Развој преносних и минијатуризованих гасних сензора високих перформанси добија све већу пажњу у областима мониторинга животне средине, безбедности, медицинске дијагностике и пољопривреде.Међу разним алатима за детекцију, хемо-отпорни гасни сензори метал-оксид-полупроводник (МОС) су најпопуларнији избор за комерцијалне примене због своје високе стабилности, ниске цене и високе осетљивости.Један од најважнијих приступа за даље побољшање перформанси сензора је стварање нанодимензионираних МОС базираних хетероспојница (хетеро-наноструктурираних МОС) од МОС наноматеријала.Међутим, механизам сензора хетеронаноструктурисаног МОС сензора се разликује од оног код једног МОС сензора гаса, јер је прилично сложен.На перформансе сензора утичу различити параметри, укључујући физичка и хемијска својства осетљивог материјала (као што су величина зрна, густина дефекта и слободних места за кисеоник у материјалу), радна температура и структура уређаја.Овај преглед представља неколико концепата за пројектовање гасних сензора високих перформанси анализом сензорског механизма хетерогених наноструктурираних МОС сензора.Поред тога, разматра се утицај геометријске структуре уређаја, одређене односом између осетљивог материјала и радне електроде.Да би се систематски проучавало понашање сензора, овај чланак представља и разматра општи механизам перцепције три типичне геометријске структуре уређаја заснованих на различитим хетеронаноструктурним материјалима.Овај преглед ће послужити као водич за будуће читаоце који проучавају осетљиве механизме гасних сензора и развијају гасне сензоре високих перформанси.
Загађење ваздуха је све озбиљнији проблем и озбиљан глобални еколошки проблем који угрожава добробит људи и живих бића.Удисање гасовитих загађивача може изазвати многе здравствене проблеме као што су респираторна обољења, рак плућа, леукемија, па чак и прерану смрт1,2,3,4.Од 2012. до 2016. пријављено је да су милиони људи умрли од загађења ваздуха, а сваке године милијарде људи су биле изложене лошем квалитету ваздуха5.Због тога је важно развити преносне и минијатуризоване сензоре за гас који могу да пруже повратну информацију у реалном времену и високе перформансе детекције (нпр. осетљивост, селективност, стабилност и време одзива и опоравка).Поред праћења животне средине, сензори за гас играју виталну улогу у безбедности6,7,8, медицинској дијагностици9,10, аквакултури11 и другим пољима12.
До данас је уведено неколико преносивих гасних сензора заснованих на различитим сензорским механизмима, као што су оптички13,14,15,16,17,18, електрохемијски19,20,21,22 и хемијски отпорни сензори23,24.Међу њима, хемијски отпорни сензори метал-оксид-полупроводник (МОС) су најпопуларнији у комерцијалним применама због своје високе стабилности и ниске цене25,26.Концентрација загађивача се може одредити једноставно детекцијом промене отпорности МОС-а.Почетком 1960-их, пријављени су први хемо-отпорни гасни сензори на бази ЗнО танких филмова, што је изазвало велико интересовање у области детекције гаса27,28.Данас се многи различити МОС користе као материјали осетљиви на гас и могу се поделити у две категорије на основу својих физичких особина: МОС н-типа са електронима као главним носиоцима наелектрисања и МОС типа п са рупама као главним носиоцима наелектрисања.носиоци набоја.Генерално, МОС п-типа је мање популаран од МОС-а н-типа јер је индуктивни одзив МОС-а п-типа (Сп) пропорционалан квадратном корену МОС-а н-типа (\(С_п = \скрт { С_н}\ ) ) при истим претпоставкама (на пример, иста морфолошка структура и иста промена савијања трака у ваздуху) 29,30.Међутим, МОС сензори са једном базом се и даље суочавају са проблемима као што су недовољна граница детекције, ниска осетљивост и селективност у практичним применама.Проблеми селективности могу се донекле решити креирањем низа сензора (који се називају „електронски носови“) и уградњом алгоритама за рачунарску анализу као што су квантизација вектора обуке (ЛВК), анализа главних компоненти (ПЦА) и анализа парцијалних најмањих квадрата (ПЛС)31, 32, 33, 34, 35. Поред тога, производња нискодимензионалних МОС32,36,37,38,39 (нпр. једнодимензионални (1Д), 0Д и 2Д наноматеријали), као и употреба других наноматеријала ( нпр. МОС40,41,42, наночестице племенитих метала (НП))43,44, угљенични наноматеријали45,46 и проводни полимери47,48) за стварање наноразмерних хетероспојница (тј. хетеронаноструктурираних МОС) су други пожељни приступи за решавање горњих проблема.У поређењу са традиционалним дебелим МОС филмовима, нискодимензионални МОС са високом специфичном површином може обезбедити активнија места за адсорпцију гаса и олакшати дифузију гаса36,37,49.Поред тога, дизајн хетеронаноструктура заснованих на МОС-у може даље да подеси транспорт носиоца на хетероинтерфејсу, што резултира великим променама отпора услед различитих оперативних функција50,51,52.Поред тога, неки од хемијских ефеката (нпр. каталитичка активност и синергијске површинске реакције) који се јављају у дизајну МОС хетеронаноструктура такође могу побољшати перформансе сензора.50,53,54 Иако би пројектовање и производња МОС хетеронаноструктура био обећавајући приступ за побољшање перформансе сензора, савремени хемо-отпорни сензори обично користе покушаје и грешке, што је дуготрајно и неефикасно.Због тога је важно разумети механизам сензора гасних сензора заснованих на МОС-у јер он може да води дизајн сензора усмерених високих перформанси.
Последњих година, МОС сензори гаса су се брзо развили и неки извештаји су објављени о МОС наноструктурама55,56,57, сензорима гаса за собну температуру58,59, специјалним МОС сензорским материјалима60,61,62 и специјалним сензорима гаса63.Прегледни рад у Отхер Ревиевс фокусира се на разјашњавање механизма сензора гасних сензора на основу унутрашњих физичких и хемијских својстава МОС-а, укључујући улогу слободних места за кисеоник 64 , улогу хетеронаноструктура 55, 65 и пренос наелектрисања на хетероинтерфејсима 66. Поред тога , многи други параметри утичу на перформансе сензора, укључујући хетероструктуру, величину зрна, радну температуру, густину дефеката, слободна места за кисеоник, па чак и отворене кристалне равни осетљивог материјала25,67,68,69,70,71.72, 73. Међутим, (ретко помињана) геометријска структура уређаја, одређена односом сензорног материјала и радне електроде, такође значајно утиче на осетљивост сензора74,75,76 (погледајте одељак 3 за више детаља) .На пример, Кумар ет ал.77 је известио о два сензора за гас заснован на истом материјалу (нпр. двослојни сензори за гас на бази ТиО2@НиО и НиО@ТиО2) и приметио различите промене у отпорности гаса НХ3 због различите геометрије уређаја.Због тога, када анализирате механизам за детекцију гаса, важно је узети у обзир структуру уређаја.У овом прегледу, аутори се фокусирају на МОС-базиране механизме детекције за различите хетерогене наноструктуре и структуре уређаја.Верујемо да овај преглед може послужити као водич за читаоце који желе да разумеју и анализирају механизме детекције гаса и може допринети развоју будућих гасних сензора високих перформанси.
На сл.1а приказује основни модел механизма за детекцију гаса заснованог на једном МОС-у.Како температура расте, адсорпција молекула кисеоника (О2) на површини МОС-а ће привући електроне из МОС-а и формирати ањонске врсте (као што су О2- и О-).Затим се на површини МОС 15, 23, 78 формира слој за исцрпљивање електрона (ЕДЛ) за МОС н-типа или слој акумулације рупа (ХАЛ) за МОС п-типа. Интеракција између О2 и МОС узрокује да се проводни појас површинског МОС-а савија нагоре и формира потенцијалну баријеру.Након тога, када је сензор изложен циљаном гасу, гас адсорбован на површини МОС-а реагује са јонским врстама кисеоника, привлачећи електроне (оксидациони гас) или донирајући електроне (редукциони гас).Пренос електрона између циљног гаса и МОС може подесити ширину ЕДЛ или ХАЛ30,81 што резултира променом укупног отпора МОС сензора.На пример, за редукциони гас, електрони ће се пренети из редукционог гаса у МОС н-типа, што резултира нижим ЕДЛ и мањим отпором, што се назива понашање сензора н-типа.Насупрот томе, када је МОС п-типа изложен редукционом гасу који одређује понашање осетљивости п-типа, ХАЛ се смањује и отпор расте услед донације електрона.За оксидирајуће гасове, одзив сензора је супротан оном за редукционе гасове.
Основни механизми детекције за МОС н-типа и п-типа за редуковање и оксидацију гасова б Кључни фактори и физичко-хемијске или материјалне особине укључене у полупроводничке сензоре гаса 89
Осим основног механизма детекције, механизми за детекцију гаса који се користе у практичним гасним сензорима су прилично сложени.На пример, стварна употреба сензора за гас мора да испуни многе захтеве (као што су осетљивост, селективност и стабилност) у зависности од потреба корисника.Ови захтеви су уско повезани са физичким и хемијским својствима осетљивог материјала.На пример, Ксу ет ал.71 су показали да сензори засновани на СнО2 постижу највећу осетљивост када је пречник кристала (д) једнак или мањи од двоструке Дебајеве дужине (λД) СнО271.Када је д ≤ 2λД, СнО2 је потпуно исцрпљен након адсорпције молекула О2, а одговор сензора на редукциони гас је максималан.Поред тога, различити други параметри могу утицати на перформансе сензора, укључујући радну температуру, дефекте кристала, па чак и изложене равни кристала сензорног материјала.Посебно се утицај радне температуре објашњава могућом конкуренцијом између брзина адсорпције и десорпције циљног гаса, као и површинском реактивношћу између адсорбованих молекула гаса и честица кисеоника4,82.Ефекат дефеката кристала је снажно повезан са садржајем слободних места за кисеоник [83, 84].На рад сензора може утицати и различита реактивност отворених кристалних површина67,85,86,87.Отворене кристалне равни са мањом густином откривају више некоординисаних металних катјона са већом енергијом, који промовишу површинску адсорпцију и реактивност88.Табела 1 наводи неколико кључних фактора и са њима повезане побољшане перцептивне механизме.Због тога, прилагођавањем ових параметара материјала, перформансе детекције се могу побољшати, а кључно је одредити кључне факторе који утичу на перформансе сензора.
Иамазое89 и Схиманое ет ал.68,71 су извели низ студија о теоријском механизму сензорске перцепције и предложили три независна кључна фактора који утичу на перформансе сензора, посебно функцију рецептора, функцију трансдуктора и корисност (слика 1б)..Функција рецептора се односи на способност МОС површине да интерагује са молекулима гаса.Ова функција је уско повезана са хемијским својствима МОС-а и може се значајно побољшати увођењем страних акцептора (на пример, металних НП-а и других МОС-а).Функција претварача се односи на способност претварања реакције између гаса и МОС површине у електрични сигнал којим доминирају границе зрна МОС-а.Дакле, на сензорну функцију значајно утичу величина МОЦ честица и густина страних рецептора.Катоцх и сар.90 су известили да је смањење величине зрна ЗнО-СнО2 нанофибрила резултирало формирањем бројних хетероспојница и повећаном осетљивошћу сензора, у складу са функционалношћу трансдуктора.Ванг ет ал.91 упоредили су различите величине зрна Зн2ГеО4 и показали 6,5 пута повећање осетљивости сензора након увођења граница зрна.Корисност је још један кључни фактор перформанси сензора који описује доступност гаса унутрашњој МОС структури.Ако молекули гаса не могу да продру и реагују са унутрашњим МОС-ом, осетљивост сензора ће бити смањена.Корисност је уско повезана са дубином дифузије одређеног гаса, која зависи од величине пора сензорног материјала.Сакаи ет ал.92 моделирао је осетљивост сензора на димне гасове и открио да и молекулска тежина гаса и радијус пора сензорске мембране утичу на осетљивост сензора на различитим дубинама дифузије гаса у мембрани сензора.Горња дискусија показује да се гасни сензори високих перформанси могу развити балансирањем и оптимизацијом функције рецептора, функције претварача и корисности.
Горњи рад појашњава основни механизам перцепције једног МОС-а и разматра неколико фактора који утичу на перформансе МОС-а.Поред ових фактора, гасни сензори засновани на хетероструктурама могу додатно побољшати перформансе сензора тако што ће значајно побољшати функције сензора и рецептора.Поред тога, хетеронаноструктуре могу додатно побољшати перформансе сензора побољшавањем каталитичких реакција, регулисањем преноса наелектрисања и стварањем више места за адсорпцију.До данас, многи сензори гаса засновани на МОС хетеронаноструктурама су проучавани како би се разговарало о механизмима за побољшано сенсинг95,96,97.Миллер ет ал.55 сумира неколико механизама који ће вероватно побољшати осетљивост хетеронаноструктура, укључујући површински зависне, зависне од интерфејса и структурно зависне.Међу њима, механизам појачања зависан од интерфејса је превише компликован да би обухватио све интеракције интерфејса у једној теорији, пошто се могу користити различити сензори засновани на хетеронаноструктурираним материјалима (на пример, нн-хетероспојница, пн-хетероспојница, пп-хетероспојница, итд.) .Шоткијев чвор).Типично, хетеронаноструктурирани сензори засновани на МОС-у увек укључују два или више напредних сензорских механизама98,99,100.Синергијски ефекат ових механизама појачања може побољшати пријем и обраду сензорских сигнала.Стога је разумевање механизма перцепције сензора заснованих на хетерогеним наноструктурним материјалима кључно како би се помогло истраживачима да развију гасне сензоре одоздо према горе у складу са њиховим потребама.Поред тога, геометријска структура уређаја такође може значајно утицати на осетљивост сензора 74, 75, 76. У циљу систематске анализе понашања сензора, биће представљени сензорни механизми три структуре уређаја засноване на различитим хетеронаноструктурним материјалима. и дискутовано у наставку.
Са брзим развојем гасних сензора заснованих на МОС-у, предложени су различити хетеро-наноструктурирани МОС.Пренос наелектрисања на хетероинтерфејсу зависи од различитих Фермијевих нивоа (Еф) компоненти.На хетероинтерфејсу, електрони се крећу са једне стране са већим Еф на другу страну са мањим Еф док њихови нивои Фермија не достигну равнотежу, а рупе, обрнуто.Тада се носиоци на хетероинтерфејсу исцрпљују и формирају осиромашени слој.Једном када је сензор изложен циљаном гасу, концентрација хетеронаноструктурираног МОС носача се мења, као и висина баријере, чиме се побољшава сигнал детекције.Поред тога, различите методе израде хетеронаноструктура доводе до различитих односа између материјала и електрода, што доводи до различитих геометрија уређаја и различитих механизама сензора.У овом прегледу предлажемо три геометријске структуре уређаја и расправљамо о механизму сензора за сваку структуру.
Иако хетероспојнице играју веома важну улогу у перформансама детекције гаса, геометрија уређаја целог сензора такође може значајно утицати на понашање детекције, пошто локација проводног канала сензора у великој мери зависи од геометрије уређаја.Овде се разматрају три типичне геометрије хетероспојних МОС уређаја, као што је приказано на слици 2. У првом типу, две МОС везе су насумично распоређене између две електроде, а локација проводног канала је одређена главним МОС, други је формирање хетерогених наноструктура из различитих МОС, док је само један МОС повезан са електродом.електрода је повезана, онда се проводни канал обично налази унутар МОС-а и директно је повезан са електродом.Код трећег типа, два материјала су причвршћена на две електроде одвојено, водећи уређај кроз хетероспој формиран између два материјала.
Цртица између једињења (нпр. „СнО2-НиО“) означава да су две компоненте једноставно помешане (тип И).Знак „@“ између две везе (нпр. „СнО2@НиО“) означава да је материјал скеле (НиО) украшен СнО2 за сензорску структуру типа ИИ.Коса црта (нпр. „НиО/СнО2”) означава дизајн сензора типа ИИИ.
За гасне сензоре засноване на МОС композитима, два МОС елемента су насумично распоређена између електрода.Развијене су бројне методе производње за припрему МОС композита, укључујући сол-гел, копреципитацију, хидротермалне, електроспиновање и механичке методе мешања98,102,103,104.Недавно су метално-органски оквири (МОФ), класа порозних кристално структурираних материјала састављених од металних центара и органских линкера, коришћени као шаблони за производњу порозних МОС композита105,106,107,108.Вреди напоменути да иако је проценат МОС композита исти, карактеристике осетљивости могу значајно да варирају када се користе различити производни процеси.109,110 На пример, Гао ет ал.109 су произвели два сензора на бази МоО3±СнО2 композита са истим атомским односом. (Мо:Сн = 1:1,9) и открили да различите методе израде доводе до различите осетљивости.Шапошник и др.110 извештава да се реакција копреципитираног СнО2-ТиО2 на гасовити Х2 разликује од реакције механички мешаних материјала, чак и при истом односу Сн/Ти.Ова разлика настаје зато што однос између МОП и величине кристалита МОП варира са различитим методама синтезе109,110.Када су величина и облик зрна конзистентни у смислу густине донора и типа полупроводника, одговор треба да остане исти ако се геометрија контакта не промени 110 .Стаерз ет ал.111 је известио да су карактеристике детекције СнО2-Цр2О3 нановлакна са језгром и омотачем (ЦСН) и млевених СнО2-Цр2О3 ЦСН биле скоро идентичне, што сугерише да морфологија нановлакна не нуди никакву предност.
Поред различитих метода производње, типови полупроводника два различита МОСФЕТ-а такође утичу на осетљивост сензора.Може се даље поделити у две категорије у зависности од тога да ли су два МОСФЕТ-а истог типа полупроводника (нн или пп спој) или различитих типова (пн спој).Када су сензори за гас засновани на МОС композитима истог типа, променом моларног односа два МОС, карактеристика одзива осетљивости остаје непромењена, а осетљивост сензора варира у зависности од броја нн- или пп-хетероспојница.Када једна компонента преовладава у композиту (нпр. 0,9 ЗнО-0,1 СнО2 или 0,1 ЗнО-0,9 СнО2), проводни канал је одређен доминантним МОС-ом, који се назива хомојункцијски проводни канал 92 .Када су односи две компоненте упоредиви, претпоставља се да у проводном каналу доминира хетероспој98,102.Иамазое ет ал.112,113 известили су да хетероконтактни регион две компоненте може у великој мери побољшати осетљивост сензора јер баријера хетероспојнице настала услед различитих радних функција компоненти може ефикасно контролисати покретљивост померања сензора изложеног електронима.Разни амбијентални гасови 112,113.На сл.Слика 3а показује да сензори засновани на СнО2-ЗнО влакнастим хијерархијским структурама са различитим садржајем ЗнО (од 0 до 10 мол % Зн) могу селективно детектовати етанол.Међу њима, сензор на бази СнО2-ЗнО влакана (7 мол.% Зн) показао је највећу осетљивост због формирања великог броја хетероспојница и повећања специфичне површине, што је повећало функцију претварача и побољшало осетљивост 90 Међутим, са даљим повећањем садржаја ЗнО на 10 мол.%, композит микроструктуре СнО2-ЗнО може обавити површине активације површине и смањити осетљивост сензора85.Сличан тренд је примећен и за сензоре на бази НиО-НиФе2О4 пп хетероспојних композита са различитим односом Фе/Ни (слика 3б)114.
СЕМ слике СнО2-ЗнО влакана (7 мол.% Зн) и одзив сензора на различите гасове са концентрацијом од 100 ппм на 260 °Ц;54б Реакције сензора на бази чистог НиО и НиО-НиФе2О4 композита при 50 ппм различитих гасова, 260 °Ц;114 (ц) Шематски дијаграм броја чворова у саставу кСнО2-(1-к)Цо3О4 и одговарајуће реакције отпора и осетљивости композиције кСнО2-(1-к)Цо3О4 на 10 ппм ЦО, ацетона, Ц6Х6 и СО2 гас на 350 °Ц променом моларног односа Сн/Цо 98
Пн-МОС композити показују различито понашање осетљивости у зависности од атомског односа МОС115.Генерално, сензорно понашање МОС композита у великој мери зависи од тога који МОС делује као примарни проводни канал за сензор.Због тога је веома важно окарактерисати процентуални састав и наноструктуру композита.Ким и сар.98 су потврдили овај закључак синтезом серије кСнО2 ± (1-к)Цо3О4 композитних нановлакна електроспиновањем и проучавањем њихових сензорских својстава.Они су приметили да је понашање композитног сензора СнО2-Цо3О4 прешло са н-типа на п-тип смањењем процента СнО2 (слика 3ц)98.Поред тога, сензори којима доминирају хетероспојници (на основу 0,5 СнО2-0,5 Цо3О4) показали су највеће брзине преноса за Ц6Х6 у поређењу са сензорима који доминирају хомојункцијама (нпр. сензори са високим садржајем СнО2 или Цо3О4).Инхерентна висока отпорност сензора заснованог на 0,5 СнО2-0,5 Цо3О4 и његова већа способност да модулише укупну отпорност сензора доприносе његовој највећој осетљивости на Ц6Х6.Поред тога, дефекти неусклађености решетке који потичу од хетероинтерфејса СнО2-Цо3О4 могу створити преференцијална места адсорпције за молекуле гаса, чиме се побољшава одзив сензора109,116.
Поред МОС полупроводничког типа, понашање МОС композита на додир се такође може прилагодити коришћењем хемије МОС-117.Хуо ет ал.117 користили су једноставну методу намакања и печења за припрему композита Цо3О4-СнО2 и открили да при моларном односу Цо/Сн од 10%, сензор показује одговор детекције п-типа на Х2 и н-тип осетљивости на Х2.одговор.Реакције сензора на гасове ЦО, Х2С и НХ3 приказане су на слици 4а117.При ниским односима Цо/Сн, многе хомоспојнице се формирају на границама нанозрна СнО2±СнО2 и показују реакције сензора н-типа на Х2 (слике 4б,ц)115.Са повећањем односа Цо/Сн до 10 мол.%, уместо хомоспојница СнО2-СнО2, истовремено је настало много хетероспојница Цо3О4-СнО2 (слика 4д).Пошто је Цо3О4 неактиван у односу на Х2, а СнО2 снажно реагује са Х2, реакција Х2 са јонским врстама кисеоника се углавном дешава на површини СнО2117.Због тога се електрони крећу ка СнО2 и Еф СнО2 прелази у проводни појас, док Еф Цо3О4 остаје непромењен.Као резултат, отпор сензора се повећава, што указује да материјали са високим односом Цо/Сн показују понашање сензора п-типа (слика 4е).Насупрот томе, гасови ЦО, Х2С и НХ3 реагују са јонским врстама кисеоника на површинама СнО2 и Цо3О4, а електрони се крећу од гаса до сензора, што доводи до смањења висине баријере и осетљивости н-типа (слика 4ф)..Ово различито понашање сензора је због различите реактивности Цо3О4 са различитим гасовима, што су даље потврдили Иин ет ал.118 .Слично, Катоцх ет ал.119 је показао да композити СнО2-ЗнО имају добру селективност и високу осетљивост на Х2.Ово понашање се дешава зато што се атоми Х могу лако адсорбовати на О позиције ЗнО услед јаке хибридизације између с-орбитале Х и п-орбитале О, што доводи до метализације ЗнО120,121.
а Цо/Сн-10% криве динамичког отпора за типичне редукујуће гасове као што су Х2, ЦО, НХ3 и Х2С, б, ц Цо3О4/СнО2 композитни дијаграм сензорског механизма за Х2 при ниском % м.Цо/Сн, дф Цо3О4 Механизам детекције Х2 и ЦО, Х2С и НХ3 са високим садржајем Цо/Сн/СнО2
Стога, можемо побољшати осетљивост сензора типа И одабиром одговарајућих метода производње, смањењем величине зрна композита и оптимизацијом моларног односа МОС композита.Поред тога, дубоко разумевање хемије осетљивог материјала може додатно побољшати селективност сензора.
Сензорске структуре типа ИИ су још једна популарна сензорска структура која може да користи различите хетерогене наноструктурне материјале, укључујући један „главни“ наноматеријал и други или чак трећи наноматеријал.На пример, једнодимензионални или дводимензионални материјали украшени наночестицама, језгро-љуска (ЦС) и вишеслојни хетеронаноструктурирани материјали се обично користе у сензорским структурама типа ИИ и биће детаљно размотрени у наставку.
За први материјал хетеронаноструктуре (декорисана хетеронаноструктура), као што је приказано на слици 2б(1), проводни канали сензора су повезани основним материјалом.Због формирања хетероспојница, модификоване наночестице могу да обезбеде реактивнија места за адсорпцију или десорпцију гаса, а могу да делују и као катализатори за побољшање перформанси сенсинга109,122,123,124.Иуан ет ал.41 су приметили да украшавање ВО3 наножица са ЦеО2 нанотачкама може обезбедити више места адсорпције на ЦеО2@ВО3 хетероинтерфејсу и површини ЦеО2 и генерисати више хемисорбованих врста кисеоника за реакцију са ацетоном.Гунаван и др.125. Предложен је ацетонски сензор ултра високе осетљивости заснован на једнодимензионалном Ау@α-Фе2О3 и примећено је да се осетљивост сензора контролише активацијом О2 молекула као извора кисеоника.Присуство Ау НП може деловати као катализатор који промовише дисоцијацију молекула кисеоника у кисеоник у решетки за оксидацију ацетона.Сличне резултате су добили Цхои ет ал.9 где је Пт катализатор коришћен за дисоцијацију адсорбованих молекула кисеоника у јонизоване врсте кисеоника и побољшање осетљивог одговора на ацетон.У 2017. години, исти истраживачки тим је показао да су биметалне наночестице много ефикасније у катализи од појединачних наночестица племенитих метала, као што је приказано на слици 5126. 5а је шема производног процеса за биметалне (ПтМ) НП на бази платине користећи ћелије апоферитина са просечна величина мања од 3 нм.Затим су методом електроспиновања добијена нановлакна ПтМ@ВО3 да би се повећала осетљивост и селективност на ацетон или Х2С (сл. 5б–г).Недавно су једноатомни катализатори (САЦ) показали одличне каталитичке перформансе у области катализе и анализе гаса због максималне ефикасности употребе атома и подешених електронских структура127,128.Схин ет ал.129 користило је Пт-СА усидрен угљен нитрид (МЦН), СнЦл2 и ПВП нанопластове као хемијске изворе за припрему Пт@МЦН@СнО2 инлине влакана за детекцију гаса.Упркос веома ниском садржају Пт@МЦН (од 0,13 теж.% до 0,68 теж.%), перформансе детекције гасовитог формалдехида Пт@МЦН@СнО2 су супериорније у односу на друге референтне узорке (чисти СнО2, МЦН@СнО2 и Пт НПс@ СнО2)..Ове одличне перформансе детекције могу се приписати максималној атомској ефикасности Пт СА катализатора и минималној покривености активних места СнО2129.
Метода енкапсулације напуњена апоферитином за добијање наночестица ПтМ-апо (ПтПд, ПтРх, ПтНи);динамичка својства осетљива на гас бд нетакнутих нановлакна ВО3, ПтПд@ВО3, ПтРн@ВО3 и Пт-НиО@ВО3;засновано, на пример, на својствима селективности ПтПд@ВО3, ПтРн@ВО3 и Пт-НиО@ВО3 нановлакнастих сензора до 1 ппм ометајућег гаса 126
Поред тога, хетероспојнице формиране између материјала скеле и наночестица такође могу ефикасно модулисати проводне канале кроз механизам радијалне модулације како би побољшали перформансе сензора130,131,132.На сл.Слика 6а приказује карактеристике сензора чистог СнО2 и Цр2О3@СнО2 наножица за редуковање и оксидацију гасова и одговарајућих сензорских механизама131.У поређењу са чистим СнО2 наножицама, одговор Цр2О3@СнО2 наножица на редукционе гасове је знатно побољшан, док је одговор на оксидационе гасове погоршан.Ове појаве су уско повезане са локалним успоравањем проводних канала наножица СнО2 у радијалном правцу формираног пн хетероспојника.Отпор сензора се може једноставно подесити променом ЕДЛ ширине на површини чистих СнО2 наножица након излагања редукционим и оксидационим гасовима.Међутим, за наножице Цр2О3@СнО2, почетни ДЕЛ наножица СнО2 у ваздуху је повећан у поређењу са чистим СнО2 наножицама, а проводни канал је потиснут због формирања хетероспојнице.Стога, када је сензор изложен редукционом гасу, заробљени електрони се ослобађају у наножице СнО2 и ЕДЛ се драстично смањује, што резултира већом осетљивошћу од чистих наножица СнО2.Супротно томе, када се прелази на оксидациони гас, експанзија ДЕЛ је ограничена, што резултира ниском осетљивошћу.Сличне резултате сензорног одговора приметили су Цхои ет ал., 133 у којима су СнО2 наножице украшене наночестицама п-типа ВО3 показале значајно побољшани сензорни одговор на редукционе гасове, док су н-декорисани СнО2 сензори имали побољшану осетљивост на оксидационе гасове.Наночестице ТиО2 (слика 6б) 133. Овај резултат је углавном последица различитих радних функција СнО2 и МОС (ТиО2 или ВО3) наночестица.Код наночестица п-типа (н-типа) проводни канал материјала оквира (СнО2) се шири (или скупља) у радијалном правцу, а затим, под дејством редукције (или оксидације), даље ширење (или скраћивање) проводног канала СнО2 – ребро) гаса (Сл. 6б).
Радијални модулациони механизам индукован модификованим ЛФ МОС.а Резиме гасних одговора на 10 ппм редукујућих и оксидационих гасова заснованих на чистим наножицама СнО2 и Цр2О3@СнО2 и одговарајућим шематским дијаграмима механизма сензора;и одговарајуће шеме ВО3@СнО2 наношипки и механизам детекције133
У двослојним и вишеслојним хетероструктурним уређајима, проводним каналом уређаја доминира слој (обично доњи слој) у директном контакту са електродама, а хетероспој формиран на интерфејсу два слоја може контролисати проводљивост доњег слоја. .Стога, када гасови ступају у интеракцију са горњим слојем, они могу значајно утицати на проводне канале доњег слоја и отпор 134 уређаја.На пример, Кумар ет ал.77 извештава о супротном понашању двоструких слојева ТиО2@НиО и НиО@ТиО2 за НХ3.Ова разлика настаје зато што проводни канали два сензора доминирају у слојевима различитих материјала (НиО и ТиО2, респективно), а затим су варијације у основним проводним каналима различите77.
Двослојне или вишеслојне хетеронаноструктуре се обично производе распршивањем, таложењем атомског слоја (АЛД) и центрифугирањем56,70,134,135,136.Дебљина филма и површина контакта два материјала могу се добро контролисати.Слике 7а и б приказују нанофилмове НиО@СнО2 и Га2О3@ВО3 добијене распршивањем за детекцију етанола135,137.Међутим, ове методе углавном производе равне филмове, а ови равни филмови су мање осетљиви од 3Д наноструктурираних материјала због њихове ниске специфичне површине и пропустљивости гаса.Стога је такође предложена стратегија течне фазе за производњу двослојних филмова са различитим хијерархијама како би се побољшале перцептивне перформансе повећањем специфичне површине41,52,138.Зху и сарадници139 су комбиновали технике распршивања и хидротермалне технике да би произвели високо уређене ЗнО наножице преко СнО2 наножица (ЗнО@СнО2 наножице) за детекцију Х2С (слика 7ц).Његов одговор на 1 ппм Х2С је 1,6 пута већи него код сензора заснованог на распршеним нанофилмовима ЗнО@СнО2.Лиу ет ал.52 је објавио Х2С сензор високих перформанси који користи методу хемијског таложења ин ситу у два корака за производњу хијерархијских наноструктура СнО2@НиО након чега следи термичко жарење (слика 10д).У поређењу са конвенционалним распршеним двослојним филмовима СнО2@НиО, перформансе осетљивости хијерархијске двослојне структуре СнО2@НиО су значајно побољшане због повећања специфичне површине52,137.
Двослојни гасни сензор заснован на МОС.НиО@СнО2 нанофилм за детекцију етанола;137б Га2О3@ВО3 нанофилм за детекцију етанола;135ц високо уређена двослојна СнО2@ЗнО хијерархијска структура за детекцију Х2С;139д СнО2@НиО двослојна хијерархијска структура за детекцију Х2С52.
У уређајима типа ИИ заснованим на хетеронаноструктурама језгро-љуска (ЦСХН), механизам сенсинга је сложенији, пошто проводни канали нису ограничени на унутрашњу шкољку.И пут производње и дебљина (хс) паковања могу одредити локацију проводних канала.На пример, када се користе методе синтезе одоздо према горе, проводни канали су обично ограничени на унутрашње језгро, које је по структури слично двослојним или вишеслојним структурама уређаја (слика 2б(3)) 123, 140, 141, 142, 143. Ксу ет ал.144 је известио о приступу одоздо према горе за добијање ЦСХН НиО@α-Фе2О3 и ЦуО@α-Фе2О3 наношењем слоја НиО или ЦуО НП на α-Фе2О3 наношипке у којима је проводни канал био ограничен централним делом.(наношипци α-Фе2О3).Лиу ет ал.142 је такође успео да ограничи проводни канал на главни део ЦСХН ТиО2 @ Си депоновањем ТиО2 на припремљене низове силицијумских наножица.Према томе, његово понашање сенсинга (п-тип или н-тип) зависи само од типа полупроводника силицијумске наножице.
Међутим, већина пријављених сензора базираних на ЦСХН (слика 2б(4)) је произведена преношењем праха синтетизованог ЦС материјала на чипове.У овом случају, на проводни пут сензора утиче дебљина кућишта (хс).Кимова група је истраживала утицај хс на перформансе детекције гаса и предложила могући механизам детекције100,112,145,146,147,148. Верује се да два фактора доприносе механизму сенсинга ове структуре: (1) радијална модулација ЕДЛ шкољке и (2) ефекат размазивања електричног поља (слика 8) 145. Истраживачи су напоменули да је проводни канал носилаца је углавном ограничен на слој љуске када је хс > λД слоја љуске145. Верује се да два фактора доприносе механизму сенсинга ове структуре: (1) радијална модулација ЕДЛ шкољке и (2) ефекат размазивања електричног поља (слика 8) 145. Истраживачи су напоменули да је проводни канал носилаца је углавном ограничен на слој љуске када је хс > λД слоја љуске145. Считаетса, что в механизму восприатиа етој структури учствуут два фактора: (1) радиальнаа модулациа ДЕС оболочки и (2) еффект размитиа електрического пола (рис. 8) 145. Исследованиа отметили, что канал проводи носителеј в основном приурочено к оболочки, когда хс > λД оболочки145. Верује се да су у механизам перцепције ове структуре укључена два фактора: (1) радијална модулација ЕДЛ шкољке и (2) ефекат замућења електричног поља (слика 8) 145. Истраживачи су приметили да проводни канал носиоца је углавном ограничен на шкољку када је хс > λД шкољке145.Верује се да два фактора доприносе механизму детекције ове структуре: (1) радијална модулација ДЕЛ шкољке и (2) ефекат размазивања електричног поља (слика 8) 145.研究人员提到传导通道当壳层的хс > λД145 时，载流子的数量主要局限于壳 > λД145 时，载流子的数量主要局限于壳层。 Исследоватељи отметили, что канал проводљивости Когда хс > λД145 оболочки, количество носителеј в основном ограничено оболочкој. Истраживачи су приметили да је проводни канал Када је хс > λД145 љуске, број носача углавном ограничен љуском.Дакле, у отпорној модулацији сензора на бази ЦСХН преовлађује радијална модулација ДЕЛ облоге (Сл. 8а).Међутим, при хс ≤ λД љуске, честице кисеоника које адсорбује љуска и хетероспој настао на ЦС хетероспојници су потпуно осиромашени електронима. Према томе, проводни канал се не налази само унутар слоја љуске, већ и делимично у делу језгра, посебно када је хс < λД слоја љуске. Према томе, проводни канал се не налази само унутар слоја љуске, већ и делимично у делу језгра, посебно када је хс < λД слоја љуске. Поетому канал проводљивости располагаетса не только внутри оболочечного слоја, но и делимично в сердцувинној части, посебно при хс < λД оболочечного слоја. Према томе, проводни канал се налази не само унутар слоја љуске, већ и делимично у делу језгра, посебно на хс < λД слоја љуске.因此，传导通道不仅位于壳层内部,而且部分位于芯部, Д 其是当壳层瀌且部分位于芯部, Д 其是当壳层瀌 хс < λД 时。 Поетому канал проводљивости располагаетса не только внутри оболочки, но и части в сердцевине, особенно при хс < λД оболочки. Дакле, проводни канал се налази не само унутар љуске, већ и делимично у језгру, посебно на хс < λД љуске.У овом случају, и потпуно осиромашена електронска шкољка и делимично осиромашени слој језгра помажу у модулацији отпора читавог ЦСХН, што резултира ефектом репа електричног поља (слика 8б).Неке друге студије су користиле концепт ЕДЛ запреминске фракције уместо репа електричног поља за анализу хс ефекта100,148.Узимајући у обзир ова два доприноса, укупна модулација отпора ЦСХН достиже своју највећу вредност када је хс упоредив са омотачем λД, као што је приказано на слици 8ц.Стога, оптимални хс за ЦСХН може бити близу λД љуске, што је у складу са експерименталним запажањима99,144,145,146,149.Неколико студија је показало да хс такође може утицати на осетљивост сензора пн-хетероспојнице заснованих на ЦСХН40,148.Ли ет ал.148 и Баи ет ал.40 је систематски истраживао ефекат хс на перформансе пн-хетероспојних ЦСХН сензора, као што су ТиО2@ЦуО и ЗнО@НиО, променом АЛД циклуса облоге.Као резултат тога, сензорно понашање се променило са п-типа на н-тип са повећањем хс40,148.Ово понашање је због чињенице да се у почетку (са ограниченим бројем АЛД циклуса) хетероструктуре могу сматрати модификованим хетеронаноструктурама.Дакле, проводни канал је ограничен слојем језгра (мосфет п-типа), а сензор показује понашање детекције п-типа.Како се број АЛД циклуса повећава, слој омотача (мосфет н-типа) постаје квази-континуиран и делује као проводни канал, што резултира осетљивошћу н-типа.Слично понашање сензорне транзиције је пријављено за пн разгранате хетеронаноструктуре 150,151.Зхоу ет ал.150 је истраживао осетљивост разгранатих хетеронаноструктура Зн2СнО4@Мн3О4 контролисањем садржаја Зн2СнО4 на површини наножица Мн3О4.Када се на површини Мн3О4 формирају језгра Зн2СнО4, примећена је осетљивост п-типа.Са даљим повећањем садржаја Зн2СнО4, сензор заснован на разгранатим хетеронаноструктурама Зн2СнО4@Мн3О4 прелази на понашање сензора н-типа.
Приказан је концептуални опис двофункционалног сензорског механизма ЦС наножица.а Модулација отпора услед радијалне модулације омотача осиромашених електронима, б Негативан ефекат размазивања на модулацију отпора, и ц Укупна модулација отпора ЦС наножица услед комбинације оба ефекта 40
У закључку, сензори типа ИИ укључују много различитих хијерархијских наноструктура, а перформансе сензора у великој мери зависе од распореда проводних канала.Због тога је критично контролисати положај проводног канала сензора и користити одговарајући хетеронаноструктурирани МОС модел за проучавање проширеног сензорског механизма сензора типа ИИ.
Структуре сензора типа ИИИ нису веома честе, а проводни канал се заснива на хетероспојници формираној између два полупроводника повезана са две електроде, респективно.Јединствене структуре уређаја се обично добијају кроз технике микромашинске обраде и њихови сензорни механизми се веома разликују од претходне две сензорске структуре.ИВ крива сензора типа ИИИ обично показује типичне карактеристике исправљања услед формирања хетероспојница48,152,153.И–В карактеристична крива идеалног хетероспојника може се описати термоионским механизмом емисије електрона преко висине баријере хетероспојнице152,154,155.
где је Ва пристрасни напон, А је површина уређаја, к је Болцманова константа, Т је апсолутна температура, к је наелектрисање носиоца, Јн и Јп су густине струје рупе и дифузије електрона, респективно.ИС представља обрнуту струју засићења, дефинисану као: 152,154,155
Дакле, укупна струја пн хетероспојнице зависи од промене концентрације носилаца наелектрисања и промене висине баријере хетероспојнице, као што је приказано у једначинама (3) и (4) 156
где су нн0 и пп0 концентрација електрона (рупа) у МОС-у н-типа (п-типа), \(В_{би}^0\) је уграђени потенцијал, Дп (Дн) је коефицијент дифузије електрона (рупа), Лн (Лп ) је дифузиона дужина електрона (рупа), ΔЕв (ΔЕц) је енергетски помак валентног појаса (кондуктивне зоне) на хетероспојници.Иако је густина струје пропорционална густини носиоца, она је експоненцијално обрнуто пропорционална \(В_{би}^0\).Дакле, укупна промена густине струје јако зависи од модулације висине баријере хетероспојнице.
Као што је горе поменуто, стварање хетеро-наноструктурираних МОСФЕТ-ова (на пример, уређаја типа И и типа ИИ) може значајно побољшати перформансе сензора, а не појединачних компоненти.А за уређаје типа ИИИ, одзив хетеронаноструктуре може бити већи од две компоненте48,153 или већи од једне компоненте76, у зависности од хемијског састава материјала.Неколико извештаја је показало да је одговор хетеронаноструктура много већи од одзива једне компоненте када је једна од компоненти неосетљива на циљни гас48,75,76,153.У овом случају, циљни гас ће ступити у интеракцију само са осетљивим слојем и изазвати померање Еф осетљивог слоја и промену висине баријере хетероспојнице.Тада ће се укупна струја уређаја значајно променити, пошто је она у обрнутој вези са висином хетероспојне баријере према једначини.(3) и (4) 48,76,153.Међутим, када су компоненте н-типа и п-типа осетљиве на циљни гас, перформансе детекције могу бити негде између.Јосе и сарадници 76 су произвели порозни НиО/СнО2 филмски НО2 сензор распршивањем и открили да је осетљивост сензора била само већа од сензора на бази НиО, али нижа од сензора базираног на СнО2.сензор.Овај феномен је због чињенице да СнО2 и НиО показују супротне реакције на НО276.Такође, пошто две компоненте имају различиту осетљивост на гас, могу имати исту тенденцију да детектују оксидационе и редукционе гасове.На пример, Квон ет ал.157 је предложио НиО/СнО2 пн-хетеројукциони гасни сензор косим распршивањем, као што је приказано на слици 9а.Занимљиво је да је сензор НиО/СнО2 пн-хетероспојнице показао исти тренд осетљивости за Х2 и НО2 (слика 9а).Да би решили овај резултат, Квон ет ал.157 је систематски истраживао како НО2 и Х2 мењају концентрацију носача и подесио \(В_{би}^0\) оба материјала користећи ИВ-карактеристике и компјутерске симулације (слика 9бд).Слике 9б и ц показују способност Х2 и НО2 да промене густину носиоца сензора на бази п-НиО (пп0) и н-СнО2 (нн0), респективно.Они су показали да се пп0 НиО п-типа незнатно променио у окружењу НО2, док се драматично променио у окружењу Х2 (слика 9б).Међутим, за н-тип СнО2, нн0 се понаша супротно (слика 9ц).На основу ових резултата, аутори су закључили да када је Х2 примењен на сензор заснован на НиО/СнО2 пн хетероспојници, повећање нн0 доводи до повећања Јн, а \(В_{би}^0\) доводи до смањење одговора (слика 9д).Након излагања НО2, и велико смањење нн0 у СнО2 и мало повећање пп0 у НиО доводе до великог смањења \(В_{би}^0\), што обезбеђује повећање сензорног одговора (слика 9д). ) 157 Закључно, промене у концентрацији носилаца и \(В_{би}^0\) доводе до промене укупне струје, што даље утиче на способност детекције.
Механизам сензора гасног сензора заснован је на структури уређаја типа ИИИ.Слике попречног пресека скенирајуће електронске микроскопије (СЕМ), п-НиО/н-СнО2 нанокалем уређај и својства сензора хетероспојног сензора п-НиО/н-СнО2 наноцоил на 200°Ц за Х2 и НО2;б , СЕМ попречног пресека ц-уређаја и резултати симулације уређаја са б-слојем п-НиО и ц-слојем н-СнО2.Сензор б п-НиО и сензор ц н-СнО2 мере и усклађују И–В карактеристике на сувом ваздуху и након излагања Х2 и НО2.Дводимензионална мапа густине б-рупа у п-НиО и мапа ц-електрона у слоју н-СнО2 са скалом боја су моделоване коришћењем Сентаурус ТЦАД софтвера.д Резултати симулације који приказују 3Д мапу п-НиО/н-СнО2 у сувом ваздуху, Х2 и НО2157 у околини.
Поред хемијских својстава самог материјала, структура уређаја типа ИИИ показује могућност стварања гасних сензора са сопственим напајањем, што није могуће код уређаја типа И и типа ИИ.Због свог инхерентног електричног поља (БЕФ), пн хетероспојне диодне структуре се обично користе за изградњу фотонапонских уређаја и показују потенцијал за прављење фотоелектричних сензора гаса са сопственим напајањем на собној температури под осветљењем74,158,159,160,161.БЕФ на хетероинтерфејсу, узрокован разликом у Фермијевим нивоима материјала, такође доприноси раздвајању парова електрон-рупа.Предност фотонапонског сензора гаса са сопственим напајањем је његова ниска потрошња енергије јер може да апсорбује енергију осветљења, а затим да контролише себе или друге минијатурне уређаје без потребе за спољним извором напајања.На пример, Танума и Сугииама162 су произвели НиО/ЗнО пн хетероспојнице као соларне ћелије да активирају поликристалне ЦО2 сензоре на бази СнО2.Гад и др.74 је објавио фотонапонски гасни сензор са сопственим напајањем заснован на Си/ЗнО@ЦдС пн хетероспојници, као што је приказано на слици 10а.Вертикално оријентисане ЗнО наножице су узгајане директно на силицијумским супстратима п-типа да би се формирале Си/ЗнО пн хетероспојнице.Затим су наночестице ЦдС модификоване на површини ЗнО наножица хемијском модификацијом површине.На сл.10а приказује офф-лине резултате одзива сензора Си/ЗнО@ЦдС за О2 и етанол.Под осветљењем, напон отвореног кола (Воц) услед раздвајања парова електрон-рупа током БЕП-а на Си/ЗнО хетероинтерфејсу расте линеарно са бројем повезаних диода74,161.Воц се може представити једначином.(5) 156,
где су НД, НА и Ни концентрације донора, акцептора и интринзичних носача, респективно, а к, Т и к су исти параметри као у претходној једначини.Када су изложени оксидирајућим гасовима, они извлаче електроне из ЗнО наножица, што доводи до смањења \(Н_Д^{ЗнО}\) и Воц.Насупрот томе, смањење гаса је довело до повећања Воц (слика 10а).Када се ЗнО украшава наночестицама ЦдС, фотопобуђени електрони у наночестицама ЦдС се убризгавају у проводни појас ЗнО и ступају у интеракцију са адсорбованим гасом, чиме се повећава ефикасност перцепције74,160.Хоффманн ет ал.160, 161 (сл. 10б).Овај сензор се може припремити коришћењем линије наночестица ЗнО функционализованих амином ([3-(2-аминоетиламино)пропил]триметоксисилан) (амино-функционализовани-САМ) и тиол ((3-меркаптопропил)-функционализованих, да би се подесила радна функција циљног гаса за селективну детекцију НО2 (триметоксисилан) (тиол-функционализован-САМ)) (слика 10б) 74,161.
Фотоелектрични гасни сензор са сопственим напајањем заснован на структури уређаја типа ИИИ.фотонапонски гасни сензор са сопственим напајањем заснован на Си/ЗнО@ЦдС, сензорски механизам са сопственим напајањем и одговор сензора на оксидоване (О2) и редуковане (1000 ппм етанола) гасове под сунчевом светлошћу;74б Самонапајајући фотонапонски гасни сензор заснован на Си ЗнО/ЗнО сензорима и реакције сензора на различите гасове након функционализације ЗнО САМ терминалним аминима и тиолима 161
Стога, када се говори о осетљивом механизму сензора типа ИИИ, важно је утврдити промену висине баријере хетероспојнице и способност гаса да утиче на концентрацију носача.Поред тога, осветљење може да генерише фотогенерисане носаче који реагују са гасовима, што је обећавајуће за детекцију гаса са сопственим напајањем.
Као што је разматрано у овом прегледу литературе, много различитих МОС хетеронаноструктура је произведено да би се побољшале перформансе сензора.Веб оф Сциенце база података претражена је за различите кључне речи (композити металних оксида, метални оксиди језгра и омотача, слојевити метални оксиди и анализатори гаса са сопственим погоном), као и карактеристичне карактеристике (обиље, осетљивост/селективност, потенцијал за производњу енергије, производња) .Метода Карактеристике три од ова три уређаја приказане су у табели 2. Укупан концепт дизајна за гасне сензоре високих перформанси је разматран анализом три кључна фактора која је предложио Иамазое.Механизми за МОС хетероструктурне сензоре Да би се разумели фактори који утичу на сензоре гаса, пажљиво су проучавани различити МОС параметри (нпр. величина зрна, радна температура, дефект и густина слободних места кисеоника, отворене кристалне равни).Структура уређаја, која је такође критична за сензорско понашање сензора, занемарена је и ретко је дискутована.Овај преглед разматра основне механизме за откривање три типична типа структуре уређаја.
Структура величине зрна, начин производње и број хетероспојница сензорног материјала у сензору типа И могу у великој мери утицати на осетљивост сензора.Поред тога, на понашање сензора утиче и моларни однос компоненти.Структуре уређаја типа ИИ (декоративне хетеронаноструктуре, двослојни или вишеслојни филмови, ХССН) су најпопуларније структуре уређаја које се састоје од две или више компоненти, а само једна компонента је повезана са електродом.За ову структуру уређаја, одређивање локације проводних канала и њихових релативних промена је критично у проучавању механизма перцепције.Пошто уређаји типа ИИ укључују много различитих хијерархијских хетеронаноструктура, предложено је много различитих механизама сенсинга.У сензорној структури типа ИИИ, проводним каналом доминира хетероспој формиран на хетероспојници, а механизам перцепције је потпуно другачији.Због тога је важно утврдити промену висине баријере хетероспојнице након излагања циљног гаса сензору типа ИИИ.Са овим дизајном могу се направити фотонапонски сензори гаса са сопственим напајањем да би се смањила потрошња енергије.Међутим, пошто је тренутни процес производње прилично компликован и осетљивост је много нижа од традиционалних МОС базираних хемо-отпорних гасних сензора, још увек постоји велики напредак у истраживању гасних сензора са сопственим напајањем.
Главне предности гасних МОС сензора са хијерархијским хетеронаноструктурама су брзина и већа осетљивост.Међутим, неки кључни проблеми МОС гасних сензора (нпр. висока радна температура, дугорочна стабилност, лоша селективност и репродуктивност, ефекти влажности, итд.) и даље постоје и треба их решити пре него што се могу користити у практичним применама.Модерни МОС сензори за гас обично раде на високим температурама и троше много енергије, што утиче на дугорочну стабилност сензора.Постоје два уобичајена приступа решавању овог проблема: (1) развој сензорских чипова мале снаге;(2) развој нових осетљивих материјала који могу да раде на ниској температури или чак на собној температури.Један приступ развоју сензорских чипова мале снаге је да се минимизира величина сензора израдом плоча за микрогрејање на бази керамике и силицијума163.Керамичке микро грејне плоче троше приближно 50–70 мВ по сензору, док оптимизоване микро грејне плоче на бази силицијума могу да троше само 2 мВ по сензору када раде континуирано на 300 °Ц163,164.Развој нових сензорних материјала је ефикасан начин да се смањи потрошња енергије снижавањем радне температуре, а такође може побољшати стабилност сензора.Како величина МОС-а наставља да се смањује да би се повећала осетљивост сензора, термичка стабилност МОС-а постаје све већи изазов, што може довести до померања сигнала сензора165.Поред тога, висока температура промовише дифузију материјала на хетероинтерфејсу и формирање мешовитих фаза, што утиче на електронска својства сензора.Истраживачи наводе да се оптимална радна температура сензора може смањити одабиром одговарајућих сензорских материјала и развојем МОС хетеронаноструктура.Потрага за методом ниске температуре за производњу високо кристалних МОС хетеронаноструктура је још један обећавајући приступ за побољшање стабилности.
Селективност МОС сензора је још једно практично питање јер различити гасови коегзистирају са циљним гасом, док су МОС сензори често осетљиви на више од једног гаса и често показују унакрсну осетљивост.Стога је повећање селективности сензора на циљни гас, као и на друге гасове, критично за практичне примене.Током протеклих неколико деценија, избор је делимично обрађен изградњом низа гасних сензора названих „електронски носови (Е-нос)“ у комбинацији са алгоритмима рачунарске анализе као што су квантизација вектора обуке (ЛВК), анализа главних компоненти (ПЦА), итд. е.Сексуални проблеми.Парцијални најмањи квадрати (ПЛС) итд. 31, 32, 33, 34. Два главна фактора (број сензора, који су уско повезани са типом сензорног материјала и рачунарска анализа) су критични за побољшање способности електронских носова. за идентификацију гасова169.Међутим, повећање броја сензора обично захтева много сложених производних процеса, тако да је кључно пронаћи једноставан метод за побољшање перформанси електронских носова.Поред тога, модификовање МОС-а другим материјалима такође може повећати селективност сензора.На пример, селективна детекција Х2 може се постићи захваљујући доброј каталитичкој активности МОС-а модификованог са НП Пд.Последњих година, неки истраживачи су премазали МОС МОФ површину како би побољшали селективност сензора кроз искључење величине171,172.Инспирисана овим радом, функционализација материјала може некако решити проблем селективности.Међутим, има још много посла да се уради у избору правог материјала.
Поновљивост карактеристика сензора произведених под истим условима и методама је још један важан захтев за производњу великих размера и практичне примене.Обично су методе центрифугирања и потапања јефтине методе за производњу гасних сензора велике пропусности.Међутим, током ових процеса, осетљиви материјал тежи да се агрегира и однос између осетљивог материјала и подлоге постаје слаб68, 138, 168. Као резултат тога, осетљивост и стабилност сензора се значајно погоршавају, а перформансе постају репродуцибилне.Друге методе производње као што су распршивање, АЛД, пулсно ласерско таложење (ПЛД) и физичко таложење паром (ПВД) омогућавају производњу двослојних или вишеслојних МОС филмова директно на силиконским или глиницним подлогама са узорком.Ове технике избегавају накупљање осетљивих материјала, обезбеђују поновљивост сензора и демонстрирају изводљивост велике производње планарних танкослојних сензора.Међутим, осетљивост ових равних филмова је генерално много нижа од осетљивости 3Д наноструктурираних материјала због њихове мале специфичне површине и ниске пропустљивости гаса41,174.Нове стратегије за узгој МОС хетеронаноструктура на специфичним локацијама на структурираним микронизовима и прецизна контрола величине, дебљине и морфологије осетљивих материјала су критичне за јефтину производњу сензора нивоа плочице са високом поновљивошћу и осетљивошћу.На пример, Лиу ет ал.174 је предложио комбиновану стратегију од врха према доле и одоздо према горе за производњу кристалита високе пропусности узгајањем ин ситу Ни(ОХ)2 нанозидова на одређеним локацијама..Облатне за микробурнере.
Поред тога, такође је важно узети у обзир утицај влаге на сензор у практичним применама.Молекули воде могу да се такмиче са молекулима кисеоника за места адсорпције у сензорским материјалима и утичу на одговорност сензора за циљни гас.Као и кисеоник, вода делује као молекул кроз физичку сорпцију, а такође може постојати у облику хидроксилних радикала или хидроксилних група на различитим оксидационим станицама путем хемисорпције.Поред тога, због високог нивоа и променљиве влажности околине, поуздан одговор сензора на циљни гас представља велики проблем.Развијено је неколико стратегија за решавање овог проблема, као што су предконцентрација гаса177, компензација влаге и методе унакрсне реактивне решетке178, као и методе сушења179,180.Међутим, ове методе су скупе, сложене и смањују осетљивост сензора.Предложено је неколико јефтиних стратегија за сузбијање ефеката влаге.На пример, украшавање СнО2 наночестицама Пд може промовисати конверзију адсорбованог кисеоника у ањонске честице, док су функционализација СнО2 материјалима са високим афинитетом за молекуле воде, као што су НиО и ЦуО, два начина да се спречи зависност од влаге од молекула воде..Сензори 181, 182, 183. Поред тога, ефекат влаге се такође може смањити коришћењем хидрофобних материјала за формирање хидрофобних површина36,138,184,185.Међутим, развој гасних сензора отпорних на влагу је још увек у раној фази и потребне су напредније стратегије за решавање ових проблема.
У закључку, побољшања у перформансама детекције (нпр. осетљивост, селективност, ниска оптимална радна температура) су постигнута стварањем МОС хетеронаноструктура и предложени су различити побољшани механизми детекције.Приликом проучавања сензорског механизма одређеног сензора, такође се мора узети у обзир геометријска структура уређаја.Биће потребно истраживање нових сензорних материјала и истраживање напредних стратегија производње да би се додатно побољшале перформансе сензора за гас и решили преостали изазови у будућности.За контролисано подешавање карактеристика сензора неопходно је систематски градити однос између синтетичке методе сензорских материјала и функције хетеронаноструктура.Осим тога, проучавање површинских реакција и промена хетероинтерфејса коришћењем савремених метода карактеризације може помоћи у расветљавању механизама њихове перцепције и дати препоруке за развој сензора заснованих на хетеронаноструктурним материјалима.Коначно, проучавање савремених стратегија производње сензора може омогућити производњу минијатурних сензора за гас на нивоу плочице за њихову индустријску примену.
Гензел, НН ет ал.Лонгитудинално истраживање нивоа азот-диоксида у затвореном простору и респираторних симптома код деце са астмом у урбаним срединама.комшилук.Здравствена перспектива.116, 1428–1432 (2008).
Време поста: 04.11.2022
