De ûntwikkeling fan hege prestaasjes, draachbere en miniaturisearre gassensors krijt tanimmend omtinken op it mêd fan miljeumonitoring, feiligens, medyske diagnostyk en lânbou.Under ferskate deteksje-ark binne metal-oxide-semiconductor (MOS) chemo-resistive gassensors de populêrste kar foar kommersjele tapassingen fanwege har hege stabiliteit, lege kosten en hege gefoelichheid.Ien fan 'e wichtichste oanpakken om de prestaasjes fan' e sensor fierder te ferbetterjen is de skepping fan nanogrutte MOS-basearre heterojunctions (hetero-nanostrukturearre MOS) fan MOS nanomaterialen.Lykwols, it sensing meganisme fan in heteronanostructured MOS sensor is oars as dat fan in inkele MOS gas sensor, sa't it is frij kompleks.Sensorprestaasjes wurde beynfloede troch ferskate parameters, ynklusyf de fysike en gemyske eigenskippen fan it gefoelige materiaal (lykas nôtgrutte, defektdichte en materiaal soerstoffakatueres), wurktemperatuer en apparaatstruktuer.Dizze resinsje presintearret ferskate konsepten foar it ûntwerpen fan hege prestaasjes gassensors troch it analysearjen fan it sensormeganisme fan heterogene nanostrukturearre MOS-sensoren.Dêrnjonken wurdt de ynfloed fan 'e geometryske struktuer fan it apparaat, bepaald troch de relaasje tusken it gefoelige materiaal en de wurkelektrode, besprutsen.Om sensorgedrach systematysk te studearjen, yntrodusearret en besprekt dit artikel it algemiene meganisme fan waarnimming fan trije typyske geometryske struktueren fan apparaten basearre op ferskate heteronanostruktureare materialen.Dit oersjoch sil tsjinje as in gids foar takomstige lêzers dy't studearje de gefoelige meganismen fan gas sensors en ûntwikkeljen hege prestaasjes gas sensors.
Luchtfersmoarging is in hieltyd serieuzer probleem en in serieus wrâldwiid miljeuprobleem dat it wolwêzen fan minsken en libbene wêzens bedriget.Ynhalaasje fan gasfoarmige fersmoarging kin in protte sûnensproblemen feroarsaakje lykas respiratory disease, longkanker, leukemy en sels iere dea1,2,3,4.Fan 2012 oant 2016 waarden rapporteare dat miljoenen minsken stoarn wiene oan loftfersmoarging, en elk jier waarden miljarden minsken bleatsteld oan minne luchtkwaliteit5.Dêrom is it wichtich om draachbere en miniaturisearre gassensors te ûntwikkeljen dy't realtime feedback en hege deteksjeprestaasjes kinne leverje (bygelyks gefoelichheid, selektiviteit, stabiliteit, en antwurd- en hersteltiden).Njonken miljeumonitoring spylje gassensors in fitale rol yn feiligens6,7,8, medyske diagnostyk9,10, akwakultuer11 en oare fjilden12.
Oant no ta binne ferskate draachbere gassensors basearre op ferskate sensormeganismen yntrodusearre, lykas optical13,14,15,16,17,18, electrochemical19,20,21,22 en gemyske resistive sensors23,24.Under harren binne metal-oxide-semiconductor (MOS) gemyske resistive sensoren de populêrste yn kommersjele tapassingen fanwege har hege stabiliteit en lege kosten25,26.De konsintraasje fan kontaminanten kin gewoan wurde bepaald troch de feroaring yn MOS-resistinsje te detektearjen.Yn 'e iere 1960's waarden de earste chemo-resistive gassensors basearre op ZnO tinne films rapporteare, dy't grutte belangstelling generearje op it mêd fan gasdeteksje27,28.Hjoed, in protte ferskillende MOS wurde brûkt as gas gefoelige materialen, en se kinne wurde ferdield yn twa kategoryen basearre op harren fysike eigenskippen: n-type MOS mei elektroanen as de mearderheid lading dragers en p-type MOS mei gatten as de mearderheid lading dragers.ladingdragers.Yn 't algemien is de p-type MOS minder populêr as de n-type MOS, om't de induktive reaksje fan' e p-type MOS (Sp) evenredich is mei de fjouwerkantswoartel fan 'e n-type MOS (\(S_p = \sqrt { S_n}\ ) ) by deselde oannames (bygelyks deselde morfologyske struktuer en deselde feroaring yn it bûgen fan 'e bannen yn' e loft) 29,30.Single-base MOS-sensors steane lykwols noch foar problemen lykas ûnfoldwaande deteksjelimyt, lege gefoelichheid en selektiviteit yn praktyske tapassingen.Selektiviteitsproblemen kinne yn guon mjitte oanpakt wurde troch it meitsjen fan arrays fan sensoren (neamd "elektroanyske noas") en it opnimmen fan berekkeningsanalysealgoritmen lykas trainingsvektorkwantisaasje (LVQ), haadkomponintanalyse (PCA), en analyse fan partiel minste kwadraten (PLS)31, 32, 33, 34, 35. Dêrnjonken is de produksje fan leechdiminsjonale MOS32,36,37,38,39 (bgl Bygelyks MOS40,41,42, edelmetaal nanopartikels (NP's))43,44, koalstofnanomaterialen45,46 en konduktyf polymers47,48) om nanoskaal heterojunctions te meitsjen (dat wol sizze, heteronanostructured MOS) binne oare foarkommende oanpak om de boppesteande problemen op te lossen.Yn ferliking mei tradisjonele dikke MOS-films kin leechdimensjonale MOS mei hege spesifyk oerflak mear aktive siden leverje foar gasadsorpsje en gasdiffusion36,37,49 fasilitearje.Dêrneist kin it ûntwerp fan MOS-basearre heteronanostrukturen fierder tune drager ferfier by de heterointerface, resultearret yn grutte feroarings yn wjerstân fanwege ferskillende bestjoeringssysteem funksjes50,51,52.Derneist kinne guon fan 'e gemyske effekten (bygelyks katalytyske aktiviteit en synergistyske oerflakreaksjes) dy't foarkomme yn it ûntwerp fan MOS-heteronanostruktueren ek sensorprestaasjes ferbetterje. sensorprestaasjes, moderne chemo-resistive sensoren brûke typysk probearjen en flater, wat tiidslinend en net effisjint is.Dêrom is it wichtich om it sensormeganisme fan MOS-basearre gassensors te begripen, om't it it ûntwerp fan rjochtingssensoren mei hege prestaasjes kin liede.
Yn 'e ôfrûne jierren binne MOS-gassensors rap ûntwikkele en guon rapporten binne publisearre oer MOS-nanostruktueren55,56,57, keamertemperatuergassensors58,59, spesjale MOS-sensormaterialen60,61,62 en spesjale gassensors63.In resinsje papier yn Oare resinsjes rjochtet him op it ferklearjen fan de sensing meganisme fan gas sensoren basearre op de yntrinsike fysike en gemyske eigenskippen fan MOS, ynklusyf de rol fan soerstof fakatueres 64, de rol fan heteronanostructures 55, 65 en lading oerdracht by heterointerfaces 66. Dêrneist , In protte oare parameters beynfloedzje sensor prestaasjes, ynklusyf heterostruktuer, nôt grutte, bestjoeringssysteem temperatuer, defect tichtens, soerstof fakatueres, en sels iepen crystal fleantugen fan de gefoelige materiaal25,67,68,69,70,71.72, 73. De (selden neamde) geometryske struktuer fan it apparaat, bepaald troch de relaasje tusken it sensearjende materiaal en de wurkelektrode, hat lykwols ek signifikant ynfloed op de gefoelichheid fan 'e sensor74,75,76 (sjoch paragraaf 3 foar mear details) .Bygelyks, Kumar et al.77 rapportearre twa gas sensoren basearre op itselde materiaal (bgl. twa-laach gas sensoren basearre op TiO2 @ NiO en NiO @ TiO2) en observearre ferskillende feroarings yn NH3 gas ferset fanwege ferskillende apparaat geometry.Dêrom, by it analysearjen fan in gassensingmeganisme, is it wichtich om de struktuer fan it apparaat te rekkenjen.Yn dizze resinsje rjochtsje de auteurs op MOS-basearre deteksjemeganismen foar ferskate heterogene nanostruktueren en apparaatstruktueren.Wy leauwe dat dizze beoardieling kin tsjinje as in hantlieding foar lêzers dy't gasdeteksjemeganismen wolle begripe en analysearje en kin bydrage oan 'e ûntwikkeling fan takomstige hege prestaasjes gassensors.
Op fig.1a toant it basismodel fan in gassensingmeganisme basearre op ien MOS.As de temperatuer opkomt, sil de adsorpsje fan soerstof (O2) molekulen op it MOS-oerflak elektroanen fan 'e MOS oanlûke en anionyske soarten foarmje (lykas O2- en O-).Dan wurdt op it oerflak fan de MOS 15, 23, 78 in elektroanenútputslaach (EDL) foar in n-type MOS of in gatakkumulaasjelaach (HAL) foar in p-type MOS foarme. De ynteraksje tusken O2 en de MOS feroarsaket de conduction band fan it oerflak MOS nei boppen bûge en foarmje in potinsjele barriêre.Ferfolgens, as de sensor wurdt bleatsteld oan it doelgas, reagearret it gas dat op it oerflak fan 'e MOS is adsorbearre mei ionyske soerstofsoarten, itsij oanlûken fan elektroanen (oksidearjend gas) of donearjen fan elektroanen (ferminderjen fan gas).Elektronenferfier tusken it doelgas en de MOS kin de breedte fan 'e EDL of HAL30,81 oanpasse, wat resulteart yn in feroaring yn' e totale ferset fan 'e MOS-sensor.Bygelyks, foar in ferminderjen gas, elektroanen wurde oerbrocht út it ferminderjen gas nei in n-type MOS, resultearret yn in legere EDL en legere ferset, dat wurdt oantsjut as n-type sensor gedrach.Yn tsjinstelling, as in p-type MOS wurdt bleatsteld oan in ferminderjend gas dat bepaalt it p-type gefoelichheid gedrach, de HAL krimp en de wjerstân nimt ta fanwegen elektron donaasje.Foar oksidearjende gassen is de sensorreaksje tsjinoersteld oan dy foar it ferminderjen fan gassen.
Basisdeteksjemeganismen foar n-type en p-type MOS foar it ferminderjen en oksidearjen fan gassen b Keyfaktoaren en fysyk-gemyske as materiële eigenskippen belutsen by semiconductor gassensors 89
Njonken it basisdeteksjemeganisme binne de gasdeteksjemeganismen brûkt yn praktyske gassensors frij kompleks.Bygelyks, it eigentlike gebrûk fan in gassensor moat foldwaan oan in protte easken (lykas gefoelichheid, selektiviteit en stabiliteit) ôfhinklik fan 'e behoeften fan' e brûker.Dizze easken binne nau besibbe oan de fysike en gemyske eigenskippen fan it gefoelige materiaal.Bygelyks, Xu et al.71 demonstrearre dat SnO2 basearre sensoren berikke de heechste gefoelichheid as de kristal diameter (d) is gelyk oan of minder as twa kear de Debye lingte (λD) fan SnO271.As d ≤ 2λD, wurdt SnO2 folslein útput nei de adsorpsje fan O2-molekulen, en de reaksje fan 'e sensor op it ferminderjende gas is maksimaal.Derneist kinne ferskate oare parameters de sensorprestaasjes beynfloedzje, ynklusyf wurktemperatuer, kristaldefekten, en sels bleatstelde kristalfleantugen fan it sensormateriaal.Benammen de ynfloed fan 'e wurktemperatuer wurdt ferklearre troch de mooglike konkurrinsje tusken de tariven fan adsorpsje en desorpsje fan it doelgas, en ek de oerflakreaktiviteit tusken adsorbearre gasmolekulen en soerstofdieltsjes4,82.It effekt fan kristaldefekten is sterk besibbe oan de ynhâld fan soerstoffakatueres [83, 84].De wurking fan 'e sensor kin ek beynfloede wurde troch ferskate reaktiviteit fan iepen kristalgesichten67,85,86,87.Iepen kristalfleantugen mei legere tichtheid litte mear unkoördinearre metalen kationen sjen mei hegere enerzjy, dy't oerflakadsorpsje en reaktiviteit befoarderje88.Tabel 1 listet ferskate kaaifaktoaren en har assosjearre ferbettere perceptuele meganismen.Dêrom, troch it oanpassen fan dizze materiaalparameters, kinne deteksjeprestaasjes wurde ferbettere, en it is kritysk om de kaaifaktoaren te bepalen dy't sensorprestaasjes beynfloedzje.
Yamazoe89 en Shimanoe et al.68,71 útfierd in oantal stúdzjes oer de teoretyske meganisme fan sensor perception en foarstelde trije ûnôfhinklike kaai faktoaren beynfloedzje sensor prestaasjes, spesifyk receptor funksje, transducer funksje, en nut (Fig. 1b)..Receptorfunksje ferwiist nei it fermogen fan it MOS-oerflak om te ynteraksje mei gasmolekulen.Dizze funksje is nau besibbe oan de gemyske eigenskippen fan MOS en kin gâns ferbettere wurde troch it ynfieren fan bûtenlânske akseptors (bygelyks metalen NP's en oare MOS).De transducerfunksje ferwiist nei de mooglikheid om de reaksje tusken it gas en it MOS-oerflak te konvertearjen yn in elektrysk sinjaal dominearre troch de nôtgrinzen fan 'e MOS.Sa wurdt sintúchlike funksje signifikant beynfloede troch MOC-partikelgrutte en tichtens fan bûtenlânske receptors.Katoch et al.90 rapportearre dat nôtgrutte reduksje fan ZnO-SnO2 nanofibrils resultearre yn 'e formaasje fan ferskate heterojunctions en ferhege sensorsensitiviteit, konsekwint mei transducerfunksjonaliteit.Wang et al.91 fergelike ferskate korrelgrutte fan Zn2GeO4 en toande in 6.5-fâldige ferheging fan sensorsensitiviteit nei it yntrodusearjen fan nôtgrinzen.Utility is in oare wichtige sensorprestaasjefaktor dy't de beskikberens fan gas oan 'e ynterne MOS-struktuer beskriuwt.As gasmolekulen net kinne penetrearje en reagearje mei de ynterne MOS, sil de gefoelichheid fan 'e sensor wurde fermindere.It nut is nau besibbe oan de diffusion djipte fan in bepaald gas, dy't hinget ôf fan de pore grutte fan it sensing materiaal.Sakai et al.92 modelearre de gefoelichheid fan 'e sensor foar rookgassen en fûn dat sawol it molekulêre gewicht fan it gas as de pore-radius fan' e sensormembraan de gefoelichheid fan 'e sensor beynfloedzje op ferskate gasdiffusjonsdjipen yn' e sensormembraan.De diskusje hjirboppe lit sjen dat gassensors mei hege prestaasjes kinne wurde ûntwikkele troch balansearjen en optimalisearjen fan receptorfunksje, transducerfunksje en nut.
It boppesteande wurk ferdúdlikt it basispersepsjemeganisme fan in inkele MOS en besprekt ferskate faktoaren dy't de prestaasjes fan in MOS beynfloedzje.Neist dizze faktoaren kinne gassensors basearre op heterostruktueren sensorprestaasjes fierder ferbetterje troch sensor- en receptorfunksjes signifikant te ferbetterjen.Dêrnjonken kinne heteronanostruktueren sensorprestaasjes fierder ferbetterje troch katalytyske reaksjes te ferbetterjen, ladingsferfier te regeljen en mear adsorpsjonele siden te meitsjen.Oant no ta binne in protte gassensors basearre op MOS-heteronanostruktueren ûndersocht om meganismen te besprekken foar ferbettere sensing95,96,97.Miller et al.55 gearfette ferskate meganismen dy't wierskynlik de gefoelichheid fan heteronanostruktueren ferbetterje, ynklusyf oerflak-ôfhinklik, ynterface-ôfhinklik en struktuerôfhinklik.Under harren is it ynterface-ôfhinklike amplifikaasjemeganisme te yngewikkeld om alle ynterface-ynteraksjes yn ien teory te dekken, om't ferskate sensors basearre op heteronanostrukturearre materialen (bygelyks nn-heterojunction, pn-heterojunction, pp-heterojunction, ensfh.) .Schottky knoop).Typysk omfetsje MOS-basearre heteronanostrukturearre sensoren altyd twa of mear avansearre sensormeganismen98,99,100.It synergistyske effekt fan dizze amplifikaasjemeganismen kin de ûntfangst en ferwurking fan sensorsinjalen ferbetterje.Sa is it begripen fan it meganisme fan waarnimming fan sensoren basearre op heterogene nanostrukturearre materialen krúsjaal om ûndersikers te helpen ûndersiik gassensors te ûntwikkeljen yn oerienstimming mei har behoeften.Dêrnjonken kin de geometryske struktuer fan it apparaat ek de gefoelichheid fan 'e sensor signifikant beynfloedzje 74, 75, 76. Om it gedrach fan' e sensor systematysk te analysearjen, wurde de sensingmeganismen fan trije apparaatstruktueren basearre op ferskate heteronanostrukturearre materialen presintearre. en besprutsen hjirûnder.
Mei de rappe ûntwikkeling fan MOS-basearre gassensors binne ferskate hetero-nanostrukturearre MOS foarsteld.De lading oerdracht by de heterointerface hinget ôf fan de ferskillende Fermi nivo (Ef) fan de komponinten.By de heterointerface ferpleatse elektroanen fan de iene kant mei in gruttere Ef nei de oare kant mei in lytsere Ef oant harren Fermi-nivo's lykwicht berikke, en gatten, oarsom.Dan wurde de dragers by de heterointerface útput en foarmje in útputte laach.Ienris de sensor is bleatsteld oan it doelgas, feroaret de heteronanostruktureare MOS-dragerkonsintraasje, lykas de barriêrehichte, wêrtroch it deteksjesinjaal ferbettert.Dêrneist ferskate metoaden fan fabricating heteronanostructures liede ta ferskillende relaasjes tusken materialen en elektroden, dy't liedt ta ferskate apparaat geometry en ferskillende sensing meganismen.Yn dizze resinsje stelle wy trije geometryske apparaatstruktueren foar en beprate it sensingmeganisme foar elke struktuer.
Hoewol't heterojunctions in tige wichtige rol spylje yn 'e prestaasje fan gasdeteksje, kin de apparaatgeometry fan' e hiele sensor ek it deteksjegedrach signifikant beynfloedzje, om't de lokaasje fan it sensorgeliedingskanaal tige ôfhinklik is fan 'e apparaatgeometry.Trije typyske geometries fan heterojunction MOS apparaten wurde besprutsen hjir, lykas werjûn yn figuer 2. Yn it earste type, twa MOS ferbinings willekeurich ferdield tusken twa elektroden, en de lokaasje fan de conductive kanaal wurdt bepaald troch de wichtichste MOS, de twadde is de formaasje fan heterogene nanostruktueren út ferskate MOS, wylst mar ien MOS is ferbûn mei de elektrodes.elektrode is ferbûn, dan is de conductive kanaal meastal leit binnen de MOS en is direkt ferbûn mei de elektrodes.Yn it tredde type wurde twa materialen apart oan twa elektroden hechte, en it apparaat liede troch in heterojunction foarme tusken de twa materialen.
In koppelteken tusken ferbiningen (bgl. "SnO2-NiO") jout oan dat de twa komponinten gewoan mingd binne (type I).In "@" teken tusken twa ferbinings (bgl. "SnO2@NiO") jout oan dat de steiger materiaal (NiO) is fersierd mei SnO2 foar in type II sensor struktuer.In slash (bygelyks "NiO / SnO2") jout in type III sensor design.
Foar gassensors basearre op MOS-kompositen wurde twa MOS-eleminten willekeurich ferdield tusken de elektroden.Tal fan fabrikaazjemetoaden binne ûntwikkele om MOS-kompositen te meitsjen, ynklusyf sol-gel, coprecipitation, hydrothermale, elektrospinning, en meganyske mingmetoaden98,102,103,104.Koartlyn binne metaal-organyske kaders (MOF's), in klasse fan poreuze kristalline strukturearre materialen gearstald út metalen sintra en organyske linkers, brûkt as sjabloanen foar de fabryk fan poreuze MOS-kompositen105,106,107,108.It is de muoite wurdich op te merken dat hoewol it persintaazje fan MOS-kompositen itselde is, kinne de gefoelichheidskaaimerken sterk ferskille by it brûken fan ferskate produksjeprosessen. (Mo: Sn = 1: 1.9) en fûn dat ferskate fabrication metoaden liede ta ferskate gefoelichheid.Shaposhnik et al.110 rapportearre dat de reaksje fan ko-presipitearre SnO2-TiO2 nei gasfoarmige H2 ferskilde fan dy fan meganysk mingde materialen, sels by deselde Sn / Ti-ferhâlding.Dit ferskil ûntstiet omdat de relaasje tusken MOP en MOP crystallite grutte fariearret mei ferskillende synteze metoaden109,110.Wannear't de nôt grutte en foarm binne konsekwint yn termen fan donor tichtens en semiconductor type, it antwurd moat bliuwe itselde as de kontakt mjitkunde net feroaret 110 .Staerz et al.111 rapportearre dat de deteksjekarakteristiken fan SnO2-Cr2O3 core-sheath (CSN) nanofibers en grûn SnO2-Cr2O3 CSNs wiene hast identyk, wat suggerearret dat de nanofiber morfology gjin foardiel biedt.
Neist de ferskillende fabrikaazjemetoaden hawwe de semiconductorsoarten fan 'e twa ferskillende MOSFET's ek ynfloed op de gefoelichheid fan' e sensor.It kin fierder ferdield wurde yn twa kategoryen ôfhinklik fan oft de twa MOSFETs binne fan itselde type semyconductor (nn of pp junction) of ferskillende typen (pn junction).As gassensors binne basearre op MOS-kompositen fan itselde type, troch it feroarjen fan de molêre ferhâlding fan 'e twa MOS, bliuwt de gefoelichheidsreaksje-karakteristyk ûnferoare, en de sensorsensitiviteit feroaret ôfhinklik fan it oantal nn- of pp-heterojunctions.As ien komponint oerhearsket yn 'e gearstalling (bgl. 0.9 ZnO-0.1 SnO2 of 0.1 ZnO-0.9 SnO2), wurdt it konduksjekanaal bepaald troch de dominante MOS, it homojunction-geliedingskanaal 92 neamd.As de ferhâldingen fan de twa komponinten fergelykber binne, wurdt oannommen dat it konduksjekanaal dominearre wurdt troch de heterojunction98,102.Yamazoe et al.112.113 rapportearre dat de heterocontact regio fan de twa komponinten kin gâns ferbetterje de gefoelichheid fan de sensor omdat de heterojunction barriêre foarme troch de ferskillende bestjoeringssysteem funksjes fan de komponinten kin effektyf behearskje de drift mobiliteit fan de sensor bleatsteld oan elektroanen.Ferskate ambient gassen 112.113.Op fig.Figuer 3a lit sjen dat sensoren basearre op SnO2-ZnO fibrous hiërargyske struktueren mei ferskillende ZnO ynhâld (fan 0 oant 10 mol% Zn) kinne selektyf detect ethanol.Under harren toande in sensor basearre op SnO2-ZnO fezels (7 mol.% Zn) de heechste gefoelichheid troch de foarming fan in grut oantal heterojunctions en in tanimming fan it spesifike oerflak, dy't fergrutte de funksje fan de converter en ferbettere gefoelichheid 90 Lykwols, mei in fierdere ferheging fan de ZnO ynhâld oan 10 mol.%, de mikrostruktuer SnO2-ZnO gearstalde kin wrap oerflak aktivearring gebieten en ferminderje sensor gefoelichheid85.In ferlykbere trend wurdt ek waarnommen foar sensoren basearre op NiO-NiFe2O4 pp heterojunction composites mei ferskillende Fe / Ni ferhâldingen (Fig. 3b)114.
SEM bylden fan SnO2-ZnO fezels (7 mol.% Zn) en sensor antwurd op ferskate gassen mei in konsintraasje fan 100 ppm by 260 ° C;54b Antwurden fan sensoren basearre op suvere NiO- en NiO-NiFe2O4-kompositen by 50 ppm fan ferskate gassen, 260 °C;114 (c) Skematysk diagram fan it oantal knopen yn 'e xSnO2-(1-x)Co3O4-komposysje en de oerienkommende wjerstân- en gefoelichheidsreaksjes fan 'e xSnO2-(1-x)Co3O4-komposysje per 10 ppm CO, aceton, C6H6 en SO2 gas by 350 °C troch it feroarjen fan de molêre ferhâlding fan Sn/Co 98
De pn-MOS-kompositen litte ferskate gefoelichheidsgedrach sjen ôfhinklik fan de atoomferhâlding fan MOS115.Yn 't algemien is it sintúchlike gedrach fan MOS-kompositen sterk ôfhinklik fan hokker MOS fungearret as it primêr konduksjekanaal foar de sensor.Dêrom is it tige wichtich om de persintaazje gearstalling en nanostruktuer fan kompositen te karakterisearjen.Kim et al.98 befêstige dizze konklúzje troch synthesizing in rige fan xSnO2 ± (1-x) Co3O4 gearstalde nanofibers troch electrospinning en bestudearjen fan harren sensor eigenskippen.Se observearre dat it gedrach fan de SnO2-Co3O4 gearstalde sensor skeakele fan n-type nei p-type troch it ferminderjen fan it persintaazje SnO2 (Fig. 3c)98.Dêrnjonken toande heterojunction-dominearre sensors (basearre op 0,5 SnO2-0,5 Co3O4) de heechste oerdrachtsraten foar C6H6 yn ferliking mei homojunction-dominante sensors (bgl. hege SnO2 of Co3O4 sensors).De ynherinte hege wjerstân fan 'e 0.5 SnO2-0.5 Co3O4-basearre sensor en syn gruttere fermogen om de totale sensorresistinsje te modulearjen drage by oan syn heechste gefoelichheid foar C6H6.Derneist kinne lattice-mismatch-defekten dy't ûntsteane út SnO2-Co3O4-hetero-interfaces foarkar adsorpsjonele siden meitsje foar gasmolekulen, en dêrmei sensorrespons109,116 ferbetterje.
Neist MOS fan semiconductor-type kin it oanraakgedrach fan MOS-kompositen ek oanpast wurde mei de skiekunde fan MOS-117.Huo et al.117 brûkten in ienfâldige soak-bakmetoade om Co3O4-SnO2-kompositen te meitsjen en fûnen dat by in Co/Sn-molêre ferhâlding fan 10% de sensor in p-type-deteksje-antwurd op H2 en in n-type gefoelichheid toande. H2.antwurd.Sensor antwurden op CO, H2S en NH3 gassen wurde werjûn yn figuer 4a117.By lege Co / Sn ferhâldings, in protte homojunctions foarmje by de SnO2 ± SnO2 nanograin grinzen en útstald n-type sensor antwurden op H2 (Fig. 4b, c) 115.Mei in ferheging fan 'e Co/Sn-ferhâlding oant 10 mol.%, ynstee fan SnO2-SnO2 homojunctions, in protte Co3O4-SnO2 heterojunctions waarden tagelyk foarme (figuer 4d).Om't Co3O4 ynaktyf is foar H2, en SnO2 sterk reagearret mei H2, komt de reaksje fan H2 mei ionyske soerstofsoarten benammen foar op it oerflak fan SnO2117.Dêrom, elektroanen ferhúzje nei SnO2 en Ef SnO2 ferskowings nei de conduction band, wylst Ef Co3O4 bliuwt ûnferoare.As gefolch, de ferset fan 'e sensor ferheget, wat oanjout dat materialen mei in hege Co / Sn ferhâlding p-type sensing gedrach útstald (figuer 4e).Yn tsjinstelling, CO, H2S, en NH3 gassen reagearje mei ionyske soerstof soarten op de SnO2 en Co3O4 oerflakken, en elektroanen ferpleatse fan it gas nei de sensor, resultearret yn in fermindering fan barriêre hichte en n-type gefoelichheid (Fig. 4f)..Dit ferskillende sensorgedrach komt troch de ferskillende reaktiviteit fan Co3O4 mei ferskate gassen, wat fierder befêstige waard troch Yin et al.118 .Likewise, Katoch et al.119 oantoand dat SnO2-ZnO kompositen hawwe goede selektiviteit en hege gefoelichheid foar H2.Dit gedrach komt foar om't H-atomen maklik oan 'e O-posysjes fan ZnO adsorbearje kinne troch sterke hybridisaasje tusken de s-orbital fan H en de p-orbital fan O, wat liedt ta metallisaasje fan ZnO120,121.
a Co / Sn-10% dynamyske ferset curves foar typyske ferminderjen fan gassen lykas H2, CO, NH3 en H2S, b, c Co3O4 / SnO2 gearstalde sensing meganisme diagram foar H2 at low% m.Co/Sn, df Co3O4 Mechanismedeteksje fan H2 en CO, H2S en NH3 mei in hege Co/Sn/SnO2 gearstalde
Dêrom kinne wy de gefoelichheid fan 'e I-type sensor ferbetterje troch passende fabrikaasjemetoaden te kiezen, de korrelgrutte fan' e kompositen te ferminderjen en de molêre ferhâlding fan 'e MOS-kompositen te optimalisearjen.Derneist kin in djip begryp fan 'e skiekunde fan it gefoelige materiaal de selektiviteit fan' e sensor fierder ferbetterje.
Type II sensorstruktueren binne in oare populêre sensorstruktuer dy't in ferskaat oan heterogene nanostrukturearre materialen brûke kinne, ynklusyf ien "master" nanomateriaal en in twadde of sels tredde nanomateriaal.Bygelyks, ien-diminsjonale of twadimensjonale materialen fersierd mei nanopartikels, core-shell (CS) en multilayer heteronanostructured materialen wurde faak brûkt yn type II sensor struktueren en sil wurde besprutsen yn detail hjirûnder.
Foar de earste heteronanostructure materiaal (fersierde heteronanostructure), lykas werjûn yn Fig. 2b (1), de conductive kanalen fan de sensor ferbûn troch in basis materiaal.Troch de formaasje fan heterojunctions kinne modifisearre nanopartikels mear reaktive plakken leverje foar gasadsorpsje of desorpsje, en kinne ek fungearje as katalysatoren foar it ferbetterjen fan sensingprestaasjes109,122,123,124.Yuan et al.41 merkte op dat it dekorearjen fan WO3 nanowires mei CeO2 nanodots mear adsorpsjonsplakken kinne leverje oan 'e CeO2@WO3 heterointerface en it CeO2-oerflak en generearje mear chemisorbeare soerstofsoarten foar reaksje mei aceton.Gunawan et al.125. In ultra-hege gefoelichheid aceton sensor basearre op ien-diminsjonale Au@α-Fe2O3 is foarsteld en it is beoardiele dat de gefoelichheid fan 'e sensor wurdt kontrolearre troch de aktivearring fan O2 molekulen as soerstof boarne.De oanwêzigens fan Au NP's kin fungearje as in katalysator dy't de dissoziaasje fan soerstofmolekulen befoarderje yn roostersoerstof foar de oksidaasje fan aceton.Fergelykbere resultaten waarden krigen troch Choi et al.9 wêr't in Pt-katalysator waard brûkt om adsorbearre soerstofmolekulen te dissoziearjen yn ionisearre soerstofsoarten en de gefoelige reaksje op aceton te ferbetterjen.Yn 2017 hat itselde ûndersyksteam oantoand dat bimetallyske nanopartikels folle effisjinter binne yn katalyse as inkele aadlike metalen nanopartikels, lykas werjûn yn figuer 5126. 5a is in skema fan it produksjeproses foar platina-basearre bimetallyske (PtM) NP's dy't apoferritin-sellen brûke mei in gemiddelde grutte fan minder as 3 nm.Dan, mei help fan de electrospinning metoade, PtM @ WO3 nanofibers waarden krigen te fergrutsjen de gefoelichheid en selektiviteit oan aceton of H2S (Fig. 5b-g).Koartlyn hawwe single atom catalysts (SAC's) poerbêste katalytyske prestaasjes sjen litten op it mêd fan katalysis en gasanalyse troch de maksimale effisjinsje fan it brûken fan atomen en ôfstimd elektroanyske struktueren127,128.Shin et al.129 brûkte Pt-SA ferankere koalstofnitride (MCN), SnCl2 en PVP nanoblêden as gemyske boarnen om Pt@MCN@SnO2 ynline fezels te meitsjen foar gasdeteksje.Nettsjinsteande de tige lege ynhâld fan Pt@MCN (fan 0.13 wt.% oant 0.68 wt.%), is de deteksjeprestaasjes fan gasfoarmige formaldehyd Pt@MCN@SnO2 superieur oan oare referinsjemonsters (suver SnO2, MCN@SnO2 en Pt NPs@ SnO2)..Dizze treflike deteksjeprestaasjes kinne wurde taskreaun oan 'e maksimale atomêre effisjinsje fan' e Pt SA-katalysator en de minimale dekking fan SnO2129 aktive siden.
Apoferritin-laden ynkapselingsmetoade om PtM-apo (PtPd, PtRh, PtNi) nanopartikels te krijen;dynamyske gasgefoelige eigenskippen fan bd ûnbidige WO3, PtPd@WO3, PtRn@WO3, en Pt-NiO@WO3 nanofibers;basearre, bygelyks, op de selektiviteit eigenskippen fan PtPd@WO3, PtRn@WO3 en Pt-NiO@WO3 nanofiber sensors oan 1 ppm fan interfering gas 126
Dêrnjonken kinne heterojunctions foarme tusken steigermaterialen en nanopartikels ek konduksjekanalen effektyf moduleare troch in radiaal modulaasjemeganisme om sensorprestaasjes130,131,132 te ferbetterjen.Op fig.Figuer 6a toant de sensoreigenskippen fan suvere SnO2- en Cr2O3@SnO2-nanowires foar it ferminderjen en oksidearjen fan gassen en de oerienkommende sensormeganismen131.Yn ferliking mei suvere SnO2-nanowires wurdt de reaksje fan Cr2O3@SnO2-nanowires op it ferminderjen fan gassen sterk ferbettere, wylst de reaksje op oksidearjende gassen fergrutte wurdt.Dizze ferskynsels binne nau besibbe oan de pleatslike fertraging fan 'e konduksjekanalen fan' e SnO2-nanowires yn 'e radiale rjochting fan' e foarme pn-heterojunction.De sensorresistinsje kin gewoan ôfstimd wurde troch de EDL-breedte te feroarjen op it oerflak fan suvere SnO2-nanowires nei bleatstelling oan ferminderjen en oksidearjen fan gassen.Foar Cr2O3@SnO2-nanowires wurdt de inisjele DEL fan SnO2-nanowires yn 'e loft lykwols ferhege yn fergeliking mei suvere SnO2-nanowires, en it konduksjekanaal wurdt ûnderdrukt troch de foarming fan in heterojunction.Dêrom, as de sensor bleatsteld wurdt oan in ferminderjend gas, wurde de fongen elektroanen frijlitten yn 'e SnO2-nanowires en wurdt de EDL drastysk fermindere, wat resulteart yn hegere gefoelichheid dan suvere SnO2-nanowires.Oarsom, by it wikseljen nei in oksidearjend gas, wurdt DEL-útwreiding beheind, wat resulteart yn lege gefoelichheid.Fergelykbere sensory-antwurdresultaten waarden beoardiele troch Choi et al., 133 wêryn SnO2-nanowires fersierd mei p-type WO3-nanopartikels in signifikant ferbettere sintúchlike reaksje op it ferminderjen fan gassen sjen litte, wylst n-fersierde SnO2-sensoren de gefoelichheid foar oksidearjende gassen ferbettere hienen.TiO2 nanopartikels (Fig. 6b) 133. Dit resultaat is benammen te tankjen oan de ferskillende wurkfunksjes fan SnO2 en MOS (TiO2 of WO3) nanopartikels.Yn p-type (n-type) nanopartikels wreidet (of kontrakten) it konduksjekanaal fan it ramtmateriaal (SnO2) út yn 'e radiale rjochting, en dan, ûnder de aksje fan reduksje (of oksidaasje), fierdere útwreiding (of ferkoarting) fan it conduction kanaal fan SnO2 - rib) fan it gas (figuer 6b).
Radiale modulaasjemeganisme feroarsake troch feroare LF MOS.in gearfetting fan gas antwurden op 10 ppm ferminderjen en oxidizing gassen basearre op suver SnO2 en Cr2O3 @ SnO2 nanowires en oerienkommende sensing meganisme skematyske diagrammen;en oerienkommende skema's fan WO3 @ SnO2 nanorods en deteksjemeganisme133
Yn bilayer en multilayer heterostruktuer apparaten, it conduction kanaal fan it apparaat wurdt dominearre troch de laach (meastentiids de ûnderste laach) yn direkte kontakt mei de elektroden, en de heterojunction foarme by de ynterface fan de twa lagen kin behearskje de conductivity fan de ûnderste laach .Dêrom, as gassen ynteraksje mei de boppeste laach, se kinne signifikant beynfloedzje de conduction kanalen fan de ûnderste laach en de wjerstân 134 fan it apparaat.Bygelyks, Kumar et al.77 rapportearre it tsjinoerstelde gedrach fan TiO2@NiO en NiO@TiO2 dûbele lagen foar NH3.Dit ferskil ûntstiet omdat de conduction kanalen fan de twa sensoren dominearje yn lagen fan ferskillende materialen (respektivelik NiO en TiO2), en dan binne de fariaasjes yn de ûnderlizzende conduction kanalen oars77.
Bilayer of multilayer heteronanostructures wurde faak produsearre troch sputtering, atomic layer deposition (ALD) en centrifugation56,70,134,135,136.De filmdikte en it kontaktgebiet fan 'e twa materialen kinne goed wurde kontrolearre.Figuren 7a en b toant NiO @ SnO2 en Ga2O3 @ WO3 nanofilms krigen troch sputtering foar ethanol detection135,137.Dizze metoaden produsearje lykwols yn 't algemien platte films, en dizze platte films binne minder gefoelich dan 3D nanostrukturearre materialen fanwegen har lege spesifike oerflak en gaspermeabiliteit.Dêrom is in floeistof-fase-strategy foar it meitsjen fan bilayerfilms mei ferskate hierargyen ek foarsteld om perceptuele prestaasjes te ferbetterjen troch it spesifike oerflakgebiet te fergrutsjen41,52,138.Zhu et al139 kombinearre sputtering en hydrothermal techniken te produsearje tige oardere ZnO nanowires oer SnO2 nanowires (ZnO @ SnO2 nanowires) foar H2S detection (Fig. 7c).Syn reaksje op 1 ppm H2S is 1,6 kear heger as dy fan in sensor basearre op sputtered ZnO@SnO2 nanofilms.Liu et al.52 rapportearre in hege prestaasjes H2S sensor mei help fan in twa-stap in situ gemyske deposition metoade foar in fabryk hiërargyske SnO2 @ NiO nanostructures folge troch termyske annealing (figuer 10d).Yn ferliking mei konvinsjonele sputtered SnO2@NiO bilayer films, de gefoelichheid prestaasjes fan de SnO2@NiO hiërargyske bilayer struktuer wurdt gâns ferbettere troch de tanimming fan spesifike oerflak gebiet52,137.
Dûbele laach gassensor basearre op MOS.NiO @ SnO2 nanofilm foar ethanoldeteksje;137b Ga2O3@WO3 nanofilm foar ethanoldeteksje;135c tige oardere SnO2 @ ZnO bilayer hiërargyske struktuer foar H2S detection;139d SnO2 @ NiO bilayer hiërargyske struktuer foar it opspoaren fan H2S52.
Yn apparaten fan type II basearre op core-shell heteronanostructures (CSHN's) is it sensingmeganisme komplekser, om't de konduksjekanalen net beheind binne ta de ynderlike shell.Sawol de produksjerûte as de dikte (hs) fan it pakket kinne de lokaasje fan 'e liedende kanalen bepale.Bygelyks, by it brûken fan bottom-up synteze metoaden, conduction kanalen wurde meastal beheind ta de binnenste kearn, dat is fergelykber yn struktuer oan twa-laach of multilayer apparaat struktueren (Fig. 2b (3)) 123, 140, 141, 142, 143. Xu et al.144 rapportearre in bottom-up oanpak foar it krijen fan CSHN NiO@α-Fe2O3 en CuO@α-Fe2O3 troch it deponearjen fan in laach NiO of CuO NPs op α-Fe2O3 nanorods wêryn it konduksjekanaal beheind waard troch it sintrale diel.(nanorods α-Fe2O3).Liu et al.142 slagge ek yn it beheinen fan it conduction kanaal ta it haaddiel fan CSHN TiO2 @ Si troch deponearje TiO2 op taret arrays fan silisium nanowires.Dêrom hinget har sensinggedrach (p-type of n-type) allinich ôf fan it semiconductor-type fan 'e silisium nanowire.
De measte rapporteare CSHN-basearre sensoren (Fig. 2b (4)) waarden lykwols makke troch it oerbringen fan poeders fan it synthesisearre CS-materiaal op chips.Yn dit gefal, it conduction paad fan de sensor wurdt beynfloede troch de húsfesting dikte (hs).Kim's groep ûndersocht it effekt fan hs op gasdeteksjeprestaasjes en stelde in mooglike deteksjemeganisme foar 100,112,145,146,147,148. It wurdt leaud dat twa faktoaren bydrage oan it sensingmeganisme fan dizze struktuer: (1) de radiale modulaasje fan 'e EDL fan' e shell en (2) it elektrysk fjild smearende effekt (fig. 8) 145. De ûndersikers neamden dat it konduksjekanaal fan de dragers is meast beheind ta de shell laach as hs > λD fan de shell laach145. It wurdt leaud dat twa faktoaren bydrage oan it sensingmeganisme fan dizze struktuer: (1) de radiale modulaasje fan 'e EDL fan' e shell en (2) it elektrysk fjild smearende effekt (fig. 8) 145. De ûndersikers neamden dat it konduksjekanaal fan de dragers is meast beheind ta de shell laach as hs > λD fan de shell laach145. 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. It wurdt leaud dat twa faktoaren belutsen binne by it meganisme fan waarnimming fan dizze struktuer: (1) radiale modulaasje fan 'e EDL fan' e shell en (2) it effekt fan it fersmoarjen fan it elektryske fjild (fig. 8) 145. De ûndersikers hawwe oanjûn dat de drager conduction kanaal is benammen beheind ta de shell as hs> λD shells145.It wurdt leaud dat twa faktoaren bydrage oan it deteksjemeganisme fan dizze struktuer: (1) de radiale modulaasje fan 'e DEL fan' e shell en (2) it effekt fan smoarjen fan elektryske fjilden (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倳局限于倳局 > 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 носителелей в оснгочол. De ûndersikers merkten op dat it conduction kanaal As hs> λD145 fan 'e shell, it oantal dragers wurdt benammen beheind troch de shell.Dêrom, yn 'e resistive modulaasje fan' e sensor basearre op CSHN, oerhearsket de radiale modulaasje fan 'e beklaaiïng DEL (Fig. 8a).By hs ≤ λD fan 'e shell binne de soerstofdieltsjes lykwols adsorbearre troch de shell en de heterojunction foarme by de CS-heterojunction folslein útput fan elektroanen. Dêrom leit it conduction kanaal net allinnich binnen de shell laach mar ek foar in part yn de kearn diel, benammen as hs <λD fan de shell laach. Dêrom leit it conduction kanaal net allinnich binnen de shell laach mar ek foar in part yn de kearn diel, benammen as hs <λD fan de shell laach. Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочечного слоя, но и частично в сернидцев. Dêrom leit it conduction kanaal net allinnich binnen de shell laach, mar ek foar in part yn it kearn diel, benammen by hs <λD fan de shell laach.因此，传导通道不仅位于壳层内部，而且部分位于芯部，尤其是当壳层层的 hs < λD 时. Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочки, но и частично в сердцевине, сособочки, но частично в сердцевине, оспочко. Dêrom leit it conduction kanaal net allinnich binnen de shell, mar ek foar in part yn 'e kearn, benammen by hs <λD fan' e shell.Yn dit gefal helpt sawol de folslein útputte elektroanen shell en de foar in part útputte kearn laach modulate de wjerstân fan de hiele CSHN, resultearret yn in elektrysk fjild sturt effekt (fig. 8b).Guon oare stúdzjes hawwe it konsept fan EDL-volumefraksje brûkt ynstee fan in elektryske fjildsturt om it hs-effekt100,148 te analysearjen.Mei dizze twa bydragen yn rekken brocht, berikt de totale modulaasje fan 'e CSHN-ferset syn grutste wearde as hs te fergelykjen is mei de skede λD, lykas werjûn yn Fig.. 8c.Dêrom kin de optimale hs foar CSHN tichtby de shell λD wêze, wat oerienkomt mei eksperimintele observaasjes99,144,145,146,149.Ferskate stúdzjes hawwe sjen litten dat hs ek kin beynfloedzje de gefoelichheid fan CSHN-basearre pn-heterojunction sensors40,148.Li et al.148; Bai et al.40 systematysk ûndersocht it effekt fan hs op de prestaasjes fan pn-heterojunction CSHN-sensors, lykas TiO2@CuO en ZnO@NiO, troch it feroarjen fan de beklaaiïng ALD-syklus.As gefolch feroare sensory gedrach fan p-type nei n-type mei tanimmend hs40,148.Dit gedrach komt troch it feit dat yn 't earstoan (mei in beheind oantal ALD-syklusen) heterostruktueren beskôge wurde kinne as modifisearre heteronanostruktueren.Sa, it conduction kanaal wurdt beheind troch de kearn laach (p-type MOSFET), en de sensor fertoant p-type detection gedrach.As it oantal ALD-syklusen tanimt, wurdt de bekledingslaach (n-type MOSFET) quasi-kontinu en fungearret as in conduction kanaal, wat resultearret yn n-type gefoelichheid.Fergelykber sintúchlike oergongsgedrach is rapportearre foar pn fertakke heteronanostruktueren 150,151.Zhou et al.150 ûndersocht de gefoelichheid fan Zn2SnO4@Mn3O4 fertakke heteronanostruktueren troch it kontrolearjen fan de Zn2SnO4-ynhâld op it oerflak fan Mn3O4-nanowires.Doe't Zn2SnO4 kearnen foarme op it Mn3O4 oerflak, waard in p-type gefoelichheid waarnommen.Mei in fierdere tanimming fan de Zn2SnO4 ynhâld, de sensor basearre op fertakte Zn2SnO4 @ Mn3O4 heteronanostructures skeakelt nei it n-type sensor gedrach.
In konseptuele beskriuwing fan it twa-funksjonele sensormeganisme fan CS-nanowires wurdt toand.a Wjerstânsmodulaasje troch radiale modulaasje fan elektron-fermindere skulpen, b Negatyf effekt fan smeer op wjerstânsmodulaasje, en c Totale wjerstânsmodulaasje fan CS-nanowires troch in kombinaasje fan beide effekten 40
Ta beslút, type II sensors omfetsje in protte ferskillende hiërargyske nanostruktueren, en sensor prestaasje is tige ôfhinklik fan de regeling fan de conductive kanalen.Dêrom is it kritysk om de posysje fan it geliedingskanaal fan 'e sensor te kontrolearjen en in gaadlik heteronanostrukturearre MOS-model te brûken om it útwreide sensingmeganisme fan type II-sensors te studearjen.
Type III sensor struktueren binne net hiel gewoan, en de conduction kanaal is basearre op in heterojunction foarme tusken twa semiconductors ferbûn oan twa elektroden, respektivelik.Unike apparaatstruktueren wurde normaal krigen troch mikromachiningtechniken en har sensingmeganismen binne heul oars as de foarige twa sensorstruktueren.De IV-kromme fan in Type III-sensor hat typysk karakteristike rektifikaasje-eigenskippen fanwege heterojunction-formaasje48,152,153.De karakteristike I-V-kromme fan in ideale heterojunction kin beskreaun wurde troch it termionyske meganisme fan elektroanemisje oer de hichte fan 'e heterojunction-barriêre152,154,155.
dêr't Va is de foarspanning spanning, A is it apparaat gebiet, k is de Boltzmann konstante, T is de absolute temperatuer, q is de drager lading, Jn en Jp binne respektivelik de gat en elektron diffusion stream tichtens.IS stiet foar de omkearde sêdingstrom, definiearre as: 152.154.155
Dêrom hinget de totale stroom fan 'e pn heterojunction ôf fan' e feroaring yn 'e konsintraasje fan ladingdragers en de feroaring yn' e hichte fan 'e barriêre fan' e heterojunction, lykas werjûn yn fergelikingen (3) en (4) 156
dêr't nn0 en pp0 de konsintraasje fan elektroanen (gaten) binne yn in n-type (p-type) MOS, \(V_{bi}^0\) is it ynboude potinsjeel, Dp (Dn) is de diffusionskoëffisjint fan elektroanen (gaten), Ln (Lp) is de diffusionslingte fan elektroanen (gaten), ΔEv (ΔEc) is de enerzjyferskowing fan 'e valensbân (geliedingsbân) by de heterojunction.Hoewol't de aktuele tichtens evenredich is mei de dragerdichtheid, is it eksponentiell omkeard evenredich mei \(V_{bi}^0\).Dêrom hinget de totale feroaring yn aktuele tichtens sterk ôf fan 'e modulaasje fan' e hichte fan 'e heterojunction barriêre.
Lykas hjirboppe neamd, kin it oanmeitsjen fan hetero-nanostruktureare MOSFET's (bygelyks type I- en type II-apparaten) de prestaasjes fan 'e sensor signifikant ferbetterje, ynstee fan yndividuele komponinten.En foar type III-apparaten kin de heteronanostruktuerantwurd heger wêze as twa komponinten48,153 of heger as ien komponint76, ôfhinklik fan 'e gemyske gearstalling fan it materiaal.Ferskate rapporten hawwe oantoand dat it antwurd fan heteronanostruktueren folle heger is as dy fan in inkele komponint as ien fan 'e komponinten ûngefoelich is foar it doelgas48,75,76,153.Yn dit gefal sil it doelgas allinich ynteraksje mei de gefoelige laach en feroarsaakje in ferskowing Ef fan 'e gefoelige laach en in feroaring yn' e hichte fan 'e heterojunction barriêre.Dan sil de totale stroom fan it apparaat signifikant feroarje, om't it omkeard is relatearre oan 'e hichte fan' e heterojunction barriêre neffens de fergeliking.(3) en (4) 48,76,153.As beide n-type en p-type komponinten lykwols gefoelich binne foar it doelgas, kinne deteksjeprestaasjes earne tusken sitte.José et al.76 produsearre in poreuze NiO / SnO2 film NO2 sensor troch sputtering en fûn dat de sensor gefoelichheid wie allinnich heger as dy fan de NiO basearre sensor, mar leger as dy fan de SnO2 basearre sensor.sensor.Dit ferskynsel komt troch it feit dat SnO2 en NiO tsjinoerstelde reaksjes hawwe op NO276.Ek, om't de twa komponinten ferskillende gassensibiliteit hawwe, kinne se deselde oanstriid hawwe om oksidearjende en ferminderjende gassen te detektearjen.Bygelyks, Kwon et al.157 foarstelde in NiO / SnO2 pn-heterojunction gas sensor troch oblique sputtering, lykas werjûn yn figuer 9a.Nijsgjirrich is dat de NiO / SnO2 pn-heterojunction sensor deselde sensibiliteitstrend foar H2 en NO2 toande (Fig. 9a).Om dit resultaat op te lossen, Kwon et al.157 systematysk ûndersocht hoe't NO2 en H2 feroarje drager konsintraasjes en ôfstimd \(V_{bi}^0\) fan beide materialen mei help fan IV-skaaimerken en kompjûter simulaasjes (Fig. 9bd).Figuren 9b en c demonstrearje it fermogen fan H2 en NO2 om de dragerdichtheid fan sensoren te feroarjen basearre op respektivelik p-NiO (pp0) en n-SnO2 (nn0).Se lieten sjen dat pp0 fan p-type NiO wat feroare yn 'e NO2-omjouwing, wylst it dramatysk feroare yn' e H2-omjouwing (fig. 9b).Foar n-type SnO2 gedraacht nn0 lykwols op 'e tsjinoerstelde manier (figuer 9c).Op grûn fan dizze resultaten konkludearren de auteurs dat doe't H2 waard tapast op de sensor basearre op de NiO / SnO2 pn heterojunction, in ferheging fan nn0 late ta in ferheging fan Jn, en \(V_{bi}^0\) late ta in fermindering fan de reaksje (fig. 9d).Nei bleatstelling oan NO2 liede sawol in grutte fermindering fan nn0 yn SnO2 as in lytse ferheging fan pp0 yn NiO ta in grutte ôfname yn \(V_{bi}^0\), dy't in ferheging fan 'e sintúchlike reaksje soarget (Fig. 9d) ) 157 Ta beslút, feroarings yn de konsintraasje fan dragers en \(V_{bi}^0\) liede ta feroarings yn de totale stroom, dy't fierder beynfloedet de detection fermogen.
It sensormeganisme fan 'e gassensor is basearre op' e struktuer fan it Type III-apparaat.Scanning electron microscopy (SEM) dwerstrochsneed bylden, p-NiO / n-SnO2 nanocoil apparaat en sensor eigenskippen fan p-NiO / n-SnO2 nanocoil heterojunction sensor by 200 ° C foar H2 en NO2;b, dwerstrochsneed SEM fan in c-apparaat, en simulaasje resultaten fan in apparaat mei in p-NiO b-laach en in n-SnO2 c-laach.De b p-NiO sensor en de c n-SnO2 sensor mjitte en oerienkomme mei de I–V skaaimerken yn droege loft en nei bleatstelling oan H2 en NO2.In twadiminsjonale kaart fan 'e b-gattensiteit yn p-NiO en in kaart fan c-elektroanen yn' e n-SnO2-laach mei in kleurskaal waarden modeleare mei de Sentaurus TCAD-software.d Simulaasje resultaten sjen litte in 3D kaart fan p-NiO / n-SnO2 yn droege loft, H2 en NO2157 yn it miljeu.
Neist de gemyske eigenskippen fan it materiaal sels, toant de struktuer fan it Type III-apparaat de mooglikheid om sels-oandreaune gassensors te meitsjen, wat net mooglik is mei Type I- en Type II-apparaten.Fanwegen harren ynherinte elektryske fjild (BEF), pn heterojunction diode struktueren wurde faak brûkt foar it bouwen fan fotovoltaïsche apparaten en sjen litte potensjeel foar it meitsjen fan selsoandreaune fotoelektryske gas sensoren by keamertemperatuer ûnder ferljochting74,158,159,160,161.BEF by de heterointerface, feroarsake troch it ferskil yn 'e Fermi-nivo's fan' e materialen, draacht ek by oan de skieding fan elektroanen-hole-pearen.It foardiel fan in selsoandreaune fotovoltaïske gassensor is har lege enerzjyferbrûk, om't it de enerzjy fan it ljochtljocht absorbearje kin en dan sels as oare miniatuerapparaten kontrolearje sûnder de needsaak foar in eksterne krêftboarne.Tanuma en Sugiyama162 hawwe bygelyks NiO / ZnO pn-heterojunctions makke as sinnesellen om SnO2-basearre polykristalline CO2-sensors te aktivearjen.Gad et al.74 rapportearre in self-powered fotovoltaïsche gas sensor basearre op in Si / ZnO @ CdS pn heterojunction, lykas werjûn yn figuer 10a.Fertikaal oriïntearre ZnO nanowires waarden direkt groeid op p-type silisiumsubstraten om Si / ZnO pn heterojunctions te foarmjen.Dêrnei waarden CdS nanopartikels wizige op it oerflak fan ZnO nanowires troch gemyske oerflakmodifikaasje.Op fig.10a toant off-line Si / ZnO @ CdS sensor antwurd resultaten foar O2 en ethanol.Under ferljochting, de iepen-circuit spanning (Voc) fanwege de skieding fan elektroanen-gat pearen tidens BEP by de Si / ZnO heterointerface ferheget lineêr mei it oantal ferbûn diodes74.161.Voc kin wurde fertsjintwurdige troch in fergeliking.(5) 156,
wêrby't ND, NA en Ni de konsintraasjes binne fan respektivelik donateurs, akseptors en yntrinsike dragers, en k, T en q binne deselde parameters as yn 'e foarige fergeliking.As se bleatsteld oan oksidearjende gassen, ekstrahearje se elektroanen út ZnO-nanowires, wat liedt ta in fermindering fan \(N_D^{ZnO}\) en Voc.Oarsom resultearre gasreduksje yn in ferheging fan Voc (fig. 10a).By it dekorearjen fan ZnO mei CdS nanopartikels, wurde fotoexcitearre elektroanen yn CdS nanopartikels ynjeksje yn 'e konduksjeband fan ZnO en ynteraksje mei it adsorbearre gas, wêrtroch't de belibbingseffisjinsje ferheget74,160.In ferlykbere self-powered fotovoltaïske gassensor basearre op Si / ZnO waard rapportearre troch Hoffmann et al.160, 161 (ôfb. 10b).Dizze sensor kin wurde taret mei in line fan amine-funksjonalisearre ZnO nanopartikels ([3-(2-aminoethylamino)propyl]trimethoxysilane) (amino-funksjonalisearre-SAM) en thiol ((3-mercaptopropyl)-funksjonalisearre, om de wurkfunksje oan te passen. fan it doel gas foar selektyf opspoaren fan NO2 (trimethoxysilane) (thiol-functionalized-SAM)) (figuer 10b) 74.161.
In self-powered fotoelektryske gassensor basearre op de struktuer fan in type III-apparaat.in Self-powered fotovoltaïsche gas sensor basearre op Si / ZnO @ CdS, self-powered sensing meganisme en sensor antwurd op oksidearre (O2) en redusearre (1000 ppm ethanol) gassen ûnder sinneljocht;74b Self-oandreaune fotovoltaïske gassensor basearre op Si ZnO / ZnO sensors en sensor antwurden op ferskate gassen nei funksjonalisaasje fan ZnO SAM mei terminal amines en thiols 161
Dêrom, by it besprekken fan it gefoelige meganisme fan type III-sensors, is it wichtich om de feroaring yn 'e hichte fan' e heterojunction-barriêre te bepalen en it fermogen fan it gas om de dragerkonsintraasje te beynfloedzjen.Derneist kin ferljochting fotogenereare dragers generearje dy't reagearje mei gassen, wat belofte is foar selsoandreaune gasdeteksje.
Lykas besprutsen yn dizze literatueroersjoch, binne in protte ferskillende MOS-heteronanostruktueren makke om sensorprestaasjes te ferbetterjen.De Web of Science-databank waard socht foar ferskate kaaiwurden (metaalokside-kompositen, core-sheath-metaaloksiden, gelaagde metaaloksiden, en selsoandreaune gasanalyzers) lykas ûnderskate skaaimerken (oerfloed, gefoelichheid / selektiviteit, potensjeel foar enerzjyopwekking, fabrikaazje) .Metoade De skaaimerken fan trije fan dizze trije apparaten wurde werjûn yn Tabel 2. De algemiene ûntwerp konsept foar hege prestaasjes gas sensoren wurdt besprutsen troch it analysearjen fan de trije wichtige faktoaren foarsteld troch Yamazoe.Mechanismen foar MOS-heterostruktuersensors Om de faktoaren te begripen dy't gassensors beynfloedzje, binne ferskate MOS-parameters (bgl. nôtgrutte, wurktemperatuer, defekt en soerstoffakatuerstichtens, iepen kristalfleantugen) soarchfâldich studearre.De struktuer fan it apparaat, dy't ek kritysk is foar it sensorgedrach fan 'e sensor, is ferwaarleazge en komselden besprutsen.Dizze resinsje besprekt de ûnderlizzende meganismen foar it opspoaren fan trije typyske soarten apparaatstruktuer.
De korrelgrutte struktuer, produksjemetoade, en oantal heterojunctions fan it sensormateriaal yn in Type I-sensor kinne de gefoelichheid fan 'e sensor sterk beynfloedzje.Derneist wurdt it gedrach fan 'e sensor ek beynfloede troch de molêre ferhâlding fan' e komponinten.Type II apparaat struktueren (dekorative heteronanostructures, bilayer of multilayer films, HSSNs) binne de meast populêre apparaat struktueren besteande út twa of mear komponinten, en mar ien komponint is ferbûn mei de elektrodes.Foar dizze apparaatstruktuer is it bepalen fan 'e lokaasje fan' e geliedingskanalen en har relative feroaringen kritysk by it bestudearjen fan it meganisme fan waarnimming.Om't type II-apparaten in protte ferskillende hierargyske heteronanostruktueren omfetsje, binne in protte ferskillende sensingmeganismen foarsteld.Yn in type III sintúchlike struktuer wurdt it conduction kanaal dominearre troch in heterojunction foarme by de heterojunction, en de waarnimming meganisme is folslein oars.Dêrom is it wichtich om de feroaring yn 'e hichte fan' e heterojunction-barriêre te bepalen nei bleatstelling fan it doelgas oan 'e type III-sensor.Mei dit ûntwerp kinne sels-oandreaune fotovoltaïske gassensors makke wurde om enerzjyferbrûk te ferminderjen.Om't it hjoeddeistige fabrikaazjeproses lykwols nochal yngewikkeld is en de gefoelichheid folle leger is as tradisjonele MOS-basearre chemo-resistive gassensors, is d'r noch in protte foarútgong yn it ûndersyk fan selsoandreaune gassensors.
De wichtichste foardielen fan gas MOS sensoren mei hierarchyske heteronanostructures binne de snelheid en hegere gefoelichheid.Guon wichtige problemen fan MOS-gassensors (bygelyks hege wurktemperatuer, stabiliteit op lange termyn, minne selektiviteit en reprodusearberens, fochtigenseffekten, ensfh.) besteane lykwols noch en moatte oanpakt wurde foardat se yn praktyske tapassingen brûkt wurde kinne.Moderne MOS-gassensors operearje typysk by hege temperatueren en konsumearje in soad macht, wat de stabiliteit fan 'e sensor op lange termyn beynfloedet.Der binne twa mienskiplike oanpak foar it oplossen fan dit probleem: (1) ûntwikkeling fan lege macht sensor chips;(2) ûntwikkeling fan nije gefoelige materialen dy't kinne operearje by lege temperatuer of sels by keamertemperatuer.Ien oanpak foar de ûntwikkeling fan sensorchips mei leech krêft is om de grutte fan 'e sensor te minimalisearjen troch mikroferwaarmingsplaten te meitsjen basearre op keramyk en silisium163.Keramyk basearre mikro ferwaarming platen konsumearje likernôch 50-70 mV per sensor, wylst optimalisearre silisium basearre mikro ferwaarming platen kinne konsumearje sa min as 2 mW per sensor as se kontinu wurkje op 300 ° C163,164.De ûntwikkeling fan nije sensormaterialen is in effektive manier om enerzjyferbrûk te ferminderjen troch de wurktemperatuer te ferleegjen, en kin ek sensorstabiliteit ferbetterje.As de grutte fan 'e MOS trochgiet te ferminderjen om de gefoelichheid fan' e sensor te fergrutsjen, wurdt de thermyske stabiliteit fan 'e MOS mear fan in útdaging, wat kin liede ta drift yn it sensorsignal165.Dêrnjonken befoarderet hege temperatuer de diffusion fan materialen op 'e heterointerface en de foarming fan mingde fazen, dy't de elektroanyske eigenskippen fan' e sensor beynfloedzje.De ûndersikers melde dat de optimale wurktemperatuer fan 'e sensor kin wurde fermindere troch it selektearjen fan passende sensearjende materialen en it ûntwikkeljen fan MOS-heteronanostruktueren.It sykjen nei in metoade foar lege temperatuer foar it meitsjen fan tige kristalline MOS-heteronanostruktueren is in oare kânsrike oanpak om stabiliteit te ferbetterjen.
De selektiviteit fan MOS-sensors is in oar praktysk probleem, om't ferskate gassen gear bestean mei it doelgas, wylst MOS-sensors faak gefoelich binne foar mear dan ien gas en faaks cross-sensitiviteit fertoane.Dêrom is it fergrutsjen fan de selektiviteit fan 'e sensor nei it doelgas as nei oare gassen kritysk foar praktyske tapassingen.Yn 'e ôfrûne pear desennia is de kar foar in part oanpakt troch it bouwen fan arrays fan gassensors neamd "elektronyske noas (E-noas)" yn kombinaasje mei algoritme foar komputearjende analyse lykas trainingsvektorkwantisaasje (LVQ), haadkomponintanalyse (PCA), ensfh e.Seksuele problemen.Partial Least Squares (PLS), ensfh. om gassen te identifisearjen169.It fergrutsjen fan it oantal sensoren fereasket lykwols normaal in protte komplekse produksjeprosessen, dus it is kritysk om in ienfâldige metoade te finen om de prestaasjes fan elektroanyske noas te ferbetterjen.Derneist kin it feroarjen fan de MOS mei oare materialen ek de selektiviteit fan 'e sensor ferheegje.Bygelyks, selektive deteksje fan H2 kin berikt wurde troch de goede katalytyske aktiviteit fan MOS feroare mei NP Pd.Yn 'e ôfrûne jierren hawwe guon ûndersikers it MOS MOF-oerflak coated om sensorselektiviteit te ferbetterjen troch grutte útsluting171,172.Ynspirearre troch dit wurk kin materiaal funksjonalisaasje op ien of oare manier it probleem fan selektiviteit oplosse.D'r is lykwols noch in protte wurk te dwaan by it kiezen fan it goede materiaal.
De werhelling fan 'e skaaimerken fan sensoren produsearre ûnder deselde betingsten en metoaden is in oare wichtige eask foar grutskalige produksje en praktyske tapassingen.Typysk binne metoaden foar sintrifugaasje en dipping lege kosten metoaden foar it meitsjen fan gassensoren mei hege trochset.Lykwols, tidens dizze prosessen, it gefoelige materiaal oanstriid te aggregearjen en de relaasje tusken de gefoelige materiaal en it substraat wurdt swak68, 138, 168. As gefolch, de gefoelichheid en stabiliteit fan de sensor fermindere signifikant, en de prestaasjes wurdt reproducible.Oare fabrication metoaden lykas sputtering, ALD, pulsed laser deposition (PLD), en fysike damp deposition (PVD) tastean de produksje fan bilayer of multilayer MOS films direkt op patroon silisium of alumina substraten.Dizze techniken foarkomme opbou fan gefoelige materialen, soargje foar reprodusearberens fan sensor, en demonstrearje de helberens fan grutskalige produksje fan planêre tinne-filmsensors.De gefoelichheid fan dizze platte films is lykwols oer it generaal folle leger dan dy fan 3D nanostrukturearre materialen troch har lyts spesifike oerflak en lege gaspermeabiliteit41,174.Nije strategyen foar it groeien fan MOS heteronanostruktueren op spesifike lokaasjes op strukturearre mikroarrays en krekt kontrolearjen fan de grutte, dikte en morfology fan gefoelige materialen binne kritysk foar lege kosten fabrikaazje fan wafer-nivo sensors mei hege reprodusearberens en gefoelichheid.Bygelyks, Liu et al.174 foarstelde in kombinearre top-down en bottom-up strategy foar it fabryk fan kristalliten mei hege trochset troch it groeien fan in situ Ni(OH) 2 nanowuorren op spesifike lokaasjes..Wafers foar microburners.
Dêrnjonken is it ek wichtich om it effekt fan feiligens op 'e sensor yn praktyske tapassingen te beskôgjen.Wettermolekulen kinne konkurrearje mei soerstofmolekulen foar adsorpsjonele plakken yn sensormaterialen en beynfloedzje de ferantwurdlikens fan 'e sensor foar it doelgas.Krekt as soerstof fungearret wetter as in molekule troch fysike sorpsje, en kin ek bestean yn 'e foarm fan hydroxyl radikalen of hydroxyl groepen op in ferskaat oan oksidaasjestasjons troch chemisorption.Dêrneist, fanwege it hege nivo en fariabele luchtvochtigheid fan it miljeu, in betroubere reaksje fan de sensor op it doel gas is in grut probleem.Ferskate strategyen binne ûntwikkele om dit probleem oan te pakken, lykas gasprekonsintraasje177, fochtkompensaasje en cross-reaktive roostermetoaden178, lykas droegemetoaden179,180.Dizze metoaden binne lykwols djoer, kompleks en ferminderje de gefoelichheid fan 'e sensor.Ferskate goedkeape strategyen binne foarsteld om de effekten fan fochtigens te ûnderdrukken.Bygelyks, it dekorearjen fan SnO2 mei Pd nanopartikels kin de konverzje fan adsorbearre soerstof yn anionyske dieltsjes befoarderje, wylst SnO2 funksjonalisearje mei materialen mei hege affiniteit foar wettermolekulen, lykas NiO en CuO, binne twa manieren om fochtôfhinklikens fan wettermolekulen te foarkommen..Sensors 181, 182, 183. Dêrnjonken kin it effekt fan fochtigens ek wurde fermindere troch hydrofobe materialen te brûken om hydrofobe oerflakken te foarmjen36,138,184,185.De ûntwikkeling fan fochtbestindige gassensors is lykwols noch yn in ier stadium, en mear avansearre strategyen binne nedich om dizze problemen oan te pakken.
Ta beslút, ferbetteringen yn deteksjeprestaasjes (bglBy it bestudearjen fan it sensormeganisme fan in bepaalde sensor, moat ek rekken hâlden wurde mei de geometryske struktuer fan it apparaat.Undersyk nei nije sensearjende materialen en ûndersyk nei avansearre fabrikaazjestrategyen sille ferplicht wurde om de prestaasjes fan gassensors fierder te ferbetterjen en oerbleaune útdagings yn 'e takomst oan te pakken.Foar kontrolearre tuning fan sensor skaaimerken, is it nedich om systematysk te bouwen de relaasje tusken de syntetyske metoade fan sensor materialen en de funksje fan heteronanostructures.Derneist kin de stúdzje fan oerflakreaksjes en feroaringen yn heterointerfaces mei moderne karakterisaasjemetoaden helpe om de meganismen fan har waarnimming te ferklearjen en oanbefellings te jaan foar de ûntwikkeling fan sensoren basearre op heteronanostruktureare materialen.Uteinlik kin de stúdzje fan moderne strategyen foar fabrikaazje fan sensoren de fabrikaazje fan miniatuergassensors op wafelnivo tastean foar har yndustriële tapassingen.
Genzel, NN et al.In longitudinale stúdzje fan indoor nitrogen dioxide nivo's en respiratory symptomen yn bern mei astma yn stedske gebieten.buert.Health perspektyf.116, 1428-1432 (2008).
Post tiid: Nov-04-2022
