La disvolviĝo de alt-efikecaj, porteblaj kaj miniaturigitaj gassensiloj ricevas kreskantan atenton en la kampoj de media monitorado, sekureco, medicina diagnozo kaj agrikulturo.Inter diversaj detektaj iloj, metal-oksido-semikonduktaĵo (MOS) kemiorezistaj gassensiloj estas la plej populara elekto por komercaj aplikoj pro sia alta stabileco, malalta kosto, kaj alta sentemo.Unu el la plej gravaj aliroj por plu plibonigi la efikecon de la sensilo estas la kreado de nanograndaj MOS-bazitaj heterojunkcioj (hetero-nanostrukturitaj MOS) de MOS-nanomaterialoj.Tamen, la senta mekanismo de heteronanostrukturita MOS-sensilo estas diferenca de tiu de ununura MOS-gassensilo, ĉar ĝi estas sufiĉe kompleksa.Sensila agado estas tuŝita de diversaj parametroj, inkluzive de la fizikaj kaj kemiaj propraĵoj de la sentema materialo (kiel grajna grandeco, difekto-denseco kaj materialaj oksigenaj vakaĵoj), funkcia temperaturo kaj aparato strukturo.Ĉi tiu revizio prezentas plurajn konceptojn por dezajnado de alt-efikecaj gassensiloj analizante la sentan mekanismon de heterogenaj nanostrukturitaj MOS-sensiloj.Krome, la influo de la geometria strukturo de la aparato, determinita de la rilato inter la sentema materialo kaj la laborelektrodo, estas diskutita.Por studi sensilkonduton sisteme, ĉi tiu artikolo enkondukas kaj diskutas la ĝeneralan mekanismon de percepto de tri tipaj geometriaj strukturoj de aparatoj bazitaj sur diversaj heteronanostrukturitaj materialoj.Ĉi tiu superrigardo servos kiel gvidilo por estontaj legantoj, kiuj studas la sentemajn mekanismojn de gassensiloj kaj evoluigas alt-efikecajn gassensilojn.
Aera poluado estas ĉiam pli serioza problemo kaj serioza tutmonda media problemo, kiu minacas la bonfarton de homoj kaj vivestaĵoj.Enspiro de gasaj malpurigaĵoj povas kaŭzi multajn sanproblemojn kiel spira malsano, pulma kancero, leŭkemio kaj eĉ antaŭtempa morto1,2,3,4.De 2012 ĝis 2016, milionoj da homoj laŭdire mortis pro aerpoluo, kaj ĉiujare, miliardoj da homoj estis elmontritaj al malbona aerkvalito5.Tial, estas grave evoluigi porteblajn kaj miniaturigitajn gassensilojn kiuj povas disponigi realtempan religon kaj altan detektan efikecon (ekz., sentemo, selektiveco, stabileco, kaj respondo kaj reakiro tempoj).Krom media monitorado, gassensiloj ludas esencan rolon en sekureco6,7,8, medicina diagnozo9,10, akvokulturo11 kaj aliaj kampoj12.
Ĝis nun, pluraj porteblaj gassensiloj bazitaj sur malsamaj sentaj mekanismoj estis lanĉitaj, kiel ekzemple optikaj13,14,15,16,17,18, elektrokemiaj19,20,21,22 kaj kemiaj rezistaj sensiloj23,24.Inter ili, kemiaj rezistaj sensiloj metal-oksidaj-duonkonduktaĵoj (MOS) estas la plej popularaj en komercaj aplikoj pro sia alta stabileco kaj malalta kosto25,26.La poluaĵkoncentriĝo povas esti determinita simple detektante la ŝanĝon en MOS-rezisto.En la fruaj 1960-aj jaroj, la unuaj kemio-rezistemaj gassensiloj bazitaj sur ZnO maldikaj filmoj estis raportitaj, generante grandan intereson en la kampo de gasdetekto27,28.Hodiaŭ, multaj malsamaj MOS estas utiligitaj kiel gas-sentemaj materialoj, kaj ili povas esti dividitaj en du kategoriojn surbaze de siaj fizikaj trajtoj: n-tipa MOS kun elektronoj kiel la majoritatŝarĝoportantoj kaj p-tipa MOS kun truoj kiel la plimulto de ŝargoportantoj.ŝargoportantoj.Ĝenerale, la p-tipa MOS estas malpli populara ol la n-tipa MOS ĉar la indukta respondo de la p-tipa MOS (Sp) estas proporcia al la kvadrata radiko de la n-speca MOS (\(S_p = \sqrt { S_n}\ ) ) ĉe la samaj supozoj (ekzemple la sama morfologia strukturo kaj la sama ŝanĝo en la fleksado de la bendoj en la aero) 29,30.Tamen, unu-bazaj MOS-sensiloj daŭre alfrontas problemojn kiel ekzemple nesufiĉa detektlimo, malalta sentemo kaj selektiveco en praktikaj aplikoj.Selektivecproblemoj povas esti traktitaj iagrade kreante arojn de sensiloj (nomitaj "elektronikaj nazoj") kaj korpigante komputanalizalgoritmojn kiel ekzemple trejna vektora kvantigo (LVQ), ĉefkomponenta analizo (PCA), kaj parta malplej kvadrataj (PLS) analizo31 , 32, 33, 34, 35. Krome, la produktado de malaltdimensiaj MOS32,36,37,38,39 (ekz. unudimensiaj (1D), 0D kaj 2D nanomaterialoj), same kiel la uzo de aliaj nanomaterialoj ( ekz. MOS40,41,42 , noblaj metalaj nanopartikloj (NPs))43,44, karbonaj nanomaterialoj45,46 kaj konduktaj polimeroj47,48) por krei nanoskalajn heterojunkciojn (te, heteronanostrukturitaj MOS) estas aliaj preferataj aliroj por solvi ĉi-suprajn problemojn.Kompare kun tradiciaj dikaj MOS-filmoj, malalt-dimensia MOS kun alta specifa surfacareo povas disponigi pli aktivajn ejojn por gasadsorbado kaj faciligi gasdisvastiĝon36,37,49.Krome, la dezajno de heteronanostrukturoj bazitaj en MOS povas plue agordi transportadon ĉe la heterointerfaco, rezultigante grandajn ŝanĝojn en rezisto pro malsamaj funkciaj funkcioj50,51,52.Krome, iuj el la kemiaj efikoj (ekz., kataliza agado kaj sinergiaj surfacaj reagoj) kiuj okazas en la dezajno de MOS-heteronanostrukturoj ankaŭ povas plibonigi sensilan rendimenton.50,53,54 Kvankam desegni kaj fabriki MOS-heteronanostrukturojn estus promesplena aliro por plibonigi. sensilefikeco, modernaj kemiorezistaj sensiloj tipe uzas provon kaj eraron, kio estas tempopostula kaj malefika.Tial, estas grave kompreni la sentan mekanismon de MOS bazitaj gassensiloj ĉar ĝi povas gvidi la dezajnon de alt-efikecaj direktaj sensiloj.
En la lastaj jaroj, MOS-gassensiloj rapide disvolviĝis kaj kelkaj raportoj estis publikigitaj pri MOS-nanostrukturoj55,56,57, ĉambra temperaturo-gassensiloj58,59, specialaj MOS-sensiloj60,61,62 kaj specialaj gassensiloj63.Revizia papero en Aliaj Recenzoj temigas pliklarigado de la senta mekanismo de gassensiloj bazitaj sur la internaj fizikaj kaj kemiaj trajtoj de MOS, inkluzive de la rolo de oksigenaj vakantaĵoj 64 , la rolo de heteronanostrukturoj 55, 65 kaj ŝargotranslokigo ĉe heterointerfacoj 66. Krome. , Multaj aliaj parametroj influas sensilan rendimenton, inkluzive de heterostrukturo, grajngrandeco, funkciada temperaturo, difektodenseco, oksigenvakantaĵoj, kaj eĉ malfermaj kristalaj aviadiloj de la sentema materialo25,67,68,69,70,71.72, 73. Tamen, la (malofte menciita) geometria strukturo de la aparato, determinita de la rilato inter la senta materialo kaj la laborelektrodo, ankaŭ signife influas la sentivecon de la sensilo74,75,76 (vidu sekcion 3 por pliaj detaloj) .Ekzemple, Kumar et al.77 raportis du gassensilojn bazitajn sur la sama materialo (ekz., du-tavolaj gassensiloj bazitaj sur TiO2@NiO kaj NiO@TiO2) kaj observis malsamajn ŝanĝojn en NH3-gasa rezisto pro malsamaj aparatgeometrioj.Tial, kiam oni analizas gas-sentantan mekanismon, gravas konsideri la strukturon de la aparato.En ĉi tiu revizio, la verkintoj temigas MOS-bazitajn detektajn mekanismojn por diversaj heterogenaj nanostrukturoj kaj aparataj strukturoj.Ni kredas, ke ĉi tiu revizio povas servi kiel gvidilo por legantoj dezirantaj kompreni kaj analizi gasajn detektajn mekanismojn kaj povas kontribui al la disvolviĝo de estontaj alt-efikecaj gassensiloj.
Sur fig.1a montras la bazan modelon de gasa senta mekanismo bazita sur ununura MOS.Ĉar la temperaturo altiĝas, la adsorbado de oksigenaj (O2) molekuloj sur la MOS-surfaco altiros elektronojn de la MOS kaj formos anjonajn speciojn (kiel ekzemple O2- kaj O-).Tiam, elektron-malpleniga tavolo (EDL) por n-speca MOS aŭ trua akumultavolo (HAL) por p-tipa MOS tiam estas formita sur la surfaco de la MOS 15, 23, 78. La interagado inter O2 kaj la MOS igas la kondukgrupon de la surfaca MOS fleksi supren kaj formi eblan barieron.Poste, kiam la sensilo estas eksponita al la celgaso, la gaso adsorbita sur la surfaco de la MOS reagas kun jonaj oksigenspecioj, aŭ altirante elektronojn (oksidanta gaso) aŭ donacante elektronojn (reduktanta gason).Elektrona translokigo inter la celgaso kaj la MOS povas ĝustigi la larĝon de la EDL aŭ HAL30,81 rezultigante ŝanĝon en la totala rezisto de la MOS-sensilo.Ekzemple, por reduktanta gaso, elektronoj estos transdonitaj de la reduktanta gaso al n-speca MOS, rezultigante pli malaltan EDL kaj pli malaltan reziston, kiu estas referita kiel n-speca sensilkonduto.En kontrasto, kiam p-tipa MOS estas eksponita al reduktanta gaso kiu determinas la p-tipan sentemkonduton, la HAL ŝrumpas kaj la rezisto pliiĝas pro elektrondonaco.Por oksigenaj gasoj, la sensilrespondo estas kontraŭa al tiu por reduktado de gasoj.
Bazaj detektaj mekanismoj por n-tipa kaj p-tipa MOS por reduktado kaj oksigenado de gasoj b Ŝlosilaj faktoroj kaj fiziko-kemiaj aŭ materialaj trajtoj implikitaj en duonkonduktaĵaj gassensiloj 89
Krom la baza detekta mekanismo, la gasdetektaj mekanismoj uzataj en praktikaj gassensiloj estas sufiĉe kompleksaj.Ekzemple, la fakta uzo de gassensilo devas renkonti multajn postulojn (kiel ekzemple sentemo, selektiveco kaj stabileco) depende de la bezonoj de la uzanto.Ĉi tiuj postuloj estas proksime rilataj al la fizikaj kaj kemiaj trajtoj de la sentema materialo.Ekzemple, Xu et al.71 pruvis ke SnO2 bazitaj sensiloj atingas la plej altan sentemon kiam la kristala diametro (d) estas egala al aŭ malpli ol dufoje la Debye-longo (λD) de SnO271.Kiam d ≤ 2λD, SnO2 estas tute malplenigita post la adsorbado de O2-molekuloj, kaj la respondo de la sensilo al la reduktanta gaso estas maksimuma.Krome, diversaj aliaj parametroj povas influi sensilan rendimenton, inkluzive de operacia temperaturo, kristalaj difektoj, kaj eĉ elmontritaj kristalaj aviadiloj de la senta materialo.Aparte, la influo de la funkciada temperaturo estas klarigita per la ebla konkurenco inter la indicoj de adsorbado kaj malsorbado de la cela gaso, same kiel la surfaca reagemo inter adsorbitaj gasmolekuloj kaj oksigenaj partikloj4,82.La efiko de kristalaj difektoj forte rilatas al la enhavo de vakantaĵoj de oksigeno [83, 84].La funkciado de la sensilo ankaŭ povas esti tuŝita de malsama reagemo de malfermaj kristalaj vizaĝoj67,85,86,87.Malfermaj kristalaj aviadiloj kun pli malalta denseco malkaŝas pli nekunordigitajn metalkatjonojn kun pli altaj energioj, kiuj antaŭenigas surfacan adsorbadon kaj reagemon88.Tablo 1 listigas plurajn ŝlosilajn faktorojn kaj iliajn rilatajn plibonigitajn perceptajn mekanismojn.Tial, ĝustigante ĉi tiujn materialajn parametrojn, detekta rendimento povas esti plibonigita, kaj estas kritike determini la ŝlosilajn faktorojn influantajn sensilan rendimenton.
Yamazoe89 kaj Shimanoe et al.68,71 faris kelkajn studojn pri la teoria mekanismo de sensila percepto kaj proponis tri sendependajn ŝlosilajn faktorojn influantajn sensilan agadon, specife receptoran funkcion, transduktilan funkcion kaj utilecon (Fig. 1b)..Receptora funkcio rilatas al la kapablo de la MOS-surfaco interagi kun gasmolekuloj.Tiu funkcio estas proksime rilatita al la kemiaj trajtoj de MOS kaj povas esti signife plibonigita enkondukante eksterlandajn akceptantojn (ekzemple, metalaj NPoj kaj aliaj MOS).La transduktilfunkcio rilatas al la kapablo konverti la reagon inter la gaso kaj la MOS-surfaco en elektran signalon dominitan per la grenlimoj de la MOS.Tiel, sensa funkcio estas signife trafita per MOC-partiklograndeco kaj denseco de fremdaj receptoroj.Katoch et al.90 raportis, ke grajngrandeco-redukto de ZnO-SnO2 nanofibriloj rezultigis la formadon de multaj heterojunctions kaj pliigis sensivan sentemon, kongrua kun transduktilfunkcieco.Wang et al.91 komparis diversajn grajngrandecojn de Zn2GeO4 kaj pruvis 6.5-oblan pliiĝon en sensilo-sentemo post enkondukado de grenlimoj.Servaĵo estas alia ŝlosila sensila agado-faktoro, kiu priskribas la haveblecon de gaso al la interna MOS-strukturo.Se gasmolekuloj ne povas penetri kaj reagi kun la interna MOS, la sentemo de la sensilo estos reduktita.La utileco estas proksime rilatita al la difuzprofundo de speciala gaso, kiu dependas de la porgrandeco de la senta materialo.Sakai et al.92 modeligis la sentemon de la sensilo al fumgasoj kaj trovis ke kaj la molekula pezo de la gaso kaj la porradiuso de la sensilmembrano influas la sentemon de la sensilo ĉe malsamaj gasdisvastigo profundoj en la sensilmembrano.La supra diskuto montras, ke alt-efikecaj gassensiloj povas esti evoluigitaj per ekvilibro kaj optimumigado de receptorfunkcio, transduktilfunkcio kaj servaĵo.
Ĉi-supra laboro klarigas la bazan perceptan mekanismon de ununura MOS kaj diskutas plurajn faktorojn kiuj influas la agadon de MOS.Aldone al ĉi tiuj faktoroj, gassensiloj bazitaj sur heterostrukturoj povas plu plibonigi sensilan rendimenton signife plibonigante sensilon kaj receptorfunkciojn.Krome, heteronanostrukturoj povas plu plibonigi sensilan rendimenton plibonigante katalizajn reagojn, reguligante ŝargan translokigon kaj kreante pliajn adsorbajn ejojn.Ĝis nun, multaj gassensiloj bazitaj sur MOS-heteronanostrukturoj estis studitaj por diskuti mekanismojn por plibonigita sentado95,96,97.Miller et al.55 resumis plurajn mekanismojn kiuj verŝajne plibonigos la sentemon de heteronanostrukturoj, inkluzive de surfac-dependaj, interfac-dependaj kaj struktur-dependaj.Inter ili, la interfac-dependa plifortiga mekanismo estas tro komplika por kovri ĉiujn interfacinteragojn en unu teorio, ĉar diversaj sensiloj bazitaj sur heteronanostrukturitaj materialoj (ekzemple, nn-heterojunkcio, pn-heterojunkcio, pp-heterojunkcio, ktp.) povas esti uzitaj. .Schottky-nodo).Tipe, heteronanostrukturitaj sensiloj bazitaj en MOS ĉiam inkluzivas du aŭ pli altnivelajn sensilmekanismojn98,99,100.La sinergia efiko de ĉi tiuj plifortigaj mekanismoj povas plibonigi la ricevon kaj prilaboradon de sensilsignaloj.Tiel, kompreni la mekanismon de percepto de sensiloj bazitaj sur heterogenaj nanostrukturitaj materialoj estas decida por helpi esploristojn evoluigi desuprajn gassensilojn konforme al iliaj bezonoj.Krome, la geometria strukturo de la aparato ankaŭ povas signife influi la sentivecon de la sensilo 74, 75, 76. Por sisteme analizi la konduton de la sensilo, la sensaj mekanismoj de tri aparataj strukturoj bazitaj sur malsamaj heteronanostrukturitaj materialoj estos prezentitaj. kaj diskutita sube.
Kun la rapida evoluo de MOS bazitaj gassensiloj, diversaj hetero-nanostrukturitaj MOS estis proponitaj.La ŝargotranslokigo ĉe la heterointerfaco dependas de la malsamaj Fermi-niveloj (Ef) de la komponentoj.Ĉe la heterointerfaco, elektronoj moviĝas de unu flanko kun pli granda Ef al la alia flanko kun pli malgranda Ef ĝis iliaj Fermi-niveloj atingas ekvilibron, kaj truojn, inverse.Tiam la portantoj ĉe la heterointerfaco estas malplenigitaj kaj formas malplenigitan tavolon.Post kiam la sensilo estas eksponita al la celgaso, la heteronanostrukturita MOS-aviad-kompaniokoncentriĝo ŝanĝiĝas, same kiel la barieralteco, tiel plibonigante la detektsignalon.Krome, malsamaj metodoj de fabrikado de heteronanostrukturoj kondukas al malsamaj rilatoj inter materialoj kaj elektrodoj, kiu kondukas al malsamaj aparatgeometrioj kaj malsamaj sentmekanismoj.En ĉi tiu revizio, ni proponas tri geometriajn aparatojn kaj diskutas la sentan mekanismon por ĉiu strukturo.
Kvankam heterojunkcioj ludas tre gravan rolon en gasa detekto-efikeco, la aparatgeometrio de la tuta sensilo ankaŭ povas signife influi la detektokonduton, ĉar la loko de la sensila kondukkanalo estas tre dependa de la aparatgeometrio.Tri tipaj geometrioj de heterojunkciaj MOS-aparatoj estas diskutitaj ĉi tie, kiel montrite en Figuro 2. En la unua tipo, du MOS-konektoj estas hazarde distribuitaj inter du elektrodoj, kaj la loko de la kondukta kanalo estas determinita de la ĉefa MOS, la dua estas la formado de heterogenaj nanostrukturoj de malsamaj MOS, dum nur unu MOS estas ligita al la elektrodo.elektrodo estas ligita, tiam la kondukta kanalo kutime situas ene de la MOS kaj estas rekte ligita al la elektrodo.En la tria tipo, du materialoj estas alkroĉitaj al du elektrodoj aparte, gvidante la aparaton tra heterojunkcio formita inter la du materialoj.
Dividostreko inter kunmetaĵoj (ekz. “SnO2-NiO”) indikas ke la du komponantoj estas simple miksitaj (tipo I)."@" signo inter du ligoj (ekz. "SnO2@NiO") indikas ke la skafalda materialo (NiO) estas ornamita kun SnO2 por tipo II sensilstrukturo.Oblikvo (ekz. "NiO/SnO2") indikas tipon III-sensildezajnon.
Por gassensiloj bazitaj sur MOS-kunmetaĵoj, du MOS-elementoj estas hazarde distribuitaj inter la elektrodoj.Multaj elpensaĵmetodoj estis evoluigitaj por prepari MOS-kunmetaĵojn, inkluzive de sol-ĝelo, kunprecipitado, hidrotermika, elektrospinning, kaj mekanikaj miksaj metodoj98,102,103,104.Lastatempe, metal-organikaj kadroj (MOFoj), klaso de poraj kristalaj strukturitaj materialoj kunmetitaj de metalcentroj kaj organikaj ligiloj, estis utiligitaj kiel ŝablonoj por la fabrikado de poraj MOS-kunmetaĵoj105,106,107,108.Indas noti, ke kvankam la procento de MOS-kunmetaĵoj estas la sama, la sentemaj trajtoj povas multe varii kiam oni uzas malsamajn produktadajn procezojn.109,110 Ekzemple, Gao et al.109 fabrikis du sensilojn bazitajn sur MoO3±SnO2-komponaĵoj kun la sama atomproporcio. ( Mo:Sn = 1:1.9) kaj trovis, ke malsamaj fabrikaj metodoj kondukas al malsamaj sentemoj.Shaposhnik et al.110 raportis ke la reago de kunprecipitita SnO2-TiO2 al gasa H2 diferencis de tiu de meĥanike miksitaj materialoj, eĉ ĉe la sama Sn/Ti-proporcio.Ĉi tiu diferenco aperas ĉar la rilato inter MOP kaj MOP-kristalitgrandeco varias laŭ malsamaj sintezaj metodoj109,110.Kiam la grajngrandeco kaj formo estas konsekvencaj laŭ donanta denseco kaj duonkondukta tipo, la respondo devus resti la sama se la kontaktogeometrio ne ŝanĝiĝas 110 .Staerz et al.111 raportis ke la detektkarakterizaĵoj de SnO2-Cr2O3-kerno-ingo (CSN) nanofibroj kaj grundaj SnO2-Cr2O3 CSN-oj estis preskaŭ identaj, sugestante ke la nanofibra morfologio ne ofertas ajnan avantaĝon.
Aldone al la malsamaj fabrikaj metodoj, la duonkonduktaĵospecoj de la du malsamaj MOSFEToj ankaŭ influas la sentemon de la sensilo.Ĝi povas esti plue dividita en du kategoriojn depende de ĉu la du MOSFEToj estas de la sama speco de duonkonduktaĵo (nn aŭ pp-krucvojo) aŭ malsamaj tipoj (pn-krucvojo).Kiam gassensiloj estas bazitaj sur MOS-kunmetaĵoj de la sama tipo, ŝanĝante la molan rilatumon de la du MOS, la sentema respondkarakterizaĵo restas senŝanĝa, kaj la sensilo-sentemo varias dependi de la nombro da nn- aŭ pp-heterojunctions.Kiam unu komponanto superregas en la kunmetaĵo (ekz. 0.9 ZnO-0.1 SnO2 aŭ 0.1 ZnO-0.9 SnO2), la kondukkanalo estas determinita per la domina MOS, nomita la homojunction-kondukta kanalo 92 .Kiam la proporcioj de la du komponentoj estas kompareblaj, estas supozite ke la kondukkanalo estas dominita per la heterojunkcio98,102.Yamazoe et al.112,113 raportis, ke la heterokontakta regiono de la du komponantoj povas multe plibonigi la sentivecon de la sensilo ĉar la heterojunkcia baro formita pro la malsamaj funkciaj funkcioj de la komponantoj povas efike kontroli la drivan moveblecon de la sensilo elmontrita al elektronoj.Diversaj ĉirkaŭaj gasoj 112,113.Sur fig.Figuro 3a montras, ke sensiloj bazitaj sur SnO2-ZnO fibrecaj hierarkiaj strukturoj kun malsamaj ZnO-enhavoj (de 0 ĝis 10 mol% Zn) povas selekteme detekti etanolon.Inter ili, sensilo bazita sur SnO2-ZnO-fibroj (7 mol.% Zn) montris la plej altan sentivecon pro la formado de granda nombro da heterojunkcioj kaj pliiĝo en la specifa surfacareo, kiu pliigis la funkcion de la konvertilo kaj plibonigis. sentemo 90 Tamen, kun plia pliiĝo en la ZnO-enhavo al 10 mol.%, la mikrostruktura SnO2-ZnO-komponaĵo povas envolvi surfacajn aktivigajn areojn kaj redukti sensivan sentivecon85.Simila tendenco ankaŭ estas observita por sensiloj bazitaj sur NiO-NiFe2O4 pp heterojunkciaj kunmetaĵoj kun malsamaj Fe/Ni-proporcioj (Fig. 3b)114.
SEM-bildoj de SnO2-ZnO-fibroj (7 mol.% Zn) kaj sensilrespondo al diversaj gasoj kun koncentriĝo de 100 ppm je 260 °C;54b Respondoj de sensiloj bazitaj sur puraj NiO kaj NiO-NiFe2O4-kunmetaĵoj je 50 ppm de diversaj gasoj, 260 °C;114 (c) Skema diagramo de la nombro da nodoj en la kunmetaĵo de xSnO2-(1-x)Co3O4 kaj la respondaj rezistaj kaj sentemaj reagoj de la kunmetaĵo de xSnO2-(1-x)Co3O4 per 10 ppm CO, acetono, C6H6 kaj SO2 gaso je 350 °C ŝanĝante la molan rilatumon de Sn/Co 98
La pn-MOS-kunmetaĵoj montras malsaman sentemkonduton depende de la atomproporcio de MOS115.Ĝenerale, la sensa konduto de MOS-kunmetaĵoj estas tre dependa de kiu MOS funkcias kiel la primara kondukkanalo por la sensilo.Tial, estas tre grave karakterizi la procentan komponadon kaj nanostrukturon de kunmetaĵoj.Kim et al.98 konfirmis ĉi tiun konkludon per sintezado de serio de xSnO2 ± (1-x)Co3O4 kunmetitaj nanofibroj per elektrospinado kaj studado de iliaj sensilpropraĵoj.Ili observis, ke la konduto de la komponita sensilo SnO2-Co3O4 ŝanĝis de n-tipo al p-tipo reduktante la procenton de SnO2 (Fig. 3c)98.Krome, heterojunction-dominitaj sensiloj (bazitaj sur 0.5 SnO2-0.5 Co3O4) montris la plej altajn dissendrapidecojn por C6H6 komparite kun homojunction-dominantaj sensiloj (ekz., altaj SnO2 aŭ Co3O4-sensiloj).La eneca alta rezisto de la sensilo bazita sur 0.5 SnO2-0.5 Co3O4 kaj ĝia pli granda kapablo moduli la totalan sensilreziston kontribuas al ĝia plej alta sentemo al C6H6.Krome, kradaj miskongruaj difektoj originantaj de SnO2-Co3O4-heterointerfacoj povas krei preferatajn adsorbadlokojn por gasmolekuloj, tiel plibonigante sensilrespondon109,116.
Aldone al duonkonduktaĵo-speca MOS, la tuŝkonduto de MOS-kunmetaĵoj ankaŭ povas esti personecigita uzante la kemion de MOS-117.Huo et al.117 uzis simplan tremp-bakan metodon por prepari Co3O4-SnO2-kunmetaĵojn kaj trovis, ke ĉe mola proporcio Co/Sn de 10%, la sensilo elmontris p-tipan detektan respondon al H2 kaj n-tipan sentemon al H2.respondo.Sensilrespondoj al CO, H2S kaj NH3-gasoj estas montritaj en Figuro 4a117.Ĉe malaltaj Co/Sn-proporcioj, multaj homojunkcioj formiĝas ĉe la SnO2±SnO2 nanograjnlimoj kaj elmontras n-specajn sensilrespondojn al H2 (Fig. 4b, c)115.Kun pliiĝo en la rilatumo Co/Sn ĝis 10 mol.%, anstataŭ SnO2-SnO2 homojunctions, multaj Co3O4-SnO2 heterojunctions estis samtempe formitaj (Fig. 4d).Ĉar Co3O4 estas neaktiva kun respekto al H2, kaj SnO2 reagas forte kun H2, la reago de H2 kun jonaj oksigenspecioj plejparte okazas sur la surfaco de SnO2117.Tial, elektronoj moviĝas al SnO2 kaj Ef SnO2 ŝanĝiĝas al la kondukta bendo, dum Ef Co3O4 restas senŝanĝa.Kiel rezulto, la rezisto de la sensilo pliiĝas, indikante ke materialoj kun alta Co/Sn-proporcio elmontras p-tipan sentantan konduton (Fig. 4e).En kontrasto, CO, H2S kaj NH3-gasoj reagas kun jonaj oksigenspecioj sur la SnO2 kaj Co3O4-surfacoj, kaj elektronoj moviĝas de la gaso al la sensilo, rezultigante malkreskon en bariera alteco kaj n-tipa sentemo (Fig. 4f)..Tiu malsama sensilkonduto ŝuldiĝas al la malsama reagemo de Co3O4 kun malsamaj gasoj, kiu estis plue konfirmita fare de Yin et al.118 .Simile, Katoch et al.119 pruvis ke SnO2-ZnO-kunmetaĵoj havas bonan selektivecon kaj altan sentemon al H2.Tiu konduto okazas ĉar H-atomoj povas esti facile adsorbitaj al la O-pozicioj de ZnO pro forta hibridiĝo inter la s-orbitalo de H kaj la p-orbitalo de O, kiu kondukas al metalizado de ZnO120,121.
a Co/Sn-10% dinamikaj rezistaj kurboj por tipaj reduktantaj gasoj kiel ekzemple H2, CO, NH3 kaj H2S, b, c Co3O4/SnO2 kunmetita senta mekanismo diagramo por H2 je malalta % m.Co/Sn, df Co3O4 Mekanismodetekto de H2 kaj CO, H2S kaj NH3 kun alta Co/Sn/SnO2-kunmetaĵo
Sekve, ni povas plibonigi la sentivecon de la I-speca sensilo elektante taŭgajn fabrikajn metodojn, reduktante la grajngrandecon de la kunmetaĵoj kaj optimumigante la molan rilatumon de la MOS-kunmetaĵoj.Krome, profunda kompreno de la kemio de la sentema materialo povas plue plibonigi la selektivecon de la sensilo.
Tipo II-sensilstrukturoj estas alia populara sensilstrukturo kiu povas uzi gamon da heterogenaj nanostrukturitaj materialoj, inkluzive de unu "majstra" nanomaterialo kaj duan aŭ eĉ trian nanomaterialon.Ekzemple, unudimensiaj aŭ dudimensiaj materialoj ornamitaj per nanopartikloj, kerno-ŝelo (CS) kaj plurtavolaj heteronanostrukturitaj materialoj estas ofte uzitaj en tipo II-sensilstrukturoj kaj estos diskutitaj detale malsupre.
Por la unua heteronanostruktura materialo (ornamita heteronanostrukturo), kiel montrite en Fig. 2b (1), la konduktaj kanaloj de la sensilo estas ligitaj per bazmaterialo.Pro la formado de heterojunkcioj, modifitaj nanopartikloj povas disponigi pli reaktivajn ejojn por gasadsorbado aŭ malsorbado, kaj ankaŭ povas funkcii kiel kataliziloj por plibonigi sentantan efikecon109,122,123,124.Yuan et al.41 notis ke ornamado de WO3-nanodratoj kun CeO2-nanodotoj povas disponigi pli da adsorbadejoj ĉe la CeO2@WO3-heterointerfaco kaj la CeO2-surfaco kaj generi pli da kemisorbitaj oksigenspecioj por reago kun acetono.Gunawan et al.125. Ultra-alta sentema acetonsensilo bazita sur unudimensia Au@α-Fe2O3 estis proponita kaj estis observite ke la sentemo de la sensilo estas kontrolita per la aktivigo de O2-molekuloj kiel oksigenfonto.La ĉeesto de Au NPs povas funkcii kiel katalizilo antaŭeniganta la distanciĝon de oksigenmolekuloj en kradan oksigenon por la oksigenado de acetono.Similaj rezultoj estis akiritaj de Choi et al.9 kie Pt-katalizilo kutimis disigi adsorbitajn oksigenmolekulojn en jonigitajn oksigenspeciojn kaj plifortigi la senteman respondon al acetono.En 2017, la sama esplorteamo pruvis, ke bimetalaj nanopartikloj estas multe pli efikaj en katalizo ol ununuraj noblaj metalaj nanopartikloj, kiel montrite en Figuro 5126. 5a estas skemo de la produktadprocezo por platen-bazitaj bimetalaj (PtM) NPs uzantaj apoferitinĉelojn kun meza grandeco de malpli ol 3 nm.Tiam, uzante la elektrospinning-metodon, PtM@WO3 nanofibroj estis akiritaj por pliigi la sentemon kaj selektivecon al acetono aŭ H2S (Fig. 5b-g).Lastatempe, ununuraj atomkataliziloj (SAC) montris bonegan katalizan efikecon en la kampo de katalizo kaj gasanalizo pro la maksimuma efikeco de la uzo de atomoj kaj agorditaj elektronikaj strukturoj127,128.Shin et al.129 uzis Pt-SA ankritan karbonitruron (MCN), SnCl2 kaj PVP nanotukojn kiel kemiajn fontojn por prepari Pt@MCN@SnO2 enliniajn fibrojn por gasdetekto.Malgraŭ la tre malalta enhavo de Pt@MCN (de 0,13 pez% ĝis 0,68 pez%), la detekta efikeco de gasa formaldehido Pt@MCN@SnO2 estas pli bona ol aliaj referencprovaĵoj (pura SnO2, MCN@SnO2 kaj Pt NPs@). SnO2)..Ĉi tiu bonega detekta efikeco povas esti atribuita al la maksimuma atoma efikeco de la Pt SA katalizilo kaj la minimuma priraportado de SnO2129 aktivaj ejoj.
Apoferitin-ŝarĝita enkapsuligmetodo por akiri PtM-apo (PtPd, PtRh, PtNi) nanopartiklojn;dinamikaj gas-sentemaj trajtoj de bd pristina WO3, PtPd@WO3, PtRn@WO3, kaj Pt-NiO@WO3 nanofibroj;surbaze, ekzemple, de la selektecaj propraĵoj de PtPd@WO3, PtRn@WO3 kaj Pt-NiO@WO3 nanofibrsensiloj al 1 ppm da interferanta gaso 126
Krome, heterojunkcioj formitaj inter eŝafodaj materialoj kaj nanopartikloj ankaŭ povas efike moduli konduktajn kanalojn per radiala modula mekanismo por plibonigi sensilan rendimenton130,131,132.Sur fig.Figuro 6a montras la sensilajn karakterizaĵojn de pura SnO2 kaj Cr2O3@SnO2 nanodratoj por reduktado kaj oksigenado de gasoj kaj la respondaj sensilmekanismoj131.Kompare al puraj SnO2 nanodratoj, la respondo de Cr2O3@SnO2 nanodratoj al reduktantaj gasoj estas tre plifortigita, dum la respondo al oksigenaj gasoj estas plimalbonigita.Tiuj fenomenoj estas proksime rilatitaj al la loka malakceliĝo de la konduktaj kanaloj de la SnO2 nanodratoj en la radiala direkto de la formita pn-heterojunkcio.La sensilrezisto povas esti simple agordita ŝanĝante la EDL-larĝon sur la surfaco de puraj SnO2-nanodratoj post eksponiĝo al reduktado kaj oksigenado de gasoj.Tamen, por Cr2O3@SnO2 nanodratoj, la komenca DEL de SnO2-nanodratoj en aero estas pliigita komparite kun puraj SnO2-nanodratoj, kaj la konduktkanalo estas subpremita pro la formado de heterojunkcio.Tial, kiam la sensilo estas senŝirma al reduktanta gaso, la kaptitaj elektronoj estas liberigitaj en la SnO2 nanodratojn kaj la EDL estas draste reduktita, rezultigante pli altan sentemon ol puraj SnO2 nanodratoj.Male, dum ŝanĝado al oksigena gaso, DEL-vastiĝo estas limigita, rezultigante malaltan sentemon.Similaj sensaj respondrezultoj estis observitaj fare de Choi et al., 133 en kiuj SnO2-nanodratoj ornamitaj per p-tipaj WO3-nanopartikloj montris signife plibonigitan sensan respondon al reduktado de gasoj, dum n-ornamitaj SnO2-sensiloj plibonigis sentemon al oksigenaj gasoj.TiO2 nanopartikloj (Fig. 6b) 133. Ĉi tiu rezulto estas ĉefe pro la malsamaj laborfunkcioj de SnO2 kaj MOS (TiO2 aŭ WO3) nanopartikloj.En p-specaj (n-specaj) nanopartikloj, la kondukta kanalo de la kadromaterialo (SnO2) disetendiĝas (aŭ kontraktiĝas) en la radiala direkto, kaj tiam, sub la ago de redukto (aŭ oksigenado), plia vastiĝo (aŭ mallongigo) de la kondukkanalo de SnO2 – ripo ) de la gaso ( Fig. 6b).
Radiala moduladmekanismo induktita per modifita LF MOS.Resumo de gasrespondoj al 10 ppm reduktantaj kaj oksigenantaj gasoj surbaze de pura SnO2 kaj Cr2O3@SnO2 nanodratoj kaj ekvivalentaj sentmekanismo skemaj diagramoj;kaj respondaj skemoj de WO3@SnO2-nanobatoj kaj detekta mekanismo133
En dutavolaj kaj plurtavolaj heterostrukturaj aparatoj, la kondukkanalo de la aparato estas dominita per la tavolo (kutime la malsupra tavolo) en rekta kontakto kun la elektrodoj, kaj la heterojunkcio formita ĉe la interfaco de la du tavoloj povas kontroli la konduktivecon de la malsupra tavolo. .Tial, kiam gasoj interagas kun la supra tavolo, ili povas signife influi la konduktajn kanalojn de la malsupra tavolo kaj la reziston 134 de la aparato.Ekzemple, Kumar et al.77 raportis la kontraŭan konduton de TiO2@NiO kaj NiO@TiO2 duoblaj tavoloj por NH3.Tiu diferenco estiĝas ĉar la konduktaj kanaloj de la du sensiloj dominas en tavoloj de malsamaj materialoj (NiO kaj TiO2, respektive), kaj tiam la varioj en la subestaj konduktaj kanaloj estas malsamaj77.
Dutavolaj aŭ plurtavolaj heteronanostrukturoj estas ofte produktitaj per ŝprucado, atomtavola demetado (ALD) kaj centrifugado56,70,134,135,136.La filmo dikeco kaj la kontakta areo de la du materialoj povas esti bone kontrolitaj.Figuroj 7a kaj b montras NiO@SnO2 kaj Ga2O3@WO3 nanofilmojn akiritajn per sputterado por etanola detekto135,137.Tamen, tiuj metodoj ĝenerale produktas platajn filmojn, kaj tiuj plataj filmoj estas malpli sentemaj ol 3D nanostrukturitaj materialoj pro sia malalta specifa surfacareo kaj gaspermeablo.Tial, likvafaza strategio por fabriki bitavolfilmojn kun malsamaj hierarkioj ankaŭ estis proponita plibonigi perceptan efikecon pliigante la specifan surfacareon41,52,138.Zhu et al139 kombinis sputtering kaj hidrotermikajn teknikojn por produkti tre ordigitajn ZnO-nanodratojn super SnO2-nanodratoj (ZnO@SnO2-nanodratoj) por H2S-detekto (Fig. 7c).Ĝia respondo al 1 ppm H2S estas 1.6 fojojn pli alta ol tiu de sensilo bazita sur ŝprucitaj ZnO@SnO2 nanofilmoj.Liu et al.52 raportis alt-efikan H2S-sensilon uzante du-paŝan surlokan kemian deponan metodon por fabriki hierarkiajn nanostrukturojn de SnO2@NiO sekvitaj de termika recocido (Fig. 10d).Kompare al konvenciaj ŝprucitaj SnO2@NiO-dutavolaj filmoj, la sentemeca agado de la SnO2@NiO-hierarkia bitavolstrukturo estas signife plibonigita pro la pliiĝo en specifa surfacareo52,137.
Duobla tavola gassensilo bazita sur MOS.NiO@SnO2 nanofilmo por etanola detekto;137b Ga2O3@WO3 nanofilmo por etanola detekto;135c tre ordigita SnO2@ZnO dutavola hierarkia strukturo por H2S-detekto;139d SnO2@NiO-dutavola hierarkia strukturo por detektado de H2S52.
En tipo II-aparatoj bazitaj sur kernŝelaj heteronanostrukturoj (CSHNoj), la sentmekanismo estas pli kompleksa, ĉar la konduktaj kanaloj ne estas limigitaj al la interna ŝelo.Kaj la produktadvojo kaj la dikeco (hs) de la pakaĵo povas determini la lokon de la konduktaj kanaloj.Ekzemple, kiam oni uzas desuprajn sintezajn metodojn, konduktaj kanaloj estas kutime limigitaj al la interna kerno, kiu similas en strukturo al dutavolaj aŭ plurtavolaj aparatostrukturoj (Fig. 2b(3)) 123, 140, 141, 142, 143. Xu et al.144 raportis desupran aliron por akiri CSHN NiO@α-Fe2O3 kaj CuO@α-Fe2O3 per deponado de tavolo de NiO aŭ CuO NPs sur α-Fe2O3 nanoroj en kiuj la kondukkanalo estis limigita de la centra parto.(nanoroj α-Fe2O3).Liu et al.142 ankaŭ sukcesis pri limigado de la kondukta kanalo al la ĉefparto de CSHN TiO2 @ Si deponante TiO2 sur pretaj aroj de siliciaj nanodratoj.Tial, ĝia senta konduto (p-speca aŭ n-speca) dependas nur de la duonkonduktaĵospeco de la silicia nanodrato.
Tamen, la plej multaj raportitaj sensiloj bazitaj en CSHN (Fig. 2b (4)) estis fabrikitaj transdonante pulvorojn de la sintezita CS-materialo sur blatojn.En ĉi tiu kazo, la kondukta vojo de la sensilo estas trafita de la loĝdikeco (hs).La grupo de Kim esploris la efikon de hs sur gasa detekto-efikeco kaj proponis eblan detektan mekanismon100,112,145,146,147,148. Oni kredas, ke du faktoroj kontribuas al la senta mekanismo de ĉi tiu strukturo: (1) la radiala modulado de la EDL de la ŝelo kaj (2) la elektra kampo ŝmiranta efiko (Fig. 8) 145. La esploristoj menciis, ke la kondukta kanalo de la portantoj estas plejparte limigita al la ŝeltavolo kiam hs > λD de la ŝeltavolo145. Oni kredas, ke du faktoroj kontribuas al la senta mekanismo de ĉi tiu strukturo: (1) la radiala modulado de la EDL de la ŝelo kaj (2) la elektra kampo ŝmiranta efiko (Fig. 8) 145. La esploristoj menciis, ke la kondukta kanalo de la portantoj estas plejparte limigita al la ŝeltavolo kiam hs > λD de la ŝeltavolo145. 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. Oni kredas, ke du faktoroj estas implikitaj en la mekanismo de percepto de ĉi tiu strukturo: (1) radiala modulado de la EDL de la ŝelo kaj (2) la efiko de malklarigado de la elektra kampo (Fig. 8) 145. La esploristoj rimarkis, ke la portanta kondukkanalo estas ĉefe limigita al la ŝelo kiam hs > λD ŝeloj145.Oni kredas, ke du faktoroj kontribuas al la detekta mekanismo de ĉi tiu strukturo: (1) la radiala modulado de la DEL de la ŝelo kaj (2) la efiko de elektra kampo ŝmiraĵo (Fig. 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壂局限于壂 > 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 ночество носой втелон носой Когда hs. La esploristoj rimarkis, ke la kondukta kanalo Kiam hs > λD145 de la ŝelo, la nombro da portantoj estas plejparte limigita de la ŝelo.Tial, en la rezista modulado de la sensilo bazita sur CSHN, la radiala modulado de la tegaĵo DEL regas (Fig. 8a).Tamen, ĉe hs ≤ λD de la ŝelo, la oksigenpartikloj adsorbitaj per la ŝelo kaj la heterojunkcio formita ĉe la CS-heterojunkcio estas tute malplenigitaj de elektronoj. Tial, la kondukkanalo ne nur situas ene de la ŝeltavolo sed ankaŭ parte en la kernparto, precipe kiam hs < λD de la ŝeltavolo. Tial, la kondukkanalo ne nur situas ene de la ŝeltavolo sed ankaŭ parte en la kernparto, precipe kiam hs < λD de la ŝeltavolo. Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочечного слоя, но и частично в сердцевинной части, особенно при hs < λD оболочечного слоя. Tial, la kondukkanalo situas ne nur ene de la ŝeltavolo, sed ankaŭ parte en la kernparto, precipe ĉe hs < λD de la ŝeltavolo.因此，传导通道不仅位于壳层内部，而且部分位于芯部，尤其是当壳其是当壳其是当壳层内部，而且部分位于芯部 hs < λD 时。 Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочки, но и частично в сестично в сестично в серни в селько внутри оболочки. Tial, la kondukkanalo situas ne nur ene de la ŝelo, sed ankaŭ parte en la kerno, precipe ĉe hs < λD de la ŝelo.En ĉi tiu kazo, kaj la plene elĉerpita elektrona ŝelo kaj la parte malplenigita kerntavolo helpas moduli la reziston de la tuta CSHN, rezultigante elektran kampan vostefikon (Fig. 8b).Iuj aliaj studoj uzis la EDL-volumenfrakciokoncepton anstataŭe de elektra kampa vosto por analizi la hs-efekton100,148.Konsiderante ĉi tiujn du kontribuojn, la totala modulado de la CSHN-rezisto atingas sian plej grandan valoron kiam hs estas komparebla al la ingo λD, kiel montrite en Fig. 8c.Tial, la optimuma hs por CSHN povas esti proksima al la ŝelo λD, kiu estas kongrua kun eksperimentaj observoj99,144,145,146,149.Pluraj studoj montris, ke hs ankaŭ povas influi la sentemon de pn-heterojunkciaj sensiloj bazitaj en CSHN40,148.Li et al.148 kaj Bai et al.40 sisteme esploris la efikon de hs sur la agado de pn-heterojunction CSHN-sensiloj, kiel TiO2@CuO kaj ZnO@NiO, ŝanĝante la tegaĵan ALD-ciklon.Kiel rezulto, sensa konduto ŝanĝiĝis de p-tipo al n-tipo kun kreskanta hs40,148.Tiu konduto ŝuldiĝas al la fakto ke komence (kun limigita nombro da ALD-cikloj) heterostrukturoj povas esti konsideritaj modifitajn heteronanostrukturojn.Tiel, la kondukkanalo estas limigita per la kerntavolo (p-speca MOSFET), kaj la sensilo elmontras p-specan detektkonduton.Ĉar la nombro da ALD-cikloj pliiĝas, la tegtavolo (n-speca MOSFET) iĝas kvazaŭ-kontinua kaj funkcias kiel kondukkanalo, rezultigante n-specan sentemon.Simila sensa transira konduto estis raportita por pn branĉitaj heteronanostrukturoj 150,151.Zhou et al.150 esploris la sentemon de Zn2SnO4@Mn3O4 disbranĉigitaj heteronanostrukturoj kontrolante la Zn2SnO4-enhavon sur la surfaco de Mn3O4-nanodratoj.Kiam Zn2SnO4-nukleoj formiĝis sur la Mn3O4-surfaco, p-tipa sentemo estis observita.Kun plia pliiĝo en la Zn2SnO4 enhavo, la sensilo bazita sur disbranĉigitaj Zn2SnO4@Mn3O4 heteronanostrukturoj ŝanĝas al la n-speca sensilkonduto.
Koncipa priskribo de la du-funkcia sensilmekanismo de CS-nanodratoj estas montrita.a Rezistmodulado pro radiala modulado de elektron-malplenigitaj ŝeloj, b Negativa efiko de ŝmiriĝo sur rezistmodulado, kaj c Totala rezistmodulado de CS-nanodratoj pro kombinaĵo de ambaŭ efikoj 40
En konkludo, tipo II-sensiloj inkludas multajn malsamajn hierarkiajn nanostrukturojn, kaj sensilefikeco estas tre dependa de la aranĝo de la konduktaj kanaloj.Tial, estas kritike kontroli la pozicion de la kondukkanalo de la sensilo kaj uzi taŭgan heteronanostrukturitan MOS-modelon por studi la plilongigitan sentan mekanismon de tipo II-sensiloj.
Tipo III-sensilstrukturoj ne estas tre oftaj, kaj la kondukkanalo estas bazita sur heterojunkcio formita inter du duonkonduktaĵoj ligitaj al du elektrodoj, respektive.Unika aparatostrukturoj estas kutime akiritaj per mikromaŝinadoteknikoj kaj iliaj sentmekanismoj estas tre diferencaj de la antaŭaj du sensilstrukturoj.La IV-kurbo de Tipo III-sensilo tipe elmontras tipajn rektifigajn trajtojn pro heterojunkcioformacio48,152,153.La I-V karakteriza kurbo de ideala heterojunkcio povas esti priskribita per la termiona mekanismo de elektrona emisio super la alteco de la heterojunkcia baro152,154,155.
kie Va estas la polartensio, A estas la aparatareo, k estas la konstanto de Boltzmann, T estas la absoluta temperaturo, q estas la portanta ŝargo, Jn kaj Jp estas la truo kaj elektron-disvastigo kurentodensecoj, respektive.IS reprezentas la inversan saturigan fluon, difinitan kiel: 152,154,155
Tial, la totala kurento de la pn heterojunkcio dependas de la ŝanĝo en la koncentriĝo de ŝargoportantoj kaj la ŝanĝo en la alteco de la bariero de la heterojunkcio, kiel montrite en ekvacioj (3) kaj (4) 156
kie nn0 kaj pp0 estas la koncentriĝo de elektronoj (truoj) en n-speca (p-speca) MOS, \(V_{bi}^0\) estas la enkonstruita potencialo, Dp (Dn) estas la difuzkoeficiento de elektronoj (truoj), Ln (Lp ) estas la difuzlongo de elektronoj (truoj), ΔEv (ΔEc) estas la energiŝanĝo de la valenta bendo (kondukta bendo) ĉe la heterojunkcio.Kvankam la nuna denseco estas proporcia al la portanta denseco, ĝi estas eksponente inverse proporcia al \(V_{bi}^0\).Tial, la totala ŝanĝo en nuna denseco forte dependas de la modulado de la alteco de la heterojunkcia baro.
Kiel menciite supre, la kreado de hetero-nanostrukturitaj MOSFEToj (ekzemple, tipo I kaj tipo II-aparatoj) povas signife plibonigi la efikecon de la sensilo, prefere ol individuaj komponentoj.Kaj por tipo III-aparatoj, la heteronanostruktura respondo povas esti pli alta ol du komponantoj48,153 aŭ pli alta ol unu komponanto76, depende de la kemia konsisto de la materialo.Pluraj raportoj montris ke la respondo de heteronanostrukturoj estas multe pli alta ol tiu de ununura komponento kiam unu el la komponentoj estas nesentema al la celgaso48,75,76,153.En ĉi tiu kazo, la celgaso interagos nur kun la sentema tavolo kaj kaŭzos ŝanĝon Ef de la sentema tavolo kaj ŝanĝon en la alteco de la heterojunkcia baro.Tiam la totala kurento de la aparato ŝanĝiĝos signife, ĉar ĝi estas inverse rilata al la alteco de la heterojunkcia baro laŭ la ekvacio.(3) kaj (4) 48,76,153.Tamen, kiam kaj n-specaj kaj p-tipaj komponentoj estas sentemaj al la celgaso, detektofikeco povas esti ie intere.José et al.76 produktis poran NiO/SnO2-filman NO2-sensilon per ŝprucado kaj trovis ke la sensilo-sentemo estis nur pli alta ol tiu de la NiO bazita sensilo, sed pli malalta ol tiu de la SnO2 bazita sensilo.sensilo.Ĉi tiu fenomeno ŝuldiĝas al la fakto ke SnO2 kaj NiO elmontras kontraŭajn reagojn al NO276.Ankaŭ, ĉar la du komponentoj havas malsamajn gassentemojn, ili povas havi la saman emon detekti oksigenajn kaj reduktantajn gasojn.Ekzemple, Kwon et al.157 proponis NiO/SnO2 pn-heterojunction gassensilon per oblikva ŝprucado, kiel montrite en Fig. 9a.Kurioze, la sensilo de NiO/SnO2 pn-heterojunction montris la saman sentivecon por H2 kaj NO2 (Fig. 9a).Por solvi ĉi tiun rezulton, Kwon et al.157 sisteme esploris kiel NO2 kaj H2 ŝanĝas portantajn koncentriĝojn kaj agordis \(V_{bi}^0\) de ambaŭ materialoj uzante IV-karakterizaĵojn kaj komputilajn simuladojn (Fig. 9bd).Figuroj 9b kaj c montras la kapablon de H2 kaj NO2 ŝanĝi la portantan densecon de sensiloj bazitaj sur p-NiO (pp0) kaj n-SnO2 (nn0), respektive.Ili montris, ke pp0 de p-tipa NiO iomete ŝanĝiĝis en la medio NO2, dum ĝi ŝanĝiĝis draste en la medio H2 (Fig. 9b).Tamen, por n-tipa SnO2, nn0 kondutas en la kontraŭa maniero (Fig. 9c).Surbaze de tiuj rezultoj, la verkintoj konkludis ke kiam H2 estis aplikita al la sensilo bazita sur la NiO/SnO2 pn heterojunkcio, pliiĝo en nn0 kaŭzis pliiĝon en Jn, kaj \(V_{bi}^0\) kondukis al malpliiĝo en la respondo (Fig. 9d).Post eksponiĝo al NO2, kaj granda malkresko de nn0 en SnO2 kaj malgranda pliiĝo de pp0 en NiO kondukas al granda malkresko de \(V_{bi}^0\), kio certigas pliiĝon de la sensa respondo (Fig. 9d). ) 157 Konklude, ŝanĝoj en la koncentriĝo de portantoj kaj \(V_{bi}^0\) kondukas al ŝanĝoj en la totala kurento, kiu plu influas la detektkapablon.
La senta mekanismo de la gassensilo baziĝas sur la strukturo de la Tipo III-aparato.Skananta elektronmikroskopio (SEM) sekcaj bildoj, p-NiO/n-SnO2 nanokoil-aparato kaj sensilpropraĵoj de p-NiO/n-SnO2 nanokoil-heterojunkcia sensilo ĉe 200 °C por H2 kaj NO2;b , sekca SEM de c-aparato, kaj simuladrezultoj de aparato kun p-NiO b-tavolo kaj n-SnO2 c-tavolo.La b p-NiO-sensilo kaj la c n-SnO2-sensilo mezuras kaj kongruas la I-V-karakterizaĵojn en seka aero kaj post eksponiĝo al H2 kaj NO2.Dudimensia mapo de la b-trua denseco en p-NiO kaj mapo de c-elektronoj en la n-SnO2-tavolo kun kolorskalo estis modeligitaj uzante la Sentaurus TCAD-softvaron.d Simuladrezultoj montrantaj 3D mapon de p-NiO/n-SnO2 en seka aero, H2 kaj NO2157 en la medio.
Krom la kemiaj propraĵoj de la materialo mem, la strukturo de la Tipo III-aparato pruvas la eblecon krei memfunkciajn gassensilojn, kio ne eblas kun Tipo I kaj Tipo II-aparatoj.Pro ilia eneca elektra kampo (BEF), pn heterojunkciaj diodaj strukturoj estas ofte uzataj por konstrui fotovoltaikaj aparatoj kaj montri potencialon por fari memfunkciajn fotoelektrajn gassensilojn ĉe ĉambra temperaturo sub lumigado74,158,159,160,161.BEF ĉe la heterointerfaco, kaŭzita de la diferenco en la Fermi-niveloj de la materialoj, ankaŭ kontribuas al la apartigo de elektron-truaj paroj.La avantaĝo de mem-elektra fotovoltaeca gassensilo estas ĝia malalta energikonsumo ĉar ĝi povas sorbi la energion de la lumiga lumo kaj tiam kontroli sin aŭ aliajn miniaturajn aparatojn sen la bezono de ekstera energifonto.Ekzemple, Tanuma kaj Sugiyama162 fabrikis NiO/ZnO pn-heterojunkciojn kiel sunĉeloj por aktivigi SnO2-bazitajn polikristalajn CO2-sensilojn.Gad et al.74 raportis mem-elektran fotovoltaecan gassensilon bazitan sur Si/ZnO@CdS pn-heterojunkcio, kiel montrite en Fig. 10a.Vertikale orientitaj ZnO nanodratoj estis kultivitaj rekte sur p-specaj silicisubstratoj por formi Si/ZnO pn heterojunctions.Tiam CdS-nanopartikloj estis modifitaj sur la surfaco de ZnO nanodratoj per kemia surfacmodifo.Sur fig.10a montras eksterretajn Si/ZnO@CdS-sensilajn respondrezultojn por O2 kaj etanolo.Sub lumigado, la malfermcirkvita tensio (Voc) pro la apartigo de elektron-truaj paroj dum BEP ĉe la Si/ZnO heterointerfaco pliiĝas linie kun la nombro da ligitaj diodoj74,161.Voc povas esti reprezentita per ekvacio.(5) 156,
kie ND, NA, kaj Ni estas la koncentriĝoj de organdonacantoj, akceptantoj, kaj internaj portantoj, respektive, kaj k, T, kaj q estas la samaj parametroj kiel en la antaŭa ekvacio.Kiam ili estas eksponitaj al oksigenaj gasoj, ili ĉerpas elektronojn el ZnO nanodratoj, kio kondukas al malpliigo de \(N_D^{ZnO}\) kaj Voc.Male, gasredukto rezultigis pliiĝon de Voc (Fig. 10a).Dum ornamado de ZnO kun CdS-nanopartikloj, fotoekscititaj elektronoj en CdS-nanopartikloj estas injektitaj en la kondukta bendo de ZnO kaj interagas kun la adsorbita gaso, tiel pliigante la percepta efikeco74,160.Simila memelektra fotovoltaeca gassensilo bazita sur Si/ZnO estis raportita fare de Hoffmann et al.160, 161 (Fig. 10b).Ĉi tiu sensilo povas esti preparita per vico de amin-funkciigitaj ZnO nanopartikloj ([3-(2-aminoethylamino)propil]trimethoxysilane) (amino-funkciigitaj-SAM) kaj tiol ((3-mercaptopropyl)-funkciigitaj, por ĝustigi la laborfunkcion. de la cela gaso por selektema detekto de NO2 (trimethoxysilane) (thiol-functionalized-SAM)) (Fig. 10b) 74,161.
Mem-elektra fotoelektra gassensilo bazita sur la strukturo de tipo III-aparato.Mem-elektra fotovoltaeca gassensilo bazita sur Si/ZnO@CdS, mem-elektra senta mekanismo kaj sensilrespondo al oksigenitaj (O2) kaj reduktitaj (1000 ppm etanolo) gasoj sub sunlumo;74b Mem-elektra fotovoltaeca gassensilo bazita sur Si ZnO/ZnO-sensiloj kaj sensilrespondoj al diversaj gasoj post funkciado de ZnO SAM kun finaj aminoj kaj tioloj 161
Tial, kiam oni diskutas pri la sentema mekanismo de tipo III-sensiloj, estas grave determini la ŝanĝon en la alteco de la heterojunkcia baro kaj la kapablon de la gaso influi la portantan koncentriĝon.Krome, lumigado povas generi fotogeneritajn portantojn, kiuj reagas kun gasoj, kio estas promesplena por memfunkcia gas-detekto.
Kiel diskutite en ĉi tiu literaturrecenzo, multaj malsamaj MOS-heteronanostrukturoj estis fabrikitaj por plibonigi sensilan rendimenton.La Web of Science-datumbazo estis serĉita por diversaj ŝlosilvortoj (metaloksidaj kunmetaĵoj, kern-ingaj metaloksidoj, tavoligitaj metaloksidoj, kaj memfunkciaj gasanaliziloj) same kiel karakterizaj karakterizaĵoj (abundo, sentemo/selektiveco, elektroproduktadpotencialo, fabrikado) .Metodo La karakterizaĵoj de tri el ĉi tiuj tri aparatoj estas montritaj en Tabelo 2. La ĝenerala dezajnokoncepto por alt-efikecaj gassensiloj estas diskutita analizante la tri ŝlosilajn faktorojn proponitajn de Yamazoe.Mekanismoj por MOS Heterostrukturaj Sensiloj Por kompreni la faktorojn influantajn gassensilojn, diversaj MOS-parametroj (ekz., grajnograndeco, funkciigadtemperaturo, difekto kaj oksigena vaka denseco, malfermaj kristalaj aviadiloj) estis zorge studitaj.Aparatostrukturo, kiu ankaŭ estas kritika al la sensa konduto de la sensilo, estis neglektita kaj malofte diskutita.Ĉi tiu revizio diskutas la subestajn mekanismojn por detekti tri tipaj specoj de aparatstrukturo.
La grajngrandecstrukturo, produktadmetodo, kaj nombro da heterojunkcioj de la senta materialo en Tipo I-sensilo povas multe influi la sentemon de la sensilo.Krome, la konduto de la sensilo ankaŭ estas tuŝita de la molara proporcio de la komponentoj.Tipo II-aparataj strukturoj (dekoraciaj heteronanostrukturoj, dutavolaj aŭ plurtavolaj filmoj, HSSNoj) estas la plej popularaj aparatstrukturoj konsistantaj el du aŭ pli da komponentoj, kaj nur unu komponento estas ligita al la elektrodo.Por tiu aparato strukturo, determini la lokon de la konduktaj kanaloj kaj iliaj relativaj ŝanĝoj estas kritika en studado de la mekanismo de percepto.Ĉar tipo II-aparatoj inkludas multajn malsamajn hierarkiajn heteronanostrukturojn, multaj malsamaj sentmekanismoj estis proponitaj.En tipo III sensa strukturo, la kondukkanalo estas dominita per heterojunkcio formita ĉe la heterojunkcio, kaj la perceptmekanismo estas tute malsama.Tial, estas grave determini la ŝanĝon en la alteco de la heterojunkcia baro post eksponiĝo de la celgaso al la tipo III-sensilo.Kun ĉi tiu dezajno, memfunkciaj fotovoltaecaj gassensiloj povas esti faritaj por redukti elektrokonsumon.Tamen, ĉar la nuna fabrikada procezo estas sufiĉe komplika kaj la sentemo estas multe pli malalta ol tradiciaj MOS-bazitaj kemio-rezistemaj gassensiloj, ekzistas ankoraŭ multe da progreso en la esplorado de memfunkciaj gassensiloj.
La ĉefaj avantaĝoj de gasaj MOS-sensiloj kun hierarkiaj heteronanostrukturoj estas la rapideco kaj pli alta sentemo.Tamen, kelkaj ŝlosilaj problemoj de MOS-gassensiloj (ekz., alta funkciiga temperaturo, longperspektiva stabileco, malbona selektiveco kaj reproduktebleco, humidefikoj, ktp.) daŭre ekzistas kaj devas esti traktitaj antaŭ ol ili povas esti uzitaj en praktikaj aplikoj.Modernaj MOS-gassensiloj tipe funkcias ĉe altaj temperaturoj kaj konsumas multe da potenco, kiu influas la longperspektivan stabilecon de la sensilo.Ekzistas du oftaj aliroj al solvi ĉi tiun problemon: (1) evoluo de malaltpotencaj sensilaj blatoj;(2) disvolviĝo de novaj sentemaj materialoj, kiuj povas funkcii ĉe malalta temperaturo aŭ eĉ ĉe ĉambra temperaturo.Unu aliro al la evoluo de malalt-fortaj sensilfritoj devas minimumigi la grandecon de la sensilo fabrikante mikrohejtajn platojn bazitajn sur ceramikaĵo kaj silicio163.Ceramikaj bazitaj mikrohejtplatoj konsumas proksimume 50-70 mV per sensilo, dum optimumigitaj siliciobazitaj mikrohejtplatoj povas konsumi eĉ nur 2 mW per sensilo dum funkciado ade ĉe 300 °C163,164.La disvolviĝo de novaj sentaj materialoj estas efika maniero redukti energikonsumon malaltigante la operacian temperaturon, kaj ankaŭ povas plibonigi sensilan stabilecon.Ĉar la grandeco de la MOS daŭre estas reduktita por pliigi la sentemon de la sensilo, la termika stabileco de la MOS fariĝas pli defia, kio povas konduki al drivo en la sensilsignalo165.Krome, alta temperaturo antaŭenigas la disvastigon de materialoj ĉe la heterointerfaco kaj la formadon de miksitaj fazoj, kiu influas la elektronikajn ecojn de la sensilo.La esploristoj raportas, ke la optimuma funkcia temperaturo de la sensilo povas esti reduktita elektante taŭgajn sentajn materialojn kaj evoluigante MOS-heteronanostrukturojn.La serĉo de malalt-temperatura metodo por fabriki tre kristalajn MOS-heteronanostrukturojn estas alia promesplena aliro por plibonigi stabilecon.
La selektiveco de MOS-sensiloj estas alia praktika temo ĉar malsamaj gasoj kunekzistas kun la celgaso, dum MOS-sensiloj ofte estas sentemaj al pli ol unu gaso kaj ofte elmontras kruc-sentemon.Tial, pliigi la selektivecon de la sensilo al la celgaso same kiel al aliaj gasoj estas kritika por praktikaj aplikoj.Dum la lastaj jardekoj, la elekto estis parte traktita konstruante arojn de gassensiloj nomitaj "elektronikaj nazoj (E-nazo)" en kombinaĵo kun komputilanalizalgoritmoj kiel ekzemple trejna vektora kvantigo (LVQ), ĉefkomponentanalizo (PCA), ktp e.Seksaj problemoj.Partaj Malplej Kvadratoj (PLS), ktp. 31, 32, 33, 34. Du ĉefaj faktoroj (la nombro da sensiloj, kiuj estas proksime rilataj al la speco de senta materialo, kaj komputila analizo) estas kritikaj por plibonigi la kapablon de elektronikaj nazoj. identigi gasojn169.Tamen, pliigi la nombron da sensiloj kutime postulas multajn kompleksajn produktadajn procezojn, do estas kritike trovi simplan metodon por plibonigi la agadon de elektronikaj nazoj.Krome, modifi la MOS kun aliaj materialoj ankaŭ povas pliigi la selektivecon de la sensilo.Ekzemple, selektema detekto de H2 povas esti atingita pro la bona kataliza agado de MOS modifita kun NP Pd.En la lastaj jaroj, kelkaj esploristoj tegis la MOS MOF-surfacon por plibonigi sensilelektivecon per grandekskludo171,172.Inspirite de ĉi tiu laboro, materialfunkciigo povas iel solvi la problemon de selektiveco.Tamen, estas ankoraŭ multe da laboro por fari por elekti la ĝustan materialon.
La ripeteblo de la karakterizaĵoj de sensiloj fabrikitaj sub la samaj kondiĉoj kaj metodoj estas alia grava postulo por grandskala produktado kaj praktikaj aplikoj.Tipe, centrifugado- kaj trempmetodoj estas malaltkostaj metodoj por fabrikado de alta trafluaj gassensiloj.Tamen, dum ĉi tiuj procezoj, la sentema materialo tendencas kuniĝi kaj la rilato inter la sentema materialo kaj la substrato malfortiĝas68, 138, 168. Kiel rezulto, la sentemo kaj stabileco de la sensilo difektiĝas signife, kaj la agado fariĝas reproduktebla.Aliaj elpensaĵmetodoj kiel ekzemple ŝprucado, ALD, pulsita laserdemetado (PLD), kaj fizika vapordemetado (PVD) permesas la produktadon de dutavolaj aŭ plurtavolaj MOS-filmoj rekte sur strukturitaj silicio aŭ aluminosubstratoj.Tiuj teknikoj evitas amasiĝon de sentemaj materialoj, certigas sensilreprodukteblecon, kaj pruvas la fareblecon de grandskala produktado de planar maldikfilmaj sensiloj.Tamen, la sentemo de tiuj plataj filmoj estas ĝenerale multe pli malalta ol tiu de 3D nanostrukturitaj materialoj pro sia malgranda specifa surfacareo kaj malalta gaspermeablo41,174.Novaj strategioj por kreskigado de MOS-heteronanostrukturoj ĉe specifaj lokoj sur strukturitaj mikrotabeloj kaj precize kontroli la grandecon, dikecon kaj morfologion de sentemaj materialoj estas kritikaj por malaltkosta fabrikado de oblat-nivelaj sensiloj kun alta reproduktebleco kaj sentemo.Ekzemple, Liu et al.174 proponis kombinitan desupran kaj malsupren strategion por fabrikado de alt-produktaj kristalitoj kultivante surloke Ni (OH) 2 nanomuroj ĉe specifaj lokoj..Oblatoj por mikrobruliloj.
Krome, estas ankaŭ grave konsideri la efikon de humido sur la sensilo en praktikaj aplikoj.Akvomolekuloj povas konkuri kun oksigenmolekuloj pri adsorbadejoj en sensilmaterialoj kaj influi la respondecon de la sensilo por la celgaso.Kiel oksigeno, akvo funkcias kiel molekulo tra fizika sorbado, kaj ankaŭ povas ekzisti en la formo de hidroksilaj radikaluloj aŭ hidroksilaj grupoj ĉe diversaj oksigenadstacioj per kemisorbado.Krome, pro la alta nivelo kaj ŝanĝiĝema humideco de la medio, fidinda respondo de la sensilo al la cela gaso estas granda problemo.Pluraj strategioj estis evoluigitaj por trakti ĉi tiun problemon, kiel gasa antaŭkoncentriĝo177, humida kompenso kaj krucreaktivaj kradaj metodoj178, same kiel sekigaj metodoj179,180.Tamen, ĉi tiuj metodoj estas multekostaj, kompleksaj, kaj reduktas la sentemon de la sensilo.Pluraj nekostaj strategioj estis proponitaj por subpremi la efikojn de humideco.Ekzemple, ornami SnO2 kun Pd nanopartikloj povas antaŭenigi la konvertiĝon de adsorbita oksigeno en anjonajn partiklojn, dum funkciado de SnO2 kun materialoj kun alta afineco por akvomolekuloj, kiel ekzemple NiO kaj CuO, estas du manieroj malhelpi humidecan dependecon de akvomolekuloj..Sensiloj 181, 182, 183. Krome, la efiko de humideco ankaŭ povas esti reduktita per uzado de hidrofobaj materialoj por formi hidrofobajn surfacojn36,138,184,185.Tamen, la disvolviĝo de humid-rezistemaj gassensiloj estas ankoraŭ en frua stadio, kaj pli progresintaj strategioj estas postulataj por trakti ĉi tiujn problemojn.
En konkludo, plibonigoj en detekta agado (ekz., sentemo, selektiveco, malalta optimuma funkcia temperaturo) estis atingitaj kreante MOS-heteronanostrukturojn, kaj diversaj plibonigitaj detektaj mekanismoj estis proponitaj.Kiam vi studas la sentan mekanismon de aparta sensilo, la geometria strukturo de la aparato ankaŭ devas esti konsiderata.Esplorado pri novaj sentmaterialoj kaj esplorado pri altnivelaj fabrikaj strategioj estos postulataj por plu plibonigi la agadon de gassensiloj kaj trakti ceterajn defiojn en la estonteco.Por kontrolita agordado de sensilkarakterizaĵoj, necesas sisteme konstrui la rilaton inter la sinteza metodo de sensilmaterialoj kaj la funkcio de heteronanostrukturoj.Krome, la studo de surfacreagoj kaj ŝanĝoj en heterointerfacoj uzantaj modernajn karakterizadmetodojn povas helpi pliklarigi la mekanismojn de ilia percepto kaj disponigi rekomendojn por la evoluo de sensiloj bazitaj sur heteronanostrukturitaj materialoj.Finfine, la studo de modernaj sensilfabrikadstrategioj povas permesi la fabrikadon de miniaturaj gassensiloj sur la oblatnivelo por iliaj industriaj aplikoj.
Genzel, NN et al.Longituda studo de endomaj nitrogendioksidaj niveloj kaj spiraj simptomoj en infanoj kun astmo en urbaj areoj.kvartalo.Sanperspektivo.116, 1428-1432 (2008).
Afiŝtempo: Nov-04-2022
