimastel aastatel on MOS-gaasiandurid kiiresti arenenud ja mõned aruanded on avaldatud MOS-i nanostruktuuride55,56,57, toatemperatuuri gaasiandurite58,59, spetsiaalsete MOS-andurite materjalide60,61,62 ja spetsiaalsete gaasiandurite63 kohta.Ajakirjas Other Reviews avaldatud ülevaateartikkel keskendub gaasiandurite tundlikkuse mehhanismi selgitamisele, mis põhineb MOS-i olemuslikel füüsikalistel ja keemilistel omadustel, sealhulgas hapniku vabade töökohtade 64, heteronanostruktuuride 55, 65 ja laengu ülekande rollil heteroliidestel 66. Lisaks , mõjutavad anduri jõudlust paljud muud parameetrid, sealhulgas heterostruktuur, tera suurus, töötemperatuur, defektide tihedus, hapnikuvalikud ja isegi tundliku materjali avatud kristalltasandid25,67,68,69,70,71.72, 73. Kuid seadme (harva mainitud) geomeetriline struktuur, mis on määratud sensormaterjali ja tööelektroodi vahelise suhtega, mõjutab oluliselt ka anduri tundlikkust74, 75, 76 (vt lähemalt jaotisest 3) .Näiteks Kumar et al.77 teatasid kahest samal materjalil põhinevast gaasiandurist (nt kahekihilised gaasiandurid, mis põhinevad TiO2@NiO ja NiO@TiO2) ning täheldasid erinevaid NH3 gaasitakistuse muutusi seadme erineva geomeetria tõttu.Seetõttu on gaasianduri mehhanismi analüüsimisel oluline arvestada seadme struktuuriga.Selles ülevaates keskenduvad autorid erinevate heterogeensete nanostruktuuride ja seadmestruktuuride MOS-põhistele tuvastamismehhanismidele.Usume, et see ülevaade võib olla juhendiks lugejatele, kes soovivad mõista ja analüüsida gaasituvastusmehhanisme ning aidata kaasa tulevaste suure jõudlusega gaasiandurite väljatöötamisele.
Joonisel fig.1a on näidatud ühel MOS-il põhineva gaasianduri mehhanismi põhimudel.Temperatuuri tõustes tõmbab hapniku (O2) molekulide adsorptsioon MOS-i pinnal MOS-i elektrone ja moodustab anioonseid liike (nagu O2- ja O-).Seejärel moodustatakse MOS 15, 23, 78 pinnale n-tüüpi MOS-i jaoks elektronide ammendumise kiht (EDL) või p-tüüpi MOS-i jaoks aukude akumulatsioonikiht (HAL). O2 ja MOS põhjustab pinna MOS-i juhtivusriba ülespoole paindumise ja potentsiaalse barjääri moodustamise.Seejärel, kui andur puutub kokku sihtgaasiga, reageerib MOS-i pinnale adsorbeeritud gaas ioonsete hapnikuliikidega, meelitades kas elektrone (oksüdeeriv gaas) või loovutades elektrone (redutseeriv gaas).Elektronide ülekanne sihtgaasi ja MOS-i vahel võib reguleerida EDL-i või HAL30,81 laiust, mille tulemuseks on MOS-anduri üldise takistuse muutumine.Näiteks redutseeriva gaasi puhul viiakse elektronid redutseerivast gaasist üle n-tüüpi MOS-i, mille tulemuseks on madalam EDL ja väiksem takistus, mida nimetatakse n-tüüpi anduri käitumiseks.Seevastu kui p-tüüpi MOS puutub kokku redutseeriva gaasiga, mis määrab p-tüüpi tundlikkuse käitumise, siis HAL kahaneb ja takistus suureneb elektronide annetamise tõttu.Oksüdeerivate gaaside puhul on anduri reaktsioon vastupidine redutseerivate gaaside omale.
Põhilised tuvastamismehhanismid n- ja p-tüüpi MOS-i jaoks gaaside redutseerimiseks ja oksüdeerimiseks b Pooljuhtgaasiandurite põhitegurid ja füüsikalis-keemilised või materjali omadused 89
Peale põhilise tuvastusmehhanismi on praktilistes gaasiandurites kasutatavad gaasituvastusmehhanismid üsna keerulised.Näiteks gaasianduri tegelik kasutamine peab vastama paljudele nõuetele (nt tundlikkus, selektiivsus ja stabiilsus), olenevalt kasutaja vajadustest.Need nõuded on tihedalt seotud tundliku materjali füüsikaliste ja keemiliste omadustega.Näiteks Xu et al.71 näitasid, et SnO2-põhised andurid saavutavad kõrgeima tundlikkuse, kui kristalli läbimõõt (d) on võrdne või väiksem kui kaks korda SnO271 Debye pikkusest (λD).Kui d ≤ 2λD, on SnO2 pärast O2 molekulide adsorptsiooni täielikult ammendunud ja anduri reaktsioon redutseerivale gaasile on maksimaalne.Lisaks võivad anduri jõudlust mõjutada mitmesugused muud parameetrid, sealhulgas töötemperatuur, kristallide defektid ja isegi sensormaterjali paljastatud kristalltasandid.Eelkõige on töötemperatuuri mõju seletatav võimaliku konkurentsiga sihtgaasi adsorptsiooni ja desorptsiooni kiiruste vahel, samuti adsorbeeritud gaasimolekulide ja hapnikuosakeste vahelise pinnareaktiivsusega 4,82.Kristallide defektide mõju on tugevalt seotud hapnikuvabu töökohtade sisaldusega [83, 84].Anduri tööd võivad mõjutada ka avatud kristallpindade erinev reaktiivsus67,85,86,87.Madalama tihedusega avatud kristalltasandid paljastavad rohkem koordineerimata suurema energiaga metallikatioone, mis soodustavad pinna adsorptsiooni ja reaktsioonivõimet88.Tabelis 1 on loetletud mitmed võtmetegurid ja nendega seotud täiustatud tajumehhanismid.Seetõttu saab neid materjali parameetreid kohandades parandada tuvastamise jõudlust ja on ülioluline määrata kindlaks anduri jõudlust mõjutavad võtmetegurid.
Yamazoe89 ja Shimanoe jt 68,71 viisid läbi mitmeid uuringuid sensori tajumise teoreetilise mehhanismi kohta ja pakkusid välja kolm sõltumatut võtmetegurit, mis mõjutavad anduri jõudlust, täpsemalt retseptori funktsiooni, anduri funktsiooni ja kasulikkust (joonis 1b)..Retseptori funktsioon viitab MOS-pinna võimele suhelda gaasimolekulidega.See funktsioon on tihedalt seotud MOS-i keemiliste omadustega ja seda saab oluliselt parandada võõraktseptorite (nt metalli NP-d ja muud MOS-id) kasutuselevõtuga.Anduri funktsioon viitab võimele muuta gaasi ja MOS-i pinna vaheline reaktsioon elektrisignaaliks, milles domineerivad MOS-i terapiirid.Seega mõjutab sensoorset funktsiooni oluliselt MOC osakeste suurus ja võõrretseptorite tihedus.Katoch et al.90 teatasid, et ZnO-SnO2 nanofibrillide tera suuruse vähenemine põhjustas arvukate heteroühenduste moodustumise ja anduri tundlikkuse suurenemise, mis on kooskõlas muunduri funktsionaalsusega.Wang jt 91 võrdlesid Zn2GeO4 erinevaid tera suurusi ja näitasid pärast terapiiride kehtestamist anduri tundlikkuse 6,5-kordset suurenemist.Utiliit on veel üks oluline anduri jõudluse tegur, mis kirjeldab gaasi kättesaadavust sisemise MOS-struktuuri jaoks.Kui gaasimolekulid ei suuda sisemise MOS-i läbi tungida ega sellega reageerida, väheneb anduri tundlikkus.Kasulikkus on tihedalt seotud konkreetse gaasi difusioonisügavusega, mis sõltub sensormaterjali pooride suurusest.Sakai et al.92 modelleeris anduri tundlikkust suitsugaaside suhtes ja leidis, et nii gaasi molekulmass kui ka anduri membraani pooride raadius mõjutavad anduri tundlikkust erinevatel gaaside difusiooni sügavustel sensori membraanis.Ülaltoodud arutelu näitab, et suure jõudlusega gaasiandureid saab välja töötada retseptori funktsiooni, anduri funktsiooni ja kasulikkust tasakaalustades ja optimeerides.
Ülaltoodud töö selgitab ühe MOS-i põhilist tajumehhanismi ja käsitleb mitmeid tegureid, mis mõjutavad MOS-i jõudlust.Lisaks nendele teguritele võivad heterostruktuuridel põhinevad gaasiandurid veelgi parandada anduri jõudlust, parandades oluliselt andurite ja retseptorite funktsioone.Lisaks võivad heteronanostruktuurid veelgi parandada anduri jõudlust, suurendades katalüütilisi reaktsioone, reguleerides laengu ülekandmist ja luues rohkem adsorptsioonikohti.Praeguseks on uuritud paljusid MOS-i heteronanostruktuuridel põhinevaid gaasiandureid, et arutada täiustatud tundlikkuse mehhanisme95, 96, 97.Miller et al.55 võttis kokku mitmed mehhanismid, mis tõenäoliselt parandavad heteronanostruktuuride tundlikkust, sealhulgas pinnast sõltuvad, liidesest sõltuvad ja struktuurist sõltuvad.Nende hulgas on liidesest sõltuv võimendusmehhanism liiga keeruline, et hõlmata kõiki liidese interaktsioone ühes teoorias, kuna kasutada saab erinevaid heteronanostruktureeritud materjalidel põhinevaid andureid (näiteks nn-heteroliite, pn-heteroliite, pp-heteroliite jne). .Schottky sõlm).Tavaliselt sisaldavad MOS-põhised heteronanostruktureeritud andurid alati kahte või enamat täiustatud andurimehhanismi98, 99, 100.Nende võimendusmehhanismide sünergistlik toime võib parandada andurite signaalide vastuvõtmist ja töötlemist.Seega on heterogeensetel nanostruktureeritud materjalidel põhinevate andurite tajumehhanismi mõistmine ülioluline, et aidata teadlastel välja töötada alt-üles gaasiandureid vastavalt nende vajadustele.Lisaks võib seadme geomeetriline struktuur oluliselt mõjutada ka anduri 74, 75, 76 tundlikkust. Anduri käitumise süstemaatiliseks analüüsimiseks tuuakse välja kolme seadme struktuuri sensormehhanismid, mis põhinevad erinevatel heteronanostruktuuriga materjalidel. ja arutatakse allpool.
MOS-põhiste gaasiandurite kiire arenguga on pakutud erinevaid hetero-nanostruktureeritud MOS-e.Laengu ülekanne heteroliidesel sõltub komponentide erinevatest Fermi tasemetest (Ef).Heteroliidesel liiguvad elektronid ühelt küljelt suurema Ef-ga teisele poole väiksema Ef-ga, kuni nende Fermi tasemed saavutavad tasakaalu, ja augud vastupidi.Seejärel tühjenevad heteroliideses olevad kandjad ja moodustavad tühjenenud kihi.Kui andur on sihtgaasiga kokku puutunud, muutub heteronanostruktureeritud MOS-i kandja kontsentratsioon, nagu ka barjääri kõrgus, suurendades seeläbi tuvastamissignaali.Lisaks toovad erinevad heteronanostruktuuride valmistamise meetodid kaasa erinevaid seoseid materjalide ja elektroodide vahel, mis toob kaasa seadme erineva geomeetria ja erinevate sensormehhanismide.Selles ülevaates pakume välja kolm geomeetrilist seadmestruktuuri ja arutame iga struktuuri tundlikkuse mehhanismi.
Kuigi heteroristmikud mängivad gaasi tuvastamise jõudluses väga olulist rolli, võib kogu anduri seadme geomeetria samuti oluliselt mõjutada tuvastamise käitumist, kuna anduri juhtivuskanali asukoht sõltub suuresti seadme geomeetriast.Siin käsitletakse heteroristmikuga MOS-seadmete kolme tüüpilist geomeetriat, nagu on näidatud joonisel 2. Esimese tüübi puhul on kaks MOS-ühendust juhuslikult jaotatud kahe elektroodi vahel ja juhtiva kanali asukoha määrab peamine MOS, teine on heterogeensete nanostruktuuride moodustumine erinevatest MOS-idest, samas kui elektroodiga on ühendatud ainult üks MOS.elektrood on ühendatud, siis juhtiv kanal asub tavaliselt MOS-i sees ja on otse elektroodiga ühendatud.Kolmanda tüübi puhul kinnitatakse kaks materjali eraldi kahe elektroodi külge, juhtides seadet läbi kahe materjali vahel moodustunud heteroühenduse.
Sidekriips ühendite vahel (nt "SnO2-NiO") näitab, et kaks komponenti on lihtsalt segatud (I tüüp).“@” märk kahe ühenduse vahel (nt “SnO2@NiO”) näitab, et II tüüpi anduri struktuuri jaoks on karkassi materjal (NiO) kaunistatud SnO2-ga.Kaldkriips (nt "NiO/SnO2") tähistab III tüüpi anduri konstruktsiooni .
MOS-komposiitidel põhinevate gaasiandurite puhul jaotatakse elektroodide vahel juhuslikult kaks MOS-elementi.MOS-komposiitide valmistamiseks on välja töötatud arvukalt valmistamismeetodeid, sealhulgas sool-geel-, kaassadestamine, hüdrotermiline, elektriketrus ja mehaanilised segamismeetodid98,102,103,104.Hiljuti on poorsete MOS-komposiitide valmistamise mallidena kasutatud metall-orgaanilisi raamistikke (MOF), mis on metalltsentritest ja orgaanilistest linkeritest koosnevate poorsete kristallstruktuuriga materjalide klass .Väärib märkimist, et kuigi MOS-komposiitide protsent on sama, võivad tundlikkuse karakteristikud erinevate tootmisprotsesside kasutamisel oluliselt erineda.109 110 Näiteks Gao jt109 valmistasid kaks sama aatomisuhtega MoO3±SnO2 komposiitide baasil andurit. (Mo:Sn = 1:1,9) ja leidis, et erinevad valmistamismeetodid põhjustavad erinevat tundlikkust.Shaposhnik jt.110 teatas, et kaassadestatud SnO2-TiO2 reaktsioon gaasilisele H2-le erines mehaaniliselt segatud materjalide omast isegi sama Sn/Ti suhte korral.See erinevus tuleneb sellest, et MOP-i ja MOP-kristalliidi suuruse suhe varieerub erinevate sünteesimeetodite puhul109,110.Kui tera suurus ja kuju on doonori tiheduse ja pooljuhtide tüübi osas ühtsed, peaks reaktsioon jääma samaks, kui kontakti geomeetria ei muutu 110 .Staerz et al.111 teatas, et SnO2-Cr2O3 core-sheath (CSN) nanokiudude ja jahvatatud SnO2-Cr2O3 CSN-ide tuvastamisomadused olid peaaegu identsed, mis viitab sellele, et nanokiudude morfoloogia ei paku mingeid eeliseid.
Lisaks erinevatele valmistamismeetoditele mõjutavad anduri tundlikkust ka kahe erineva MOSFETi pooljuhtide tüübid.Selle saab jagada kahte kategooriasse olenevalt sellest, kas need kaks MOSFET-i on sama tüüpi pooljuhtidest (nn- või pp-siire) või erinevat tüüpi (pn-siirde).Kui gaasiandurid põhinevad sama tüüpi MOS-komposiitidel, jääb kahe MOS-i molaarsuhet muutes tundlikkusreaktsiooni karakteristikud muutumatuks ja anduri tundlikkus varieerub sõltuvalt nn- või pp-heteroliitmike arvust.Kui komposiidis domineerib üks komponent (nt 0,9 ZnO-0,1 SnO2 või 0,1 ZnO-0,9 SnO2), määrab juhtivuse kanali domineeriv MOS, mida nimetatakse homoühenduse juhtivuskanaliks 92 .Kui kahe komponendi suhted on võrreldavad, siis eeldatakse, et juhtivuskanalis domineerib heteroliide98,102.Yamazoe et al.112 113 teatas, et kahe komponendi heterokontaktpiirkond võib oluliselt parandada anduri tundlikkust, kuna komponentide erinevate tööfunktsioonide tõttu moodustunud heteroühendusbarjäär suudab tõhusalt kontrollida elektronidega kokkupuutuva anduri triivi liikuvust.Erinevad ümbritsevad gaasid 112 113.Joonisel fig.Joonisel 3a on näidatud, et erineva ZnO sisaldusega (0 kuni 10 mol% Zn) SnO2-ZnO kiulistel hierarhilistel struktuuridel põhinevad andurid suudavad selektiivselt tuvastada etanooli.Nende hulgas näitas SnO2-ZnO kiududel põhinev andur (7 mol% Zn) suurimat tundlikkust tänu suure hulga heteroliidete moodustumisele ja eripinna suurenemisele, mis suurendas muunduri funktsiooni ja paranes. tundlikkus 90 Kuid ZnO sisalduse edasise suurenemisega 10 mol%-ni võib mikrostruktuuriga SnO2-ZnO komposiit katta pinna aktiveerimisalasid ja vähendada anduri tundlikkust85.Sarnast suundumust täheldatakse ka erinevate Fe/Ni suhetega NiO-NiFe2O4 pp heteroühenduskomposiitmaterjalidel põhinevate andurite puhul (joonis 3b)114.
SnO2-ZnO kiudude SEM-pildid (7 mol% Zn) ja anduri reaktsioon erinevatele gaasidele kontsentratsiooniga 100 ppm 260 °C juures;54b Puhtal NiO ja NiO-NiFe2O4 komposiitidel põhinevate andurite reaktsioonid erinevate gaaside 50 ppm juures, 260 °C;114 (c) skemaatiline diagramm sõlmede arvu kohta xSnO2-(1-x)Co3O4 koostises ning xSnO2-(1-x)Co3O4 koostise vastavate takistus- ja tundlikkusreaktsioonide kohta 10 ppm CO, atsetooni, C6H6 ja SO2 kohta gaasi 350 °C juures, muutes Sn/Co 98 molaarsuhet
Pn-MOS komposiitidel on erinev tundlikkuse käitumine sõltuvalt MOS115 aatomisuhtest.Üldiselt sõltub MOS-komposiitide sensoorne käitumine suuresti sellest, milline MOS toimib anduri peamise juhtivuskanalina.Seetõttu on väga oluline iseloomustada komposiitide protsentuaalset koostist ja nanostruktuuri.Kim jt 98 kinnitasid seda järeldust, sünteesides elektriketramise teel rea xSnO2 ± (1-x)Co3O4 komposiitnanokiude ja uurides nende anduri omadusi.Nad täheldasid, et SnO2-Co3O4 komposiitanduri käitumine lülitus n-tüübilt p-tüüpi, vähendades SnO2 protsenti (joonis 3c)98.Lisaks näitasid heteroliidese domineerivad andurid (põhinevad 0,5 SnO2-0,5 Co3O4-l) C6H6 puhul suurimat ülekandekiirust võrreldes homoühendusega domineerivate anduritega (nt kõrge SnO2 või Co3O4 andurid).0,5 SnO2-0,5 Co3O4-põhise anduri loomupärane kõrge takistus ja suurem võime moduleerida anduri üldist takistust aitavad kaasa selle kõrgeimale tundlikkusele C6H6 suhtes.Lisaks võivad SnO2-Co3O4 heteroliidestest tulenevad võre mittevastavuse defektid luua gaasimolekulidele eelistatud adsorptsioonikohti, suurendades seeläbi anduri vastust .
Lisaks pooljuht-tüüpi MOS-ile saab MOS-komposiitide puutetundlikkust kohandada ka MOS-117 keemia abil.Huo jt 117 kasutasid Co3O4-SnO2 komposiitide valmistamiseks lihtsat leotamise-küpsetusmeetodit ja leidsid, et Co/Sn molaarsuhtel 10%, andur näitas p-tüüpi tuvastusreaktsiooni H2 suhtes ja n-tüüpi tundlikkust H2.vastuseks.Anduri reaktsioonid CO, H2S ja NH3 gaasidele on näidatud joonisel 4a117.Madalate Co/Sn suhete korral moodustuvad SnO2 ± SnO2 nanograanulite piiridel palju homoühendusi ja neil on n-tüüpi andur reageerib H2-le (joonised 4b, c)115.Co/Sn suhte suurenemisega kuni 10 mol.%, tekkis SnO2-SnO2 homoliitmike asemel samaaegselt palju Co3O4-SnO2 heteroühendusi (joonis 4d).Kuna Co3O4 on H2 suhtes inaktiivne ja SnO2 reageerib tugevalt H2-ga, toimub H2 reaktsioon ioonsete hapnikuliikidega peamiselt SnO2117 pinnal.Seetõttu liiguvad elektronid SnO2-le ja Ef SnO2 nihkub juhtivusribale, samas kui Ef Co3O4 jääb muutumatuks.Selle tulemusena suureneb anduri takistus, mis näitab, et kõrge Co / Sn suhtega materjalidel on p-tüüpi tundlikkuse käitumine (joonis 4e).Seevastu CO, H2S ja NH3 gaasid reageerivad ioonsete hapnikuliikidega SnO2 ja Co3O4 pindadel ning elektronid liiguvad gaasist andurile, mille tulemusena väheneb barjääri kõrgus ja n-tüüpi tundlikkus (joonis 4f)..See erinev anduri käitumine on tingitud Co3O4 erinevast reaktsioonivõimest erinevate gaasidega, mida kinnitasid ka Yin et al.118 .Samamoodi on Katoch et al.119 näitas, et SnO2-ZnO komposiitidel on hea selektiivsus ja kõrge tundlikkus H2 suhtes.Selline käitumine ilmneb seetõttu, et H-aatomeid saab kergesti adsorbeerida ZnO O-positsioonidesse tänu tugevale hübridisatsioonile H s-orbitaali ja O p-orbitaali vahel, mis viib ZnO120, 121 metalliseerumiseni.
a Co/Sn-10% dünaamilise takistuse kõverad tüüpiliste redutseerivate gaaside jaoks, nagu H2, CO, NH3 ja H2S, b, c Co3O4/SnO2 kombineeritud andurmehhanismi diagramm H2 jaoks madalal % m.Co/Sn, df Co3O4 H2 ja CO, H2S ja NH3 tuvastamise mehhanism kõrge Co/Sn/SnO2 komposiidiga
Seetõttu saame parandada I-tüüpi anduri tundlikkust, valides sobivad valmistamismeetodid, vähendades komposiitide tera suurust ja optimeerides MOS-komposiitide molaarsuhet.Lisaks võib tundliku materjali keemia sügav mõistmine anduri selektiivsust veelgi suurendada.
II tüüpi andurite struktuurid on veel üks populaarne anduri struktuur, mis võib kasutada mitmesuguseid heterogeenseid nanostruktuuriga materjale, sealhulgas ühte "peamist" nanomaterjali ja teist või isegi kolmandat nanomaterjali.Näiteks kasutatakse II tüüpi andurite struktuurides tavaliselt ühe- või kahemõõtmelisi materjale, mis on kaunistatud nanoosakeste, südamiku kesta (CS) ja mitmekihiliste heteronanostruktureeritud materjalidega ja neid käsitletakse üksikasjalikult allpool.
Esimese heteronanostruktuurmaterjali (dekoreeritud heteronanostruktuur) puhul, nagu on näidatud joonisel 2b(1), on anduri juhtivad kanalid ühendatud alusmaterjaliga.Heteroristmike moodustumise tõttu võivad modifitseeritud nanoosakesed pakkuda gaasi adsorptsiooni või desorptsiooni jaoks rohkem reaktiivseid kohti ning toimida ka katalüsaatoritena, et parandada tundlikkust 109, 122, 123, 124.Yuan et al.41 märkisid, et WO3 nanojuhtmete kaunistamine CeO2 nanopunktidega võib pakkuda rohkem adsorptsioonikohti CeO2@WO3 heteroliideses ja CeO2 pinnal ning tekitada atsetooniga reageerimiseks rohkem kemisorbeeritud hapniku liike.Gunawan et al.125. Välja on pakutud ülikõrge tundlikkusega atsetooni andur, mis põhineb ühedimensioonilisel Au@α-Fe2O3 baasil ja on täheldatud, et anduri tundlikkust kontrollib O2 molekulide aktiveerimine hapnikuallikana.Au NP-de olemasolu võib toimida katalüsaatorina, mis soodustab hapnikumolekulide dissotsieerumist võre hapnikuks atsetooni oksüdeerimiseks.Sarnased tulemused said Choi et al.9, kus Pt-katalüsaatorit kasutati adsorbeeritud hapnikumolekulide dissotsieerimiseks ioniseeritud hapnikuliikideks ja tundliku reaktsiooni suurendamiseks atsetoonile.2017. aastal näitas sama uurimisrühm, et bimetallilised nanoosakesed on katalüüsis palju tõhusamad kui üksikud väärismetalli nanoosakesed, nagu on näidatud joonisel 5126. 5a on skemaatiline skeem plaatinapõhiste bimetalliliste (PtM) NP-de tootmisprotsessist, milles kasutatakse apoferritiini rakke. keskmine suurus alla 3 nm.Seejärel saadi elektroketrusmeetodil PtM@WO3 nanokiud, et suurendada tundlikkust ja selektiivsust atsetooni või H2S suhtes (joonis 5b–g).Hiljuti on üheaatomilised katalüsaatorid (SAC) näidanud suurepärast katalüütilist jõudlust katalüüsi ja gaasianalüüsi valdkonnas tänu aatomite ja häälestatud elektrooniliste struktuuride kasutamise maksimaalsele efektiivsusele 127, 128.Shin et al.129 kasutas keemiliste allikatena Pt-SA ankurdatud süsiniknitriidi (MCN), SnCl2 ja PVP nanolehti, et valmistada gaasi tuvastamiseks ette Pt@MCN@SnO2 sisekiud.Hoolimata Pt@MCN väga madalast sisaldusest (0,13 massiprotsenti kuni 0,68 massiprotsenti), on gaasilise formaldehüüdi Pt@MCN@SnO2 tuvastamine parem kui teistel võrdlusproovidel (puhas SnO2, MCN@SnO2 ja Pt NPs@). SnO2)..Selle suurepärase tuvastamise tulemuslikkuse võib seostada Pt SA katalüsaatori maksimaalse aatomitõhususega ja SnO2129 aktiivsete saitide minimaalse katvusega.
Apoferritiiniga laetud kapseldamise meetod PtM-apo (PtPd, PtRh, PtNi) nanoosakeste saamiseks;bd puutumata WO3, PtPd@WO3, PtRn@WO3 ja Pt-NiO@WO3 nanokiudude dünaamilised gaasitundlikud omadused;põhinevad näiteks PtPd@WO3, PtRn@WO3 ja Pt-NiO@WO3 nanokiudandurite selektiivsuse omadustel kuni 1 ppm segava gaasi 126
Lisaks võivad karkassi materjalide ja nanoosakeste vahel moodustunud heteroühendused tõhusalt moduleerida juhtivuskanaleid radiaalse modulatsioonimehhanismi kaudu, et parandada anduri jõudlust130, 131, 132.Joonisel fig.Joonisel 6a on kujutatud gaaside redutseerimiseks ja oksüdeerimiseks mõeldud puhaste SnO2 ja Cr2O3@SnO2 nanojuhtmete anduri omadused ning vastavad andurimehhanismid131.Võrreldes puhaste SnO2 nanojuhtmetega on Cr2O3@SnO2 nanojuhtmete reaktsioon redutseerivatele gaasidele oluliselt parem, samas kui reaktsioon oksüdeerivatele gaasidele on halvem.Need nähtused on tihedalt seotud SnO2 nanojuhtmete juhtivuskanalite lokaalse aeglustumisega moodustunud pn heteroristmiku radiaalsuunas.Anduri takistust saab lihtsalt häälestada, muutes EDL-i laiust puhta SnO2 nanojuhtme pinnal pärast kokkupuudet redutseerivate ja oksüdeerivate gaasidega.Cr2O3@SnO2 nanojuhtmete puhul on aga SnO2 nanojuhtmete esialgne DEL õhus võrreldes puhaste SnO2 nanojuhtmetega suurenenud ja juhtivuskanal on heteroristmiku moodustumise tõttu alla surutud.Seega, kui andur puutub kokku redutseeriva gaasiga, vabanevad kinnijäänud elektronid SnO2 nanojuhtmetesse ja EDL väheneb drastiliselt, mille tulemuseks on suurem tundlikkus kui puhastel SnO2 nanojuhtmetel.Ja vastupidi, oksüdeerivale gaasile üleminekul on DEL laienemine piiratud, mille tulemuseks on madal tundlikkus.Sarnaseid sensoorse vastuse tulemusi täheldasid Choi et al., 133, kus p-tüüpi WO3 nanoosakestega kaunistatud SnO2 nanojuhtmed näitasid oluliselt paremat sensoorset reaktsiooni redutseerivatele gaasidele, samas kui n-dekoreeritud SnO2 anduritel oli parem tundlikkus oksüdeerivate gaaside suhtes.TiO2 nanoosakesed (joonis 6b) 133. See tulemus tuleneb peamiselt SnO2 ja MOS (TiO2 või WO3) nanoosakeste erinevatest tööfunktsioonidest.P-tüüpi (n-tüüpi) nanoosakestes paisub (või tõmbub kokku) raamistiku materjali (SnO2) juhtivuskanal radiaalsuunas ja seejärel redutseerimise (või oksüdatsiooni) toimel edasine paisumine (või lühenemine) gaasi SnO2 juhtivuskanalist – ribi ) (joon. 6b).
Modifitseeritud LF MOS-i poolt indutseeritud radiaalmodulatsiooni mehhanism.a Gaasi reaktsioonide kokkuvõte 10 ppm redutseerivatele ja oksüdeerivatele gaasidele, mis põhinevad puhtal SnO2 ja Cr2O3@SnO2 nanojuhtmetel ning vastavad andurmehhanismi skemaatilised diagrammid;ja vastavad WO3@SnO2 nanovarraste ja tuvastamismehhanismi skeemid133
Kahe- ja mitmekihilise heterostruktuuriga seadmetes domineerib seadme juhtivuskanalis elektroodidega otsekontaktis olev kiht (tavaliselt alumine kiht) ning kahe kihi liideses tekkiv heteroliitmik suudab kontrollida alumise kihi juhtivust. .Seega, kui gaasid interakteeruvad ülemise kihiga, võivad need oluliselt mõjutada alumise kihi juhtivuskanaleid ja seadme takistust 134.Näiteks Kumar et al.77 teatasid TiO2@NiO ja NiO@TiO2 topeltkihtide vastupidisest käitumisest NH3 puhul.See erinevus tuleneb sellest, et kahe anduri juhtivuskanalid domineerivad erinevate materjalide kihtides (vastavalt NiO ja TiO2) ning siis on variatsioonid aluseks olevates juhtivuskanalites erinevad77.
Kahekihilised või mitmekihilised heteronanostruktuurid toodetakse tavaliselt pihustamise, aatomkihtsadestamise (ALD) ja tsentrifuugimise teel56, 70, 134, 135, 136.Kahe materjali kile paksust ja kontaktpinda saab hästi kontrollida.Joonistel fig 7a ja b on kujutatud NiO@SnO2 ja Ga2O3@WO3 nanofilmid, mis on saadud pihustamise teel etanooli tuvastamiseks135,137.Kuid need meetodid toodavad üldiselt lamedaid kilesid ja need lamedad kiled on nende väikese eripinna ja gaasi läbilaskvuse tõttu vähem tundlikud kui 3D-nanostruktureeritud materjalid.Seetõttu on eripinna suurendamise kaudu pakutud välja ka vedelfaasi strateegia erineva hierarhiaga kahekihiliste kilede valmistamiseks, et parandada tajuvõimet 41, 52, 138.Zhu et al139 kombineerisid pihustus- ja hüdrotermilisi tehnikaid, et toota kõrgelt järjestatud ZnO nanojuhtmeid SnO2 nanojuhtmete (ZnO@SnO2 nanojuhtmete) kohal H2S tuvastamiseks (joonis 7c).Selle reaktsioon 1 ppm H2S-le on 1,6 korda kõrgem kui pihustatud ZnO@SnO2 nanofilmidel põhineva anduri oma.Liu et al.52 teatas suure jõudlusega H2S andurist, mis kasutas kaheastmelist in situ keemilise sadestamise meetodit hierarhiliste SnO2@NiO nanostruktuuride valmistamiseks, millele järgnes termiline lõõmutamine (joonis 10d).Võrreldes tavaliste pihustatud SnO @ NiO kahekihiliste kiledega on SnO @ NiO hierarhilise kahekihilise struktuuri tundlikkus oluliselt paranenud tänu eripinna suurenemisele 52 137.
MOS-il põhinev kahekihiline gaasiandur.NiO@SnO2 nanokile etanooli tuvastamiseks;137b Ga2O3@WO3 nanokile etanooli tuvastamiseks;135c väga järjestatud SnO2@ZnO kahekihiline hierarhiline struktuur H2S tuvastamiseks;139d SnO2@NiO kahekihiline hierarhiline struktuur H2S52 tuvastamiseks.
II tüüpi seadmetes, mis põhinevad südamiku ja kesta heteronanostruktuuridel (CSHN), on tundlikkusmehhanism keerulisem, kuna juhtivuskanalid ei piirdu sisemise kestaga.Juhtivate kanalite asukoha määravad nii tootmistee kui ka pakendi paksus (hs).Näiteks alt-üles sünteesimeetodite kasutamisel piirduvad juhtivuskanalid tavaliselt sisemise südamikuga, mis on oma struktuurilt sarnane kahe- või mitmekihiliste seadmestruktuuridega (joonis 2b(3)) 123, 140, 141, 142, 143. Xu et al.144 teatas alt-üles lähenemisviisist CSHN NiO@α-Fe2O3 ja CuO@a-Fe2O3 saamiseks, sadestades NiO või CuO NP-de kihi α-Fe2O3 nanovarrastele, mille juhtivuskanal oli piiratud keskosaga.(nanorodid α-Fe2O3).Liu et al.142-l õnnestus ka piirata juhtivuskanalit CSHN TiO2 @ Si põhiosaga, sadestades TiO2 ettevalmistatud räni nanojuhtmete massiividele.Seetõttu sõltub selle tundlikkuse käitumine (p-tüüpi või n-tüüpi) ainult räni nanojuhtme pooljuhttüübist.
Kuid enamik teatatud CSHN-põhiseid andureid (joonis 2b (4)) valmistati sünteesitud CS-materjali pulbrite ülekandmisel kiipidele.Sellisel juhul mõjutab anduri juhtivuse teed korpuse paksus (hs).Kimi rühm uuris hs-i mõju gaasi tuvastamise jõudlusele ja pakkus välja võimaliku tuvastamismehhanismi100,112,145,146,147,148. Arvatakse, et selle struktuuri tundlikkuse mehhanismi mõjutavad kaks tegurit: (1) kesta EDL-i radiaalmodulatsioon ja (2) elektrivälja määrdumisefekt (joonis 8) 145. Teadlased mainisid, et juhtivuskanal kandjatest piirdub enamasti kestakihiga, kui kestakihi hs > λD145. Arvatakse, et selle struktuuri tundlikkuse mehhanismi mõjutavad kaks tegurit: (1) kesta EDL-i radiaalmodulatsioon ja (2) elektrivälja määrdumisefekt (joonis 8) 145. Teadlased mainisid, et juhtivuskanal kandjatest piirdub enamasti kestakihiga, kui kestakihi 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. Arvatakse, et selle struktuuri tajumise mehhanismiga on seotud kaks tegurit: (1) kesta EDL-i radiaalmodulatsioon ja (2) elektrivälja hägustamise efekt (joonis 8) 145. Teadlased märkisid, et kandja juhtivuskanal piirdub peamiselt kestaga, kui hs > λD kestad145.Arvatakse, et selle struktuuri tuvastamismehhanismi mõjutavad kaks tegurit: (1) kesta DEL-i radiaalmodulatsioon ja (2) elektrivälja määrdumise mõju (joonis 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. Teadlased märkisid, et juhtivuskanal Kui kesta hs > λD145, piirab kandjate arvu peamiselt kest.Seetõttu domineerib CSHN-il põhineva anduri takistusmodulatsiooni puhul katte DEL radiaalmodulatsioon (joonis 8a).Kuid kesta hs ≤ λD korral on kesta poolt adsorbeeritud hapnikuosakesed ja CS-heteroristmikul moodustunud heteroliitmik elektronidest täielikult tühjenenud. Seetõttu ei asu juhtivuskanal mitte ainult kestakihi sees, vaid osaliselt ka südamikuosas, eriti kui kestakihi hs < λD. Seetõttu ei asu juhtivuskanal mitte ainult kestakihi sees, vaid osaliselt ka südamikuosas, eriti kui kestakihi hs < λD. Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочечного слоя, но и частично hчолдочный Seetõttu ei paikne juhtivuskanal mitte ainult kestakihi sees, vaid osaliselt ka südamikuosas, eriti kestakihi hs < λD juures.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层皁 hs < λD 时. Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочки, но и частично в сердцевине, осоприбенно Seetõttu ei paikne juhtivuskanal mitte ainult kesta sees, vaid osaliselt ka südamikus, eriti kesta hs < λD juures.Sel juhul aitavad nii täielikult ammendatud elektronkiht kui ka osaliselt ammendatud südamikukiht moduleerida kogu CSHN-i takistust, mille tulemuseks on elektrivälja sabaefekt (joonis 8b).Mõnes teises uuringus on hs-efekti 100 148 analüüsimiseks kasutatud elektrivälja saba asemel EDL-i mahuosa kontseptsiooni.Võttes arvesse neid kahte panust, saavutab CSHN-i takistuse kogumodulatsioon suurima väärtuse, kui hs on võrreldav ümbrisega λD, nagu on näidatud joonisel 8c.Seetõttu võib CSHN-i optimaalne hs olla kesta λD lähedal, mis on kooskõlas eksperimentaalsete vaatlustega 99, 144, 145, 146, 149.Mitmed uuringud on näidanud, et hs võib mõjutada ka CSHN-põhiste pn-heteroühendusandurite tundlikkust 40, 148.Li et al.148 ja Bai et al.40 uuris süstemaatiliselt hs-i mõju pn-heteroühendusega CSHN-andurite, nagu TiO @ CuO ja ZnO @ NiO, jõudlusele, muutes katte ALD tsüklit.Selle tulemusena muutus sensoorne käitumine p-tüübist n-tüübiks, suurendades hs40, 148.Selline käitumine on tingitud asjaolust, et alguses (piiratud arvu ALD tsüklitega) võib heterostruktuure pidada modifitseeritud heteronanostruktuurideks.Seega on juhtivuskanal piiratud tuumakihiga (p-tüüpi MOSFET) ja anduril on p-tüüpi tuvastamise käitumine.ALD tsüklite arvu suurenedes muutub kattekiht (n-tüüpi MOSFET) kvaasipidevaks ja toimib juhtivuskanalina, mille tulemuseks on n-tüüpi tundlikkus.Sarnast sensoorset üleminekukäitumist on kirjeldatud pn hargnenud heteronanostruktuuride puhul 150 151 .Zhou et al.150 uuris Zn2SnO4@Mn3O4 hargnenud heteronanostruktuuride tundlikkust, kontrollides Zn2SnO4 sisaldust Mn3O4 nanojuhtmete pinnal.Kui Mn3O4 pinnale tekkisid Zn2SnO4 tuumad, täheldati p-tüüpi tundlikkust.Zn2SnO4 sisalduse edasise suurenemisega lülitub hargnenud Zn2SnO4@Mn3O4 heteronanostruktuuridel põhinev andur n-tüüpi anduri käitumisele.
Kuvatakse CS-nanojuhtmete kahefunktsionaalse andurimehhanismi kontseptuaalne kirjeldus.a Takistuse modulatsioon elektronide vaesestatud kestade radiaalmodulatsiooni tõttu, b määrimise negatiivne mõju takistuse modulatsioonile ja c CS nanojuhtmete kogutakistuse modulatsioon mõlema efekti kombinatsiooni tõttu 40
Kokkuvõtteks võib öelda, et II tüüpi andurid sisaldavad palju erinevaid hierarhilisi nanostruktuure ja anduri jõudlus sõltub suuresti juhtivate kanalite paigutusest.Seetõttu on ülioluline kontrollida anduri juhtivuskanali asendit ja kasutada sobivat heteronanostruktureeritud MOS-mudelit II tüüpi andurite laiendatud sensormehhanismi uurimiseks.
III tüüpi andurite struktuurid ei ole väga levinud ja juhtivuskanal põhineb heterosiirnel, mis on moodustatud vastavalt kahe elektroodiga ühendatud kahe pooljuhi vahel.Unikaalsed seadmete struktuurid saadakse tavaliselt mikrotöötlustehnikate abil ja nende tundlikkusmehhanismid on kahest eelmisest anduristruktuurist väga erinevad.III tüüpi anduri IV kõveral on tavaliselt heteroristmiku moodustumise tõttu tüüpilised alaldusomadused48,152,153.Ideaalse heteroristmiku I–V tunnuskõverat saab kirjeldada elektronide emissiooni termilise mehhanismiga heterosiirde barjääri kõrgusel152, 154, 155.
kus Va on eelpinge, A on seadme pindala, k on Boltzmanni konstant, T on absoluutne temperatuur, q on kandelaeng, Jn ja Jp on vastavalt aukude ja elektronide difusiooni voolutihedused.IS tähistab vastupidist küllastusvoolu, mis on defineeritud järgmiselt: 152,154,155
Seetõttu sõltub pn heterosiirde koguvool laengukandjate kontsentratsiooni muutusest ja heterosiirde barjääri kõrguse muutusest, nagu on näidatud võrrandites (3) ja (4) 156
kus nn0 ja pp0 on elektronide (aukude) kontsentratsioon n-tüüpi (p-tüüpi) MOS-is, \(V_{bi}^0\) on sisseehitatud potentsiaal, Dp (Dn) on difusioonikoefitsient elektronid (augud), Ln (Lp ) on elektronide (aukude) difusioonipikkus, ΔEv (ΔEc) valentsriba (juhtivusriba) energianihe heterosiirdes.Kuigi voolutihedus on võrdeline kandja tihedusega, on see eksponentsiaalselt pöördvõrdeline \(V_{bi}^0\).Seetõttu sõltub voolutiheduse üldine muutus tugevalt heteroristmiku barjääri kõrguse modulatsioonist.
Nagu eespool mainitud, võib hetero-nanostruktuuriga MOSFET-ide (näiteks I ja II tüüpi seadmete) loomine märkimisväärselt parandada anduri, mitte üksikute komponentide jõudlust.Ja III tüüpi seadmete puhul võib heteronanostruktuuri reaktsioon olla suurem kui kaks komponenti48,153 või suurem kui üks komponent76, olenevalt materjali keemilisest koostisest.Mitmed aruanded on näidanud, et heteronanostruktuuride reaktsioon on palju suurem kui ühe komponendi reaktsioon, kui üks komponentidest on sihtgaasi suhtes tundlik 48, 75, 76, 153.Sel juhul interakteerub sihtgaas ainult tundliku kihiga ja põhjustab tundliku kihi nihke Ef ja heteroristmiku barjääri kõrguse muutumise.Siis muutub seadme koguvool oluliselt, kuna see on võrrandi kohaselt pöördvõrdeline heterosiirdebarjääri kõrgusega.(3) ja (4) 48,76,153.Kui aga nii n- kui ka p-tüüpi komponendid on sihtgaasi suhtes tundlikud, võib tuvastamise jõudlus olla kuskil vahepeal.José jt 76 valmistasid pihustades poorse NiO/SnO2 kile NO2 anduri ja leidsid, et anduri tundlikkus oli ainult kõrgem kui NiO-põhise anduri oma, kuid madalam kui SnO2-põhise anduri oma.andur.See nähtus on tingitud asjaolust, et SnO2 ja NiO reageerivad NO276 suhtes vastupidiselt.Samuti, kuna kahel komponendil on erinev gaasitundlikkus, võib neil olla sama kalduvus tuvastada oksüdeerivaid ja redutseerivaid gaase.Näiteks Kwon et al.157 pakkus välja NiO/SnO2 pn-heteroühendusega gaasianduri kaldpihustamise teel, nagu on näidatud joonisel 9a.Huvitaval kombel näitas NiO/SnO2 pn-heteroühenduse andur H2 ja NO2 puhul sama tundlikkustrendi (joonis 9a).Selle tulemuse lahendamiseks kasutasid Kwon et al.157 uuris süstemaatiliselt, kuidas NO2 ja H2 muudavad kandja kontsentratsioone ja häälestasid mõlema materjali \(V_{bi}^0\), kasutades IV-karakteristikuid ja arvutisimulatsioone (joonis 9bd).Joonised fig 9b ja c näitavad H2 ja NO2 võimet muuta andurite kande tihedust vastavalt p-NiO (pp0) ja n-SnO2 (nn0) alusel.Nad näitasid, et p-tüüpi NiO pp0 muutus NO2 keskkonnas veidi, samas kui H2 keskkonnas muutus dramaatiliselt (joonis 9b).Kuid n-tüüpi SnO2 puhul käitub nn0 vastupidiselt (joonis 9c).Nende tulemuste põhjal järeldasid autorid, et kui andurile rakendati NiO/SnO2 pn heterosiirde alusel H2, siis nn0 suurenemine tõi kaasa Jn suurenemise ja \(V_{bi}^0\) vastuse vähenemine (joonis 9d).Pärast kokkupuudet NO2-ga põhjustab nii SnO2 nn0 suur langus kui ka NiO väike pp0 suurenemine \(V_{bi}^0\) suure vähenemise, mis tagab sensoorse reaktsiooni suurenemise (joonis 9d). ) 157 Kokkuvõtteks võib öelda, et muutused kandjate ja \(V_{bi}^0\) kontsentratsioonis toovad kaasa muutusi koguvoolus, mis mõjutab veelgi tuvastamisvõimet.
Gaasianduri sensormehhanism põhineb III tüüpi seadme ehitusel.Skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM) ristlõike kujutised, p-NiO/n-SnO2 nanospiraalseade ja p-NiO/n-SnO2 nanospiraali heteroühendusanduri anduri omadused 200°C juures H2 ja NO2 jaoks;b , c-seadme ristlõike SEM ja p-NiO b-kihiga ja n-SnO2 c-kihiga seadme simulatsioonitulemused.b p-NiO andur ja c n-SnO2 andur mõõdavad ja vastavad IV–V karakteristikutele kuivas õhus ning pärast kokkupuudet H2 ja NO2-ga.Sentaurus TCAD tarkvara abil modelleeriti kahemõõtmeline b-augu tiheduse kaart p-NiO-s ja c-elektronide kaart n-SnO2 kihis koos värviskaalaga.d Simulatsiooni tulemused, mis näitavad p-NiO/n-SnO2 3D-kaarti kuivas õhus, H2 ja NO2157 keskkonnas.
Lisaks materjali enda keemilistele omadustele demonstreerib III tüüpi seadme struktuur isejõuliste gaasiandurite loomise võimalust, mis ei ole võimalik I ja II tüüpi seadmetega.Nende loomupärase elektrivälja (BEF) tõttu kasutatakse pn-heteroühendusega dioodstruktuure tavaliselt fotogalvaaniliste seadmete ehitamiseks ja need näitavad potentsiaali toatemperatuuril valgustuse all olevate isetoitega fotoelektriliste gaasiandurite valmistamiseks74, 158, 159, 160, 161.BEF heteroliideses, mis on põhjustatud materjalide Fermi tasemete erinevusest, aitab samuti kaasa elektron-augu paaride eraldamisele.Isetoitega fotogalvaanilise gaasianduri eeliseks on selle madal energiatarve, kuna see suudab neelata valgustava valguse energiat ja seejärel juhtida ennast või teisi miniatuurseid seadmeid ilma välist toiteallikat kasutamata.Näiteks Tanuma ja Sugiyama162 on valmistanud päikesepatareidena NiO / ZnO pn heteroühendused, et aktiveerida SnO2-põhised polükristallilised CO2 andurid.Gad et al.74 kirjeldas omatoitega fotogalvaanilist gaasiandurit, mis põhineb Si/ZnO@CdS pn heterosiirnel, nagu on näidatud joonisel 10a.Vertikaalselt orienteeritud ZnO nanotraate kasvatati otse p-tüüpi ränisubstraatidel, et moodustada Si / ZnO pn heteroühendused.Seejärel modifitseeriti CdS nanoosakesi ZnO nanojuhtmete pinnal keemilise pinna modifitseerimise teel.Joonisel fig.10a on näidatud off-line Si/ZnO@CdS anduri reaktsioonitulemused O2 ja etanooli kohta.Valgustuse korral suureneb elektron-augu paaride eraldumisest tulenev avatud ahela pinge (Voc) Si / ZnO heteroliideses BEP ajal lineaarselt ühendatud dioodide arvuga 74 161.Voci saab esitada võrrandiga.(5) 156,
kus ND, NA ja Ni on vastavalt doonorite, aktseptorite ja sisemiste kandjate kontsentratsioonid ning k, T ja q on samad parameetrid, mis eelmises võrrandis.Oksüdeerivate gaasidega kokku puutudes eraldavad nad ZnO nanojuhtmetest elektrone, mis viib \(N_D^{ZnO}\) ja Voc vähenemiseni.Vastupidi, gaasi vähendamise tulemuseks oli Voc suurenemine (joonis 10a).ZnO kaunistamisel CdS nanoosakestega süstitakse CdS nanoosakeste fotoergastatud elektronid ZnO juhtivusriba ja interakteeruvad adsorbeeritud gaasiga, suurendades seeläbi tajutõhusust74 160.Sarnase isetoitega fotogalvaanilise gaasianduri, mis põhineb Si / ZnO-l, teatasid Hoffmann jt.160, 161 (joonis 10b).Selle anduri saab valmistada, kasutades tööfunktsiooni reguleerimiseks rida amiiniga funktsionaliseeritud ZnO nanoosakesi ([3-(2-aminoetüülamino)propüül]trimetoksüsilaan) (aminofunktsionaliseeritud-SAM) ja tiooli ((3-merkaptopropüül)-funktsionaliseeritud). sihtgaas NO2 selektiivseks tuvastamiseks (trimetoksüsilaan) (tiool-funktsionaliseeritud-SAM)) (joonis 10b) 74,161.
III tüüpi seadme ehitusel põhinev isetoitega fotoelektriline gaasiandur.isetoitega fotogalvaaniline gaasiandur, mis põhineb Si/ZnO@CdS-l, isetoitega andurmehhanism ja anduri reaktsioon oksüdeeritud (O2) ja redutseeritud (1000 ppm etanool) gaasidele päikesevalguse käes;74b Isejõuline fotogalvaaniline gaasiandur, mis põhineb Si ZnO/ZnO anduritel ja andurite reaktsioonid erinevatele gaasidele pärast ZnO SAM-i funktsionaliseerimist terminali amiinide ja tioolidega 161
Seetõttu on III tüüpi andurite tundliku mehhanismi käsitlemisel oluline kindlaks teha heteroristmiku barjääri kõrguse muutus ja gaasi võime mõjutada kandja kontsentratsiooni.Lisaks võib valgustus tekitada fotogenereeritud kandjaid, mis reageerivad gaasidega, mis on paljutõotav isel töötava gaasi tuvastamiseks.
Nagu käesolevas kirjanduse ülevaates käsitletud, on anduri jõudluse parandamiseks valmistatud palju erinevaid MOS-i heteronanostruktuure.Web of Science'i andmebaasist otsiti erinevaid märksõnu (metallioksiidi komposiidid, südamik-metallioksiidid, kihilised metallioksiidid ja isejõulised gaasianalüsaatorid) ning iseloomulikke omadusi (arvukus, tundlikkus/selektiivsus, elektritootmise potentsiaal, tootmine) .Meetod Neist kolmest seadmest kolme omadused on näidatud tabelis 2. Kõrge jõudlusega gaasiandurite üldist disainikontseptsiooni arutatakse Yamazoe välja pakutud kolme võtmeteguri analüüsimise teel.MOS-i heterostruktuuriandurite mehhanismid Gaasiandureid mõjutavate tegurite mõistmiseks on hoolikalt uuritud erinevaid MOS-i parameetreid (nt tera suurus, töötemperatuur, defektide ja hapniku vakantsi tihedus, avatud kristalltasandid).Seadme struktuur, mis on samuti anduri tajumiskäitumise jaoks kriitiline, on tähelepanuta jäetud ja sellest on harva arutatud.Selles ülevaates käsitletakse kolme tüüpilise seadme struktuuri tuvastamise aluseks olevaid mehhanisme.
I tüüpi anduri tera suuruse struktuur, tootmismeetod ja sensormaterjali heteroliidete arv võivad anduri tundlikkust oluliselt mõjutada.Lisaks mõjutab anduri käitumist ka komponentide molaarsuhe.II tüüpi seadmestruktuurid (dekoratiivsed heteronanostruktuurid, kahe- või mitmekihilised kiled, HSSN-id) on kõige populaarsemad seadmestruktuurid, mis koosnevad kahest või enamast komponendist ja elektroodiga on ühendatud ainult üks komponent.Selle seadme struktuuri jaoks on juhtivuskanalite asukoha ja nende suhteliste muutuste kindlaksmääramine tajumehhanismi uurimisel kriitilise tähtsusega.Kuna II tüüpi seadmed sisaldavad palju erinevaid hierarhilisi heteronanostruktuure, on välja pakutud palju erinevaid sensormehhanisme.III tüüpi sensoorses struktuuris domineerib juhtivuskanalis heteroristmikul moodustunud heteroliitmik ja tajumehhanism on täiesti erinev.Seetõttu on oluline määrata heteroristmiku barjääri kõrguse muutus pärast sihtgaasi kokkupuudet III tüüpi anduriga.Selle konstruktsiooniga saab elektritarbimise vähendamiseks teha isetoitega fotogalvaanilisi gaasiandureid.Kuna aga praegune valmistamisprotsess on üsna keeruline ja tundlikkus on palju madalam kui traditsioonilistel MOS-põhistel kemotakistuslikel gaasianduritel, on isejõuliste gaasiandurite uurimisel veel palju edusamme.
Hierarhilise heteronanostruktuuriga gaasi-MOS-andurite peamised eelised on kiirus ja suurem tundlikkus.Mõned MOS gaasiandurite põhiprobleemid (nt kõrge töötemperatuur, pikaajaline stabiilsus, halb selektiivsus ja reprodutseeritavus, niiskuse mõju jne) on aga endiselt olemas ja need tuleb enne praktilistes rakendustes kasutamist lahendada.Kaasaegsed MOS gaasiandurid töötavad tavaliselt kõrgetel temperatuuridel ja tarbivad palju energiat, mis mõjutab anduri pikaajalist stabiilsust.Selle probleemi lahendamiseks on kaks levinud lähenemisviisi: (1) väikese võimsusega andurikiipide arendamine;(2) uute tundlike materjalide väljatöötamine, mis võivad töötada madalal temperatuuril või isegi toatemperatuuril.Üks väikese võimsusega andurikiipide väljatöötamise lähenemisviis on anduri suuruse minimeerimine, valmistades keraamikal ja ränil põhinevaid mikrokuumutusplaate163.Keraamilised mikrokütteplaadid tarbivad umbes 50–70 mV anduri kohta, samal ajal kui optimeeritud ränipõhised mikrokütteplaadid võivad tarbida kuni 2 mW anduri kohta, kui nad töötavad pidevalt temperatuuril 300 °C163,164.Uute sensormaterjalide väljatöötamine on tõhus viis energiatarbimise vähendamiseks töötemperatuuri alandamise kaudu ja võib samuti parandada anduri stabiilsust.Kuna MOS-i suurust vähendatakse jätkuvalt anduri tundlikkuse suurendamiseks, muutub MOS-i termiline stabiilsus suuremaks väljakutseks, mis võib põhjustada anduri signaali triivi165.Lisaks soodustab kõrge temperatuur materjalide difusiooni heteroliidesel ja segafaaside teket, mis mõjutab anduri elektroonilisi omadusi.Teadlased teatavad, et anduri optimaalset töötemperatuuri saab vähendada sobivate sensormaterjalide valimise ja MOS-i heteronanostruktuuride väljatöötamisega.Veel üks paljutõotav lähenemisviis stabiilsuse parandamiseks on madala temperatuuriga meetodi otsimine väga kristalsete MOS-i heteronanostruktuuride valmistamiseks.
MOS-andurite selektiivsus on veel üks praktiline probleem, kuna sihtgaasiga eksisteerivad koos erinevad gaasid, samas kui MOS-andurid on sageli tundlikud rohkem kui ühe gaasi suhtes ja neil on sageli risttundlikkus.Seetõttu on praktiliste rakenduste jaoks ülioluline anduri selektiivsuse suurendamine nii sihtgaasi kui ka muude gaaside suhtes.Viimastel aastakümnetel on valikut osaliselt lahendatud gaasiandurite massiivide ehitamisega, mida nimetatakse "elektroonilisteks ninadeks (E-nose)" koos arvutusanalüüsi algoritmidega, nagu treeningvektori kvantimine (LVQ), põhikomponentide analüüs (PCA), jne e.Seksuaalsed probleemid.Osalised väikseimad ruudud (PLS) jne 31, 32, 33, 34. Kaks peamist tegurit (andurite arv, mis on tihedalt seotud sensormaterjali tüübiga ja arvutuslik analüüs) on elektrooniliste ninade võimekuse parandamiseks kriitilise tähtsusega. gaaside tuvastamiseks169.Andurite arvu suurendamine nõuab aga tavaliselt palju keerulisi tootmisprotsesse, mistõttu on ülioluline leida lihtne meetod elektrooniliste ninade jõudluse parandamiseks.Lisaks võib MOS-i muutmine teiste materjalidega suurendada ka anduri selektiivsust.Näiteks H2 selektiivset tuvastamist saab saavutada NP Pd-ga modifitseeritud MOS hea katalüütilise aktiivsuse tõttu.Viimastel aastatel on mõned teadlased katnud MOS MOF-i pinna, et parandada andurite selektiivsust suuruse välistamise kaudu171 172.Sellest tööst inspireerituna võib materjalide funktsionaliseerimine selektiivsuse probleemi kuidagi lahendada.Õige materjali valikul on aga veel palju tööd teha.
Samadel tingimustel ja meetoditel toodetud andurite omaduste korratavus on teine oluline nõue suuremahulise tootmise ja praktiliste rakenduste jaoks.Tavaliselt on tsentrifuugimise ja kastmise meetodid kõrge läbilaskevõimega gaasiandurite valmistamise madala hinnaga meetodid.Kuid nende protsesside käigus kipub tundlik materjal agregeeruma ning tundliku materjali ja substraadi vaheline seos muutub nõrgaks68, 138, 168. Selle tulemusena halveneb oluliselt anduri tundlikkus ja stabiilsus ning jõudlus muutub reprodutseeritavaks.Teised valmistamismeetodid, nagu pihustamine, ALD, impulsslaser-sadestamine (PLD) ja füüsiline aurustamine-sadestamine (PVD), võimaldavad kahe- või mitmekihiliste MOS-kilede tootmist otse mustriga räni- või alumiiniumoksiidi substraatidele.Need meetodid väldivad tundlike materjalide kogunemist, tagavad andurite reprodutseeritavuse ja näitavad tasapinnaliste õhukese kilega andurite suuremahulise tootmise teostatavust.Kuid nende lamedate kilede tundlikkus on nende väikese eripinna ja madala gaasi läbilaskvuse tõttu üldiselt palju madalam kui 3D-nanostruktureeritud materjalidel.Uued strateegiad MOS-i heteronanostruktuuride kasvatamiseks struktureeritud mikrokiipide teatud kohtades ja tundlike materjalide suuruse, paksuse ja morfoloogia täpseks kontrollimiseks on kriitilise tähtsusega suure reprodutseeritavuse ja tundlikkusega vahvlitaseme andurite odava valmistamise jaoks.Näiteks Liu et al.174 pakkus välja kombineeritud ülalt-alla ja alt-üles strateegia suure läbilaskevõimega kristalliitide valmistamiseks, kasvatades in situ Ni (OH) 2 nanoseinu kindlates kohtades..Vahvlid mikropõletite jaoks.
Lisaks on praktilistes rakendustes oluline arvestada ka niiskuse mõju andurile.Veemolekulid võivad konkureerida hapnikumolekulidega sensormaterjalide adsorptsioonikohtade pärast ja mõjutada anduri vastutust sihtgaasi eest.Nagu hapnik, toimib vesi füüsikalise sorptsiooni kaudu molekulina ja võib kemisorptsiooni kaudu eksisteerida ka hüdroksüülradikaalide või hüdroksüülrühmade kujul mitmesugustes oksüdatsioonijaamades.Lisaks on keskkonna kõrge taseme ja muutuva õhuniiskuse tõttu suureks probleemiks anduri usaldusväärne reaktsioon sihtgaasile.Selle probleemi lahendamiseks on välja töötatud mitu strateegiat, näiteks gaasi eelkontsentreerimine177, niiskuse kompenseerimine ja ristreaktiivse võre meetodid178, samuti kuivatamismeetodid179,180.Need meetodid on aga kallid, keerulised ja vähendavad anduri tundlikkust.Niiskuse mõju mahasurumiseks on välja pakutud mitmeid odavaid strateegiaid.Näiteks võib SnO2 kaunistamine Pd nanoosakestega soodustada adsorbeeritud hapniku muundumist anioonseteks osakesteks, samas kui SnO2 funktsionaliseerimine veemolekulide suhtes kõrge afiinsusega materjalidega, nagu NiO ja CuO, on kaks võimalust vältida niiskussõltuvust veemolekulidest..Andurid 181, 182, 183. Lisaks saab niiskuse mõju vähendada ka hüdrofoobsete materjalide kasutamisega hüdrofoobsete pindade moodustamiseks36,138,184,185.Niiskuskindlate gaasiandurite väljatöötamine on siiski alles algusjärgus ja nende probleemide lahendamiseks on vaja täiustatud strateegiaid.
Kokkuvõtteks võib öelda, et MOS-i heteronanostruktuuride loomisega on saavutatud tuvastamise jõudluse (nt tundlikkuse, selektiivsuse, madala optimaalse töötemperatuuri) paranemist ning pakutud on mitmesuguseid täiustatud tuvastamismehhanisme.Konkreetse anduri sensormehhanismi uurimisel tuleb arvestada ka seadme geomeetrilise struktuuriga.Gaasiandurite jõudluse edasiseks parandamiseks ja tulevaste probleemide lahendamiseks on vaja uurida uusi andurimaterjale ja täiustatud tootmisstrateegiaid.Anduri omaduste kontrollitud häälestamiseks on vaja süstemaatiliselt luua seos sensormaterjalide sünteetilise meetodi ja heteronanostruktuuride funktsiooni vahel.Lisaks võib tänapäevaste iseloomustusmeetodite abil pinnareaktsioonide ja heteroliideste muutuste uurimine aidata selgitada nende tajumise mehhanisme ja anda soovitusi heteronanostruktureeritud materjalidel põhinevate andurite arendamiseks.Lõpuks võib kaasaegsete andurite valmistamise strateegiate uurimine võimaldada miniatuursete gaasiandurite valmistamist vahvli tasemel nende tööstuslikeks rakendusteks.
Genzel, NN jt.Pikisuunaline uuring siseruumide lämmastikdioksiidi taseme ja hingamisteede sümptomite kohta astmahaigetel lastel linnapiirkondades.naabruskond.Tervise perspektiiv.116, 1428–1432 (2008).
Postitusaeg: 04.11.2022
