Pengembangan kinerja tinggi, sensor gas portabel dan miniatur mendapatkan perhatian yang meningkat di bidang pemantauan lingkungan, keamanan, diagnosa medis dan pertanian.Di antara berbagai alat deteksi, sensor gas kemo-resistif metal-oksida-semikonduktor (MOS) adalah pilihan paling populer untuk aplikasi komersial karena stabilitasnya yang tinggi, biaya rendah, dan sensitivitasnya yang tinggi.Salah satu pendekatan terpenting untuk lebih meningkatkan kinerja sensor adalah pembuatan heterojunctions berbasis MOS berukuran nano (hetero-nanostructured MOS) dari bahan nano MOS.Namun, mekanisme penginderaan sensor MOS berstruktur heteronano berbeda dari sensor gas MOS tunggal, karena cukup kompleks.Kinerja sensor dipengaruhi oleh berbagai parameter, termasuk sifat fisik dan kimia bahan sensitif (seperti ukuran butir, kerapatan cacat, dan kekosongan oksigen bahan), suhu pengoperasian, dan struktur perangkat.Tinjauan ini menyajikan beberapa konsep untuk merancang sensor gas kinerja tinggi dengan menganalisis mekanisme penginderaan sensor MOS berstrukturnano heterogen.Selain itu, pengaruh struktur geometris perangkat, ditentukan oleh hubungan antara bahan sensitif dan elektroda kerja, dibahas.Untuk mempelajari perilaku sensor secara sistematis, artikel ini memperkenalkan dan membahas mekanisme umum persepsi tiga struktur geometri khas perangkat berdasarkan berbagai bahan berstruktur heteronano.Ikhtisar ini akan menjadi panduan bagi pembaca masa depan yang mempelajari mekanisme sensitif sensor gas dan mengembangkan sensor gas kinerja tinggi.
Polusi udara merupakan masalah yang semakin serius dan masalah lingkungan global yang serius yang mengancam kesejahteraan manusia dan makhluk hidup.Menghirup polutan gas dapat menyebabkan banyak masalah kesehatan seperti penyakit pernapasan, kanker paru-paru, leukemia dan bahkan kematian dini1,2,3,4.Dari tahun 2012 hingga 2016, jutaan orang dilaporkan meninggal karena polusi udara, dan setiap tahun, miliaran orang terpapar kualitas udara yang buruk5.Oleh karena itu, penting untuk mengembangkan sensor gas portabel dan mini yang dapat memberikan umpan balik waktu nyata dan kinerja deteksi tinggi (misalnya, sensitivitas, selektivitas, stabilitas, dan waktu respons dan pemulihan).Selain pemantauan lingkungan, sensor gas memainkan peran penting dalam keselamatan6,7,8, diagnostik medis9,10, akuakultur11 dan bidang lainnya12.
Sampai saat ini, beberapa sensor gas portabel berdasarkan mekanisme penginderaan yang berbeda telah diperkenalkan, seperti optical13,14,15,16,17,18, elektrokimia19,20,21,22 dan sensor resistif kimia23,24.Diantaranya, sensor resistif kimia metal-oxide-semiconductor (MOS) adalah yang paling populer dalam aplikasi komersial karena stabilitasnya yang tinggi dan biaya yang rendah25,26.Konsentrasi kontaminan dapat ditentukan hanya dengan mendeteksi perubahan resistensi MOS.Pada awal 1960-an, sensor gas kemo-resistif pertama berdasarkan film tipis ZnO dilaporkan, menghasilkan minat yang besar dalam bidang deteksi gas27,28.Saat ini, banyak MOS yang berbeda digunakan sebagai bahan peka gas, dan mereka dapat dibagi menjadi dua kategori berdasarkan sifat fisiknya: MOS tipe-n dengan elektron sebagai pembawa muatan mayoritas dan MOS tipe-p dengan lubang sebagai pembawa muatan mayoritas.pembawa muatan.Secara umum, MOS tipe-p kurang populer dibandingkan MOS tipe-n karena respon induktif dari MOS tipe-p (Sp) sebanding dengan akar kuadrat dari MOS tipe-n (\(S_p = \sqrt { S_n}\ ) ) pada asumsi yang sama (misalnya, struktur morfologi yang sama dan perubahan yang sama dalam pembengkokan pita di udara) 29,30.Namun, sensor MOS single-base masih menghadapi masalah seperti batas deteksi yang tidak mencukupi, sensitivitas dan selektivitas yang rendah dalam aplikasi praktis.Masalah selektivitas dapat diatasi sampai batas tertentu dengan membuat susunan sensor (disebut "hidung elektronik") dan menggabungkan algoritma analisis komputasi seperti kuantisasi vektor pelatihan (LVQ), analisis komponen utama (PCA), dan analisis kuadrat terkecil parsial (PLS)31 , 32, 33, 34, 35. Selain itu, produksi MOS32,36,37,38,39 berdimensi rendah (misalnya bahan nano satu dimensi (1D), 0D dan 2D), serta penggunaan bahan nano lainnya ( misalnya MOS40,41,42 , nanopartikel logam mulia (NP))43,44, bahan nano karbon45,46 dan polimer konduktif47,48) untuk membuat heterojunctions skala nano (yaitu, MOS berstruktur heteronano) adalah pendekatan pilihan lain untuk memecahkan masalah di atas.Dibandingkan dengan film MOS tebal tradisional, MOS berdimensi rendah dengan luas permukaan spesifik tinggi dapat menyediakan situs yang lebih aktif untuk adsorpsi gas dan memfasilitasi difusi gas36,37,49.Selain itu, desain struktur heteronano berbasis MOS dapat lebih lanjut menyetel transportasi pembawa pada antarmuka hetero, menghasilkan perubahan besar dalam resistensi karena fungsi operasi yang berbeda50,51,52.Selain itu, beberapa efek kimia (misalnya, aktivitas katalitik dan reaksi permukaan sinergis) yang terjadi dalam desain struktur heteronano MOS juga dapat meningkatkan kinerja sensor.50,53,54 Meskipun merancang dan membuat struktur heteronano MOS akan menjadi pendekatan yang menjanjikan untuk meningkatkan kinerja sensor, sensor kemo-resistif modern biasanya menggunakan trial and error, yang memakan waktu dan tidak efisien.Oleh karena itu, penting untuk memahami mekanisme penginderaan sensor gas berbasis MOS karena dapat memandu desain sensor arah kinerja tinggi.
Dalam beberapa tahun terakhir, sensor gas MOS telah berkembang pesat dan beberapa laporan telah dipublikasikan tentang struktur nano MOS55,56,57, sensor gas suhu kamar58,59, bahan sensor MOS khusus60,61,62 dan sensor gas khusus63.Makalah ulasan di Ulasan Lain berfokus pada menjelaskan mekanisme penginderaan sensor gas berdasarkan sifat fisik dan kimia intrinsik MOS, termasuk peran kekosongan oksigen 64 , peran struktur heteronano 55, 65 dan transfer muatan pada antarmuka hetero 66. Selain itu , banyak parameter lain yang mempengaruhi kinerja sensor, termasuk heterostruktur, ukuran butir, suhu operasi, kerapatan cacat, kekosongan oksigen, dan bahkan bidang kristal terbuka dari bahan sensitif25,67,68,69,70,71.72, 73. Namun, struktur geometris perangkat (jarang disebutkan), ditentukan oleh hubungan antara bahan penginderaan dan elektroda kerja, juga secara signifikan mempengaruhi sensitivitas sensor74,75,76 (lihat bagian 3 untuk lebih jelasnya) .Misalnya, Kumar dkk.77 melaporkan dua sensor gas berdasarkan bahan yang sama (misalnya, sensor gas dua lapis berdasarkan TiO2@NiO dan NiO@TiO2) dan mengamati perubahan yang berbeda dalam ketahanan gas NH3 karena geometri perangkat yang berbeda.Karena itu, ketika menganalisis mekanisme penginderaan gas, penting untuk mempertimbangkan struktur perangkat.Dalam ulasan ini, penulis fokus pada mekanisme deteksi berbasis MOS untuk berbagai struktur nano dan struktur perangkat yang heterogen.Kami percaya bahwa ulasan ini dapat berfungsi sebagai panduan bagi pembaca yang ingin memahami dan menganalisis mekanisme deteksi gas dan dapat berkontribusi pada pengembangan sensor gas kinerja tinggi di masa depan.
pada gambar.1a menunjukkan model dasar mekanisme penginderaan gas berdasarkan MOS tunggal.Saat suhu naik, adsorpsi molekul oksigen (O2) pada permukaan MOS akan menarik elektron dari MOS dan membentuk spesies anionik (seperti O2- dan O-).Kemudian, lapisan penipisan elektron (EDL) untuk MOS tipe-n atau lapisan akumulasi lubang (HAL) untuk MOS tipe-p kemudian terbentuk pada permukaan MOS 15, 23, 78. Interaksi antara O2 dan MOS menyebabkan pita konduksi permukaan MOS menekuk ke atas dan membentuk penghalang potensial.Selanjutnya, ketika sensor terkena gas target, gas yang teradsorpsi pada permukaan MOS bereaksi dengan spesies oksigen ionik, baik menarik elektron (gas pengoksidasi) atau menyumbangkan elektron (gas pereduksi).Transfer elektron antara gas target dan MOS dapat mengatur lebar EDL atau HAL30,81 yang mengakibatkan perubahan resistansi keseluruhan dari sensor MOS.Misalnya, untuk gas pereduksi, elektron akan ditransfer dari gas pereduksi ke MOS tipe-n, menghasilkan EDL yang lebih rendah dan resistansi yang lebih rendah, yang disebut sebagai perilaku sensor tipe-n.Sebaliknya, ketika MOS tipe-p terkena gas pereduksi yang menentukan perilaku sensitivitas tipe-p, HAL menyusut dan resistansi meningkat karena sumbangan elektron.Untuk gas pengoksidasi, respons sensor berlawanan dengan respons untuk mereduksi gas.
Mekanisme deteksi dasar untuk MOS tipe-n dan tipe-p untuk mereduksi dan mengoksidasi gas b Faktor kunci dan sifat fisiko-kimia atau material yang terlibat dalam sensor gas semikonduktor 89
Terlepas dari mekanisme deteksi dasar, mekanisme deteksi gas yang digunakan dalam sensor gas praktis cukup kompleks.Misalnya, penggunaan sensor gas yang sebenarnya harus memenuhi banyak persyaratan (seperti sensitivitas, selektivitas, dan stabilitas) tergantung pada kebutuhan pengguna.Persyaratan ini terkait erat dengan sifat fisik dan kimia bahan sensitif.Sebagai contoh, Xu et al.71 menunjukkan bahwa sensor berbasis SnO2 mencapai sensitivitas tertinggi ketika diameter kristal (d) sama dengan atau kurang dari dua kali panjang Debye (λD) dari SnO271.Ketika d 2λD, SnO2 benar-benar habis setelah adsorpsi molekul O2, dan respons sensor terhadap gas pereduksi adalah maksimum.Selain itu, berbagai parameter lain dapat mempengaruhi kinerja sensor, termasuk suhu operasi, cacat kristal, dan bahkan bidang kristal yang terbuka dari bahan penginderaan.Secara khusus, pengaruh suhu operasi dijelaskan oleh kemungkinan persaingan antara laju adsorpsi dan desorpsi gas target, serta reaktivitas permukaan antara molekul gas teradsorpsi dan partikel oksigen4,82.Pengaruh cacat kristal sangat terkait dengan kandungan kekosongan oksigen [83, 84].Pengoperasian sensor juga dapat dipengaruhi oleh reaktivitas yang berbeda dari permukaan kristal terbuka67,85,86,87.Bidang kristal terbuka dengan kerapatan yang lebih rendah mengungkapkan lebih banyak kation logam yang tidak terkoordinasi dengan energi yang lebih tinggi, yang mendorong adsorpsi dan reaktivitas permukaan88.Tabel 1 mencantumkan beberapa faktor kunci dan mekanisme persepsi yang ditingkatkan terkait.Oleh karena itu, dengan menyesuaikan parameter material ini, kinerja deteksi dapat ditingkatkan, dan sangat penting untuk menentukan faktor utama yang memengaruhi kinerja sensor.
Yamazoe89 dan Shimanoe et al.68,71 melakukan sejumlah studi tentang mekanisme teoritis persepsi sensor dan mengusulkan tiga faktor kunci independen yang mempengaruhi kinerja sensor, khususnya fungsi reseptor, fungsi transduser, dan utilitas (Gbr. 1b)..Fungsi reseptor mengacu pada kemampuan permukaan MOS untuk berinteraksi dengan molekul gas.Fungsi ini terkait erat dengan sifat kimia MOS dan dapat ditingkatkan secara signifikan dengan memasukkan akseptor asing (misalnya, NP logam dan MOS lainnya).Fungsi transduser mengacu pada kemampuan untuk mengubah reaksi antara gas dan permukaan MOS menjadi sinyal listrik yang didominasi oleh batas butir MOS.Dengan demikian, fungsi sensorik secara signifikan dipengaruhi oleh ukuran partikel MOC dan kepadatan reseptor asing.Katoch et al.90 melaporkan bahwa pengurangan ukuran butir nanofibril ZnO-SnO2 menghasilkan pembentukan banyak heterojungsi dan peningkatan sensitivitas sensor, konsisten dengan fungsi transduser.Wang et al.91 membandingkan berbagai ukuran butir Zn2GeO4 dan menunjukkan peningkatan sensitivitas sensor 6,5 kali lipat setelah memperkenalkan batas butir.Utilitas adalah faktor kinerja sensor utama lainnya yang menjelaskan ketersediaan gas ke struktur MOS internal.Jika molekul gas tidak dapat menembus dan bereaksi dengan MOS internal, sensitivitas sensor akan berkurang.Kegunaannya terkait erat dengan kedalaman difusi gas tertentu, yang tergantung pada ukuran pori bahan penginderaan.Sakai dkk.92 memodelkan sensitivitas sensor terhadap gas buang dan menemukan bahwa baik berat molekul gas maupun jari-jari pori membran sensor mempengaruhi sensitivitas sensor pada kedalaman difusi gas yang berbeda dalam membran sensor.Pembahasan di atas menunjukkan bahwa sensor gas kinerja tinggi dapat dikembangkan dengan menyeimbangkan dan mengoptimalkan fungsi reseptor, fungsi transduser, dan utilitas.
Pekerjaan di atas menjelaskan mekanisme persepsi dasar dari MOS tunggal dan membahas beberapa faktor yang mempengaruhi kinerja MOS.Selain faktor-faktor ini, sensor gas berdasarkan heterostruktur dapat lebih meningkatkan kinerja sensor dengan meningkatkan fungsi sensor dan reseptor secara signifikan.Selain itu, struktur heteronano dapat lebih meningkatkan kinerja sensor dengan meningkatkan reaksi katalitik, mengatur transfer muatan, dan menciptakan lebih banyak situs adsorpsi.Sampai saat ini, banyak sensor gas berdasarkan struktur heteronano MOS telah dipelajari untuk membahas mekanisme peningkatan penginderaan95,96,97.Miller dkk.55 merangkum beberapa mekanisme yang mungkin meningkatkan sensitivitas struktur heteronano, termasuk bergantung pada permukaan, bergantung pada antarmuka, dan bergantung pada struktur.Diantaranya, mekanisme amplifikasi yang bergantung pada antarmuka terlalu rumit untuk mencakup semua interaksi antarmuka dalam satu teori, karena berbagai sensor berdasarkan bahan berstruktur heterona (misalnya, nn-heterojunction, pn-heterojunction, pp-heterojunction, dll.) dapat digunakan. .simpul Schottky).Biasanya, sensor heteronanostructured berbasis MOS selalu menyertakan dua atau lebih mekanisme sensor canggih98,99,100.Efek sinergis dari mekanisme amplifikasi ini dapat meningkatkan penerimaan dan pemrosesan sinyal sensor.Oleh karena itu, pemahaman mekanisme persepsi sensor berdasarkan material berstrukturnano heterogen sangat penting untuk membantu peneliti mengembangkan sensor gas bottom-up sesuai dengan kebutuhan mereka.Selain itu, struktur geometris perangkat juga dapat secara signifikan mempengaruhi sensitivitas sensor 74, 75, 76. Untuk menganalisis perilaku sensor secara sistematis, mekanisme penginderaan tiga struktur perangkat berdasarkan bahan berstruktur heteronano yang berbeda akan disajikan dan dibahas di bawah ini.
Dengan perkembangan pesat sensor gas berbasis MOS, berbagai MOS hetero-nanostruktur telah diusulkan.Transfer muatan pada heterointerface tergantung pada tingkat Fermi (Ef) yang berbeda dari komponen.Pada heterointerface, elektron bergerak dari satu sisi dengan Ef yang lebih besar ke sisi lain dengan Ef yang lebih kecil sampai tingkat Fermi mereka mencapai keseimbangan, dan lubang, sebaliknya.Kemudian pembawa di heterointerface habis dan membentuk lapisan habis.Setelah sensor terkena gas target, konsentrasi pembawa MOS heteronanostruktur berubah, seperti halnya ketinggian penghalang, sehingga meningkatkan sinyal deteksi.Selain itu, metode fabrikasi heteronanostruktur yang berbeda menyebabkan hubungan yang berbeda antara bahan dan elektroda, yang mengarah ke geometri perangkat yang berbeda dan mekanisme penginderaan yang berbeda.Dalam ulasan ini, kami mengusulkan tiga struktur perangkat geometris dan membahas mekanisme penginderaan untuk setiap struktur.
Meskipun heterojungsi memainkan peran yang sangat penting dalam kinerja deteksi gas, geometri perangkat dari seluruh sensor juga dapat secara signifikan mempengaruhi perilaku deteksi, karena lokasi saluran konduksi sensor sangat bergantung pada geometri perangkat.Tiga geometri khas perangkat MOS heterojunction dibahas di sini, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Pada tipe pertama, dua koneksi MOS didistribusikan secara acak antara dua elektroda, dan lokasi saluran konduktif ditentukan oleh MOS utama, yang kedua adalah pembentukan struktur nano heterogen dari MOS yang berbeda, sementara hanya satu MOS yang terhubung ke elektroda.elektroda terhubung, maka saluran konduktif biasanya terletak di dalam MOS dan terhubung langsung ke elektroda.Pada tipe ketiga, dua bahan dilekatkan pada dua elektroda secara terpisah, memandu perangkat melalui sambungan hetero yang terbentuk di antara kedua bahan tersebut.
Tanda hubung antar senyawa (misalnya “SnO2-NiO”) menunjukkan bahwa kedua komponen tersebut hanya tercampur (tipe I).Tanda “@” antara dua koneksi (misalnya “SnO2@NiO”) menunjukkan bahwa bahan perancah (NiO) dihiasi dengan SnO2 untuk struktur sensor tipe II.Garis miring (misalnya “NiO/SnO2”) menunjukkan desain sensor tipe III .
Untuk sensor gas berdasarkan komposit MOS, dua elemen MOS didistribusikan secara acak di antara elektroda.Banyak metode fabrikasi telah dikembangkan untuk membuat komposit MOS, termasuk sol-gel, kopresipitasi, hidrotermal, electrospinning, dan metode pencampuran mekanis98.102.103.104.Baru-baru ini, kerangka logam-organik (MOFs), kelas bahan berstruktur kristal berpori yang terdiri dari pusat logam dan penghubung organik, telah digunakan sebagai templat untuk pembuatan komposit MOS berpori105.106.107.108.Perlu dicatat bahwa meskipun persentase komposit MOS sama, karakteristik sensitivitas dapat sangat bervariasi saat menggunakan proses manufaktur yang berbeda.109,110 Misalnya, Gao et al.109 membuat dua sensor berdasarkan komposit MoO3±SnO2 dengan rasio atom yang sama ( Mo:Sn = 1:1,9) dan menemukan bahwa metode fabrikasi yang berbeda menyebabkan sensitivitas yang berbeda.Shaposhnik dkk.110 melaporkan bahwa reaksi co-presipitasi SnO2-TiO2 menjadi gas H2 berbeda dari bahan yang dicampur secara mekanis, bahkan pada rasio Sn/Ti yang sama.Perbedaan ini muncul karena hubungan antara ukuran kristal MOP dan MOP bervariasi dengan metode sintesis yang berbeda109,110.Ketika ukuran dan bentuk butir konsisten dalam hal kerapatan donor dan jenis semikonduktor, responsnya harus tetap sama jika geometri kontak tidak berubah 110 .Staerz dkk.111 melaporkan bahwa karakteristik deteksi nanofiber SnO2-Cr2O3 core-sheath (CSN) dan ground SnO2-Cr2O3 CSNs hampir identik, menunjukkan bahwa morfologi nanofiber tidak menawarkan keuntungan apa pun.
Selain metode fabrikasi yang berbeda, jenis semikonduktor dari dua MOSFET yang berbeda juga mempengaruhi sensitivitas sensor.Lebih lanjut dapat dibagi menjadi dua kategori tergantung pada apakah kedua MOSFET memiliki jenis semikonduktor yang sama (persimpangan nn atau pp) atau jenis yang berbeda (persimpangan pn).Ketika sensor gas didasarkan pada komposit MOS dari jenis yang sama, dengan mengubah rasio molar kedua MOS, karakteristik respons sensitivitas tetap tidak berubah, dan sensitivitas sensor bervariasi tergantung pada jumlah nn- atau pp-heterojunction.Ketika satu komponen mendominasi dalam komposit (misalnya 0,9 ZnO-0,1 SnO2 atau 0,1 ZnO-0,9 SnO2), saluran konduksi ditentukan oleh MOS dominan, yang disebut saluran konduksi homojunction 92 .Ketika rasio kedua komponen tersebut sebanding, diasumsikan bahwa saluran konduksi didominasi oleh heterojungsi98,102.Yamazoe dkk.112.113 melaporkan bahwa wilayah heterokontak dari dua komponen dapat sangat meningkatkan sensitivitas sensor karena penghalang heterojungsi yang terbentuk karena fungsi operasi yang berbeda dari komponen dapat secara efektif mengontrol mobilitas drift sensor yang terpapar elektron.Berbagai gas ambien 112.113.pada gambar.Gambar 3a menunjukkan bahwa sensor berdasarkan struktur hierarki berserat SnO2-ZnO dengan kandungan ZnO yang berbeda (dari 0 hingga 10 mol % Zn) dapat mendeteksi etanol secara selektif.Di antara mereka, sensor berdasarkan serat SnO2-ZnO (7 mol.% Zn) menunjukkan sensitivitas tertinggi karena pembentukan sejumlah besar heterojungsi dan peningkatan luas permukaan spesifik, yang meningkatkan fungsi konverter dan meningkatkan sensitivitas 90 Namun, dengan peningkatan lebih lanjut dalam kandungan ZnO menjadi 10 mol.%, struktur mikro komposit SnO2-ZnO dapat membungkus area aktivasi permukaan dan mengurangi sensitivitas sensor85.Tren serupa juga diamati untuk sensor berdasarkan komposit heterojungsi pp NiO-NiFe2O4 dengan rasio Fe/Ni yang berbeda (Gbr. 3b)114.
Gambar SEM serat SnO2-ZnO (7 mol.% Zn) dan respons sensor terhadap berbagai gas dengan konsentrasi 100 ppm pada 260 °C;54b Respons sensor berdasarkan komposit NiO dan NiO-NiFe2O4 murni pada 50 ppm berbagai gas, 260 °C;114 ( c) Diagram skema jumlah node dalam komposisi xSnO2-(1-x)Co3O4 dan reaksi resistensi dan sensitivitas yang sesuai dari komposisi xSnO2-(1-x)Co3O4 per 10 ppm CO, aseton, C6H6 dan SO2 gas pada 350 °C dengan mengubah rasio molar Sn/Co 98
Komposit pn-MOS menunjukkan perilaku sensitivitas yang berbeda tergantung pada rasio atom MOS115.Secara umum, perilaku sensorik komposit MOS sangat tergantung pada MOS mana yang bertindak sebagai saluran konduksi utama untuk sensor.Oleh karena itu, sangat penting untuk mengkarakterisasi persentase komposisi dan struktur nano komposit.Kim et al.98 mengkonfirmasi kesimpulan ini dengan mensintesis serangkaian nanofiber komposit xSnO2 ± (1-x)Co3O4 dengan elektrospinning dan mempelajari sifat sensornya.Mereka mengamati bahwa perilaku sensor komposit SnO2-Co3O4 beralih dari tipe-n ke tipe-p dengan mengurangi persentase SnO2 (Gbr. 3c)98.Selain itu, sensor yang didominasi heterojunction (berdasarkan 0,5 SnO2-0,5 Co3O4) menunjukkan tingkat transmisi tertinggi untuk C6H6 dibandingkan dengan sensor yang dominan homojunction (misalnya, sensor SnO2 atau Co3O4 tinggi).Resistansi tinggi yang melekat pada sensor berbasis 0,5 SnO2-0,5 Co3O4 dan kemampuannya yang lebih besar untuk memodulasi resistansi sensor secara keseluruhan berkontribusi pada sensitivitas tertingginya terhadap C6H6.Selain itu, cacat ketidakcocokan kisi yang berasal dari heterointerface SnO2-Co3O4 dapat membuat situs adsorpsi preferensial untuk molekul gas, sehingga meningkatkan respons sensor109.116.
Selain MOS tipe semikonduktor, perilaku sentuh komposit MOS juga dapat disesuaikan menggunakan bahan kimia MOS-117.Huo et al.117 menggunakan metode rendam-panggang sederhana untuk menyiapkan komposit Co3O4-SnO2 dan menemukan bahwa pada rasio molar Co/Sn 10%, sensor menunjukkan respons deteksi tipe-p terhadap H2 dan sensitivitas tipe-n terhadap H2.tanggapan.Respon sensor terhadap gas CO, H2S dan NH3 ditunjukkan pada Gambar 4a117.Pada rasio Co/Sn rendah, banyak homojunction terbentuk pada batas nanograin SnO2±SnO2 dan menunjukkan respons sensor tipe-n terhadap H2 (Gbr. 4b,c)115.Dengan peningkatan rasio Co/Sn hingga 10 mol.%, bukan homojungsi SnO2-SnO2, banyak heterojungsi Co3O4-SnO2 terbentuk secara bersamaan (Gbr. 4d).Karena Co3O4 tidak aktif terhadap H2, dan SnO2 bereaksi kuat dengan H2, reaksi H2 dengan spesies oksigen ionik terutama terjadi pada permukaan SnO2117.Oleh karena itu, elektron berpindah ke SnO2 dan Ef SnO2 bergeser ke pita konduksi, sedangkan Ef Co3O4 tetap tidak berubah.Akibatnya, resistansi sensor meningkat, menunjukkan bahwa material dengan rasio Co/Sn yang tinggi menunjukkan perilaku penginderaan tipe-p (Gbr. 4e).Sebaliknya, gas CO, H2S, dan NH3 bereaksi dengan spesies oksigen ionik pada permukaan SnO2 dan Co3O4, dan elektron berpindah dari gas ke sensor, menghasilkan penurunan tinggi penghalang dan sensitivitas tipe-n (Gbr. 4f)..Perilaku sensor yang berbeda ini disebabkan oleh reaktivitas yang berbeda dari Co3O4 dengan gas yang berbeda, yang selanjutnya dikonfirmasi oleh Yin et al.118 .Demikian pula, Katoch et al.119 menunjukkan bahwa komposit SnO2-ZnO memiliki selektivitas yang baik dan sensitivitas yang tinggi terhadap H2.Perilaku ini terjadi karena atom H dapat dengan mudah teradsorpsi ke posisi O ZnO karena hibridisasi yang kuat antara orbital s H dan orbital p O, yang mengarah pada metalisasi ZnO120.121.
a Co/Sn-10% kurva resistensi dinamis untuk gas pereduksi tipikal seperti H2, CO, NH3 dan H2S, b, c Diagram mekanisme penginderaan komposit Co3O4/SnO2 untuk H2 pada % m rendah.Co/Sn, df Co3O4 Mekanisme deteksi H2 dan CO, H2S dan NH3 dengan komposit Co/Sn/SnO2 tinggi
Oleh karena itu, kita dapat meningkatkan sensitivitas sensor tipe-I dengan memilih metode fabrikasi yang tepat, mengurangi ukuran butir komposit, dan mengoptimalkan rasio molar komposit MOS.Selain itu, pemahaman yang mendalam tentang kimia bahan sensitif dapat lebih meningkatkan selektivitas sensor.
Struktur sensor tipe II adalah struktur sensor populer lainnya yang dapat menggunakan berbagai material berstrukturnano heterogen, termasuk satu material nano “master” dan material nano kedua atau bahkan ketiga.Sebagai contoh, material satu dimensi atau dua dimensi yang didekorasi dengan nanopartikel, core-shell (CS) dan material berstruktur heteronano multilayer biasanya digunakan dalam struktur sensor tipe II dan akan dibahas secara rinci di bawah ini.
Untuk bahan struktur heteronano pertama (struktur heteronano yang didekorasi), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b(1), saluran konduktif sensor dihubungkan oleh bahan dasar.Karena pembentukan heterojungsi, nanopartikel yang dimodifikasi dapat memberikan situs yang lebih reaktif untuk adsorpsi atau desorpsi gas, dan juga dapat bertindak sebagai katalis untuk meningkatkan kinerja penginderaan 109,122,123,124.Yuan et al.41 mencatat bahwa mendekorasi kawat nano WO3 dengan nanodot CeO2 dapat memberikan lebih banyak situs adsorpsi pada heterointerface CeO2@WO3 dan permukaan CeO2 dan menghasilkan lebih banyak spesies oksigen yang diserap secara kimia untuk reaksi dengan aseton.Gunawan dkk.125. Sebuah sensor aseton sensitivitas ultra-tinggi berdasarkan satu dimensi Au@α-Fe2O3 telah diusulkan dan telah diamati bahwa sensitivitas sensor dikendalikan oleh aktivasi molekul O2 sebagai sumber oksigen.Kehadiran Au NP dapat bertindak sebagai katalis yang mendorong disosiasi molekul oksigen menjadi oksigen kisi untuk oksidasi aseton.Hasil serupa diperoleh Choi et al.9 di mana katalis Pt digunakan untuk memisahkan molekul oksigen yang teradsorpsi menjadi spesies oksigen terionisasi dan meningkatkan respons sensitif terhadap aseton.Pada tahun 2017, tim peneliti yang sama menunjukkan bahwa nanopartikel bimetalik jauh lebih efisien dalam katalisis daripada nanopartikel logam mulia tunggal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 526. 5a adalah skema proses pembuatan NP bimetalik (PtM) berbasis platinum menggunakan sel apoferritin dengan ukuran rata-rata kurang dari 3 nm.Kemudian, dengan menggunakan metode electrospinning, nanofibers PtM@WO3 diperoleh untuk meningkatkan sensitivitas dan selektivitas terhadap aseton atau H2S (Gbr. 5b-g).Baru-baru ini, katalis atom tunggal (SACs) telah menunjukkan kinerja katalitik yang sangat baik di bidang katalisis dan analisis gas karena efisiensi maksimum penggunaan atom dan struktur elektronik yang disetel127.128.Shin dkk.129 menggunakan nanosheet karbon nitrida berlabuh Pt-SA (MCN), SnCl2 dan PVP sebagai sumber kimia untuk menyiapkan serat sebaris Pt@MCN@SnO2 untuk deteksi gas.Meskipun kandungan Pt@MCN sangat rendah (dari 0,13 wt.% menjadi 0,68 wt.%), kinerja deteksi formaldehida gas Pt@MCN@SnO2 lebih unggul daripada sampel referensi lainnya (SnO2 murni, MCN@SnO2 dan Pt NPs@ SnO2)..Kinerja deteksi yang sangat baik ini dapat dikaitkan dengan efisiensi atom maksimum dari katalis Pt SA dan cakupan minimum situs aktif SnO2129.
Metode enkapsulasi bermuatan apoferritin untuk mendapatkan nanopartikel PtM-apo (PtPd, PtRh, PtNi);sifat sensitif gas dinamis dari serat nano bd murni WO3, PtPd@WO3, PtRn@WO3, dan Pt-NiO@WO3;berdasarkan, misalnya, pada sifat selektivitas sensor nanofiber PtPd@WO3, PtRn@WO3 dan Pt-NiO@WO3 terhadap 1 ppm gas pengganggu 126
Selain itu, heterojunction yang terbentuk antara bahan scaffold dan nanopartikel juga dapat secara efektif memodulasi saluran konduksi melalui mekanisme modulasi radial untuk meningkatkan kinerja sensor130.131.132.pada gambar.Gambar 6a menunjukkan karakteristik sensor kawat nano SnO2 dan Cr2O3@SnO2 murni untuk mereduksi dan mengoksidasi gas dan mekanisme sensor yang sesuai131.Dibandingkan dengan kawat nano SnO2 murni, respons kawat nano Cr2O3@SnO2 terhadap gas pereduksi sangat ditingkatkan, sedangkan respons terhadap gas pengoksidasi memburuk.Fenomena ini terkait erat dengan deselerasi lokal saluran konduksi kawat nano SnO2 dalam arah radial dari pn heterojunction yang terbentuk.Resistansi sensor dapat dengan mudah disetel dengan mengubah lebar EDL pada permukaan kawat nano SnO2 murni setelah terpapar gas pereduksi dan pengoksidasi.Namun, untuk kawat nano Cr2O3@SnO2, DEL awal kawat nano SnO2 di udara meningkat dibandingkan dengan kawat nano SnO2 murni, dan saluran konduksi ditekan karena pembentukan heterojunction.Oleh karena itu, ketika sensor terkena gas pereduksi, elektron yang terperangkap dilepaskan ke dalam kawat nano SnO2 dan EDL berkurang secara drastis, menghasilkan sensitivitas yang lebih tinggi daripada kawat nano SnO2 murni.Sebaliknya, ketika beralih ke gas pengoksidasi, ekspansi DEL terbatas, menghasilkan sensitivitas yang rendah.Hasil respons sensorik serupa diamati oleh Choi et al., 133 di mana kawat nano SnO2 yang didekorasi dengan nanopartikel WO3 tipe-p menunjukkan respons sensorik yang meningkat secara signifikan untuk mengurangi gas, sementara sensor SnO2 yang didekorasi dengan n telah meningkatkan sensitivitas terhadap gas pengoksidasi.Nanopartikel TiO2 (Gbr. 6b) 133. Hasil ini terutama disebabkan oleh fungsi kerja yang berbeda dari nanopartikel SnO2 dan MOS (TiO2 atau WO3).Dalam nanopartikel tipe-p (tipe-n), saluran konduksi dari bahan kerangka (SnO2) mengembang (atau berkontraksi) dalam arah radial, dan kemudian, di bawah aksi reduksi (atau oksidasi), ekspansi lebih lanjut (atau pemendekan) saluran konduksi SnO2 – rusuk ) gas (Gbr. 6b).
Mekanisme modulasi radial yang diinduksi oleh LF MOS yang dimodifikasi.Ringkasan respons gas terhadap gas pereduksi dan pengoksidasi 10 ppm berdasarkan kawat nano SnO2 dan Cr2O3@SnO2 murni dan diagram skema mekanisme sensor yang sesuai;dan skema yang sesuai dari nanorod WO3@SnO2 dan mekanisme deteksi133
Dalam perangkat heterostruktur bilayer dan multilayer, saluran konduksi perangkat didominasi oleh lapisan (biasanya lapisan bawah) yang bersentuhan langsung dengan elektroda, dan heterojunction yang terbentuk pada antarmuka dua lapisan dapat mengontrol konduktivitas lapisan bawah. .Oleh karena itu, ketika gas berinteraksi dengan lapisan atas, mereka dapat secara signifikan mempengaruhi saluran konduksi lapisan bawah dan resistansi 134 perangkat.Misalnya, Kumar dkk.77 melaporkan perilaku yang berlawanan dari lapisan ganda TiO2@NiO dan NiO@TiO2 untuk NH3.Perbedaan ini muncul karena saluran konduksi dari dua sensor mendominasi lapisan bahan yang berbeda (NiO dan TiO2, masing-masing), dan kemudian variasi saluran konduksi yang mendasarinya berbeda77.
Struktur heteronano bilayer atau multilayer biasanya dihasilkan oleh sputtering, deposisi lapisan atom (ALD) dan sentrifugasi56,70,134,135,136.Ketebalan film dan bidang kontak kedua bahan dapat dikontrol dengan baik.Gambar 7a dan b menunjukkan nanofilm NiO@SnO2 dan Ga2O3@WO3 yang diperoleh dengan sputtering untuk deteksi etanol135,137.Namun, metode ini umumnya menghasilkan film datar, dan film datar ini kurang sensitif dibandingkan bahan berstrukturnano 3D karena luas permukaan spesifik dan permeabilitas gas yang rendah.Oleh karena itu, strategi fase cair untuk fabrikasi film bilayer dengan hierarki yang berbeda juga telah diusulkan untuk meningkatkan kinerja persepsi dengan meningkatkan luas permukaan spesifik41.52.138.Zhu dkk139 menggabungkan teknik sputtering dan hidrotermal untuk menghasilkan kawat nano ZnO yang sangat teratur di atas kawat nano SnO2 (kawat nano ZnO@SnO2) untuk deteksi H2S (Gbr. 7c).Responnya terhadap 1 ppm H2S adalah 1,6 kali lebih tinggi daripada sensor berdasarkan nanofilm ZnO@SnO2 tergagap.Liu dkk.52 melaporkan sensor H2S kinerja tinggi menggunakan metode deposisi kimia dua langkah in situ untuk membuat struktur nano SnO2@NiO hierarki diikuti oleh anil termal (Gbr. 10d).Dibandingkan dengan film bilayer SnO2@NiO tergagap konvensional, kinerja sensitivitas struktur bilayer hierarkis SnO2@NiO meningkat secara signifikan karena peningkatan luas permukaan spesifik52,137.
Sensor gas lapisan ganda berbasis MOS.nanofilm NiO@SnO2 untuk deteksi etanol;137b Ga2O3@WO3 nanofilm untuk deteksi etanol;135c struktur hierarki bilayer SnO2@ZnO yang sangat teratur untuk deteksi H2S;139d SnO2@NiO struktur hierarki bilayer untuk mendeteksi H2S52.
Pada perangkat tipe II berdasarkan core-shell heteronanostructures (CSHNs), mekanisme penginderaan lebih kompleks, karena saluran konduksi tidak terbatas pada kulit bagian dalam.Baik rute pembuatan dan ketebalan (hs) paket dapat menentukan lokasi saluran konduktif.Misalnya, ketika menggunakan metode sintesis bottom-up, saluran konduksi biasanya terbatas pada inti dalam, yang serupa strukturnya dengan struktur perangkat dua lapis atau multilayer (Gbr. 2b(3)) 123, 140, 141, 142, 143. Xu dkk.144 melaporkan pendekatan bottom-up untuk mendapatkan CSHN NiO@α-Fe2O3 dan CuO@α-Fe2O3 dengan menyimpan lapisan NP NiO atau CuO pada nanorod -Fe2O3 di mana saluran konduksi dibatasi oleh bagian tengah.(nanorod -Fe2O3).Liu dkk.142 juga berhasil membatasi saluran konduksi ke bagian utama CSHN TiO2 @ Si dengan mendepositokan TiO2 pada susunan kawat nano silikon yang telah disiapkan.Oleh karena itu, perilaku penginderaannya (tipe-p atau tipe-n) hanya bergantung pada jenis semikonduktor dari kawat nano silikon.
Namun, sebagian besar sensor berbasis CSHN yang dilaporkan (Gbr. 2b(4)) dibuat dengan mentransfer bubuk bahan CS yang disintesis ke dalam chip.Dalam hal ini, jalur konduksi sensor dipengaruhi oleh ketebalan housing (hs).Kelompok Kim menyelidiki efek hs pada kinerja deteksi gas dan mengusulkan mekanisme deteksi yang mungkin 100.112.145.146.147.148. Dipercaya bahwa dua faktor berkontribusi pada mekanisme penginderaan struktur ini: (1) modulasi radial EDL cangkang dan (2) efek pengolesan medan listrik (Gbr. 8) 145. Para peneliti menyebutkan bahwa saluran konduksi pembawa sebagian besar terbatas pada lapisan kulit ketika hs > D dari lapisan kulit145. Dipercaya bahwa dua faktor berkontribusi pada mekanisme penginderaan struktur ini: (1) modulasi radial EDL cangkang dan (2) efek pengolesan medan listrik (Gbr. 8) 145. Para peneliti menyebutkan bahwa saluran konduksi pembawa sebagian besar terbatas pada lapisan kulit ketika hs > D dari lapisan kulit145. 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 > D оболочки145. Dipercaya bahwa dua faktor terlibat dalam mekanisme persepsi struktur ini: (1) modulasi radial EDL cangkang dan (2) efek pengaburan medan listrik (Gbr. 8) 145. Para peneliti mencatat bahwa saluran konduksi pembawa terutama terbatas pada kulit ketika hs > D kulit145.Dipercaya bahwa dua faktor berkontribusi pada mekanisme pendeteksian struktur ini: (1) modulasi radial dari DEL cangkang dan (2) efek pengolesan medan listrik (Gbr. 8) 145.hs > D145 > D145 едователи отметили, о анал оводимости огда hs > λD145 оболочки, оличество осителей основном ограничено оболочкой. Para peneliti mencatat bahwa saluran konduksi Ketika hs > D145 dari cangkang, jumlah pembawa terutama dibatasi oleh cangkang.Oleh karena itu, dalam modulasi resistif sensor berdasarkan CSHN, modulasi radial dari cladding DEL berlaku (Gbr. 8a).Namun, pada hs D cangkang, partikel oksigen yang diadsorpsi oleh cangkang dan heterojungsi yang terbentuk pada heterojungsi CS benar-benar kehabisan elektron. Oleh karena itu, saluran konduksi tidak hanya terletak di dalam lapisan kulit tetapi juga sebagian di bagian inti, terutama ketika hs < D lapisan kulit. Oleh karena itu, saluran konduksi tidak hanya terletak di dalam lapisan kulit tetapi juga sebagian di bagian inti, terutama ketika hs < D lapisan kulit. оэтому анал оводимости асполагается е олько оболочечного оя, о астично в ердцевинной асти, особео hs Oleh karena itu, saluran konduksi terletak tidak hanya di dalam lapisan kulit, tetapi juga sebagian di bagian inti, terutama pada hs < D lapisan kulit.hs < D hs < D оэтому анал оводимости асполагается е олько внутри оболочки, о астично в ердцевине, особенно hs < D оболочки. Oleh karena itu, saluran konduksi terletak tidak hanya di dalam cangkang, tetapi juga sebagian di inti, terutama pada hs < D cangkang.Dalam hal ini, baik kulit elektron yang terkuras sepenuhnya dan lapisan inti yang terkuras sebagian membantu memodulasi resistansi seluruh CSHN, menghasilkan efek ekor medan listrik (Gbr. 8b).Beberapa penelitian lain telah menggunakan konsep fraksi volume EDL alih-alih ekor medan listrik untuk menganalisis efek hs100,148.Mempertimbangkan kedua kontribusi ini, modulasi total resistansi CSHN mencapai nilai terbesarnya ketika hs sebanding dengan selubung λD, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8c.Oleh karena itu, hs optimal untuk CSHN dapat mendekati shell D, yang konsisten dengan pengamatan eksperimental 99.144.145.146.149.Beberapa penelitian telah menunjukkan bahwa hs juga dapat mempengaruhi sensitivitas sensor pn-heterojunction berbasis CSHN40,148.Li dkk.148 dan Bai et al.40 secara sistematis menyelidiki efek hs pada kinerja sensor CSHN pn-heterojunction, seperti TiO2@CuO dan ZnO@NiO, dengan mengubah siklus ALD kelongsong.Akibatnya, perilaku sensorik berubah dari tipe-p ke tipe-n dengan peningkatan hs40,148.Perilaku ini disebabkan oleh fakta bahwa pada awalnya (dengan jumlah siklus ALD yang terbatas) heterostruktur dapat dianggap sebagai struktur heteronano yang dimodifikasi.Dengan demikian, saluran konduksi dibatasi oleh lapisan inti (MOSFET tipe-p), dan sensor menunjukkan perilaku deteksi tipe-p.Ketika jumlah siklus ALD meningkat, lapisan kelongsong (MOSFET tipe-n) menjadi quasi-continuous dan bertindak sebagai saluran konduksi, menghasilkan sensitivitas tipe-n.Perilaku transisi sensorik serupa telah dilaporkan untuk struktur heteronano bercabang pn 150,151 .Zhou dkk.150 menyelidiki sensitivitas struktur heteronano bercabang Zn2SnO4@Mn3O4 dengan mengontrol kandungan Zn2SnO4 pada permukaan kawat nano Mn3O4.Ketika inti Zn2SnO4 terbentuk pada permukaan Mn3O4, sensitivitas tipe-p diamati.Dengan peningkatan lebih lanjut dalam konten Zn2SnO4, sensor berdasarkan struktur heteronano Zn2SnO4@Mn3O4 bercabang beralih ke perilaku sensor tipe-n.
Deskripsi konseptual dari mekanisme sensor dua-fungsi dari kawat nano CS ditampilkan.a Modulasi resistansi karena modulasi radial dari cangkang yang kekurangan elektron, b Efek negatif pengolesan pada modulasi resistansi, dan c Modulasi resistansi total kawat nano CS karena kombinasi kedua efek 40
Kesimpulannya, sensor tipe II mencakup banyak struktur nano hierarkis yang berbeda, dan kinerja sensor sangat bergantung pada pengaturan saluran konduktif.Oleh karena itu, sangat penting untuk mengontrol posisi saluran konduksi sensor dan menggunakan model MOS berstruktur heteronano yang sesuai untuk mempelajari mekanisme penginderaan yang diperluas dari sensor tipe II.
Struktur sensor tipe III tidak terlalu umum, dan saluran konduksi didasarkan pada heterojunction yang terbentuk antara dua semikonduktor yang terhubung ke dua elektroda, masing-masing.Struktur perangkat yang unik biasanya diperoleh melalui teknik micromachining dan mekanisme penginderaannya sangat berbeda dari dua struktur sensor sebelumnya.Kurva IV dari sensor Tipe III biasanya menunjukkan karakteristik rektifikasi yang khas karena pembentukan heterojungsi48.152.153.Kurva karakteristik I–V dari heterojunction ideal dapat dijelaskan dengan mekanisme termionik dari emisi elektron di atas ketinggian penghalang heterojunction152.154.155.
di mana Va adalah tegangan bias, A adalah luas perangkat, k adalah konstanta Boltzmann, T adalah suhu absolut, q adalah muatan pembawa, Jn dan Jp masing-masing adalah rapat arus lubang dan difusi elektron.IS mewakili arus saturasi terbalik, didefinisikan sebagai: 152.154.155
Oleh karena itu, arus total pn heterojunction tergantung pada perubahan konsentrasi pembawa muatan dan perubahan ketinggian penghalang heterojunction, seperti yang ditunjukkan pada persamaan (3) dan (4) 156
di mana nn0 dan pp0 adalah konsentrasi elektron (lubang) dalam MOS tipe-n (tipe-p), \(V_{bi}^0\) adalah potensial bawaan, Dp (Dn) adalah koefisien difusi dari elektron (holes), Ln (Lp ) adalah panjang difusi elektron (holes), Ev (ΔEc) adalah energi pergeseran pita valensi (conduction band) pada heterojunction.Meskipun rapat arus sebanding dengan rapat pembawa, namun berbanding terbalik secara eksponensial dengan \(V_{bi}^0\).Oleh karena itu, perubahan kerapatan arus secara keseluruhan sangat bergantung pada modulasi ketinggian penghalang heterojungsi.
Seperti disebutkan di atas, pembuatan MOSFET hetero-nanostructured (misalnya, perangkat tipe I dan tipe II) dapat secara signifikan meningkatkan kinerja sensor, daripada komponen individu.Dan untuk perangkat tipe III, respons heteronanostruktur dapat lebih tinggi dari dua komponen48.153 atau lebih tinggi dari satu komponen76, tergantung pada komposisi kimia material.Beberapa laporan telah menunjukkan bahwa respons struktur heteronano jauh lebih tinggi daripada respons komponen tunggal ketika salah satu komponen tidak peka terhadap gas target48,75,76,153.Dalam hal ini, gas target hanya akan berinteraksi dengan lapisan sensitif dan menyebabkan pergeseran Ef dari lapisan sensitif dan perubahan ketinggian penghalang heterojungsi.Maka arus total perangkat akan berubah secara signifikan, karena berbanding terbalik dengan ketinggian penghalang heterojunction menurut persamaan.(3) dan (4) 48.76.153.Namun, ketika komponen tipe-n dan tipe-p sensitif terhadap gas target, kinerja deteksi dapat berada di antara keduanya.José et al.76 menghasilkan sensor film NO2 NiO/SnO2 berpori dengan sputtering dan menemukan bahwa sensitivitas sensor hanya lebih tinggi daripada sensor berbasis NiO, tetapi lebih rendah dari sensor berbasis SnO2.sensor.Fenomena ini disebabkan oleh fakta bahwa SnO2 dan NiO menunjukkan reaksi yang berlawanan dengan NO276.Juga, karena kedua komponen memiliki kepekaan gas yang berbeda, mereka mungkin memiliki kecenderungan yang sama untuk mendeteksi gas pengoksidasi dan pereduksi.Misalnya, Kwon dkk.157 mengusulkan sensor gas heterojunction pn NiO/SnO2 dengan sputtering miring, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9a.Menariknya, sensor pn-heterojunction NiO/SnO2 menunjukkan tren sensitivitas yang sama untuk H2 dan NO2 (Gbr. 9a).Untuk mengatasi hasil ini, Kwon et al.157 secara sistematis menyelidiki bagaimana NO2 dan H2 mengubah konsentrasi pembawa dan menyetel \(V_{bi}^0\) dari kedua bahan menggunakan karakteristik IV dan simulasi komputer (Gbr. 9bd).Gambar 9b dan c menunjukkan kemampuan H2 dan NO2 untuk mengubah densitas pembawa sensor berdasarkan p-NiO (pp0) dan n-SnO2 (nn0), masing-masing.Mereka menunjukkan bahwa pp0 dari NiO tipe-p sedikit berubah di lingkungan NO2, sementara itu berubah secara dramatis di lingkungan H2 (Gbr. 9b).Namun, untuk SnO2 tipe-n, nn0 berperilaku sebaliknya (Gbr. 9c).Berdasarkan hasil ini, penulis menyimpulkan bahwa ketika H2 diterapkan pada sensor berdasarkan heterojunction pn NiO/SnO2, peningkatan nn0 menyebabkan peningkatan Jn, dan \(V_{bi}^0\) menyebabkan penurunan respon (Gbr. 9d).Setelah terpapar NO2, baik penurunan besar nn0 di SnO2 dan sedikit peningkatan pp0 di NiO menyebabkan penurunan besar di \(V_{bi}^0\), yang memastikan peningkatan respon sensorik (Gbr. 9d ) 157 Kesimpulannya, perubahan konsentrasi pembawa dan \(V_{bi}^0\) menyebabkan perubahan arus total, yang selanjutnya mempengaruhi kemampuan deteksi.
Mekanisme penginderaan sensor gas didasarkan pada struktur perangkat Tipe III.Memindai gambar penampang mikroskop elektron (SEM), perangkat nanocoil p-NiO/n-SnO2 dan properti sensor dari sensor heterojunction nanocoil p-NiO/n-SnO2 pada 200 °C untuk H2 dan NO2;b , SEM penampang perangkat-c, dan hasil simulasi perangkat dengan lapisan-b p-NiO dan lapisan-c n-SnO2.Sensor b p-NiO dan sensor c n-SnO2 mengukur dan mencocokkan karakteristik IV di udara kering dan setelah terpapar H2 dan NO2.Peta dua dimensi kepadatan lubang-b di p-NiO dan peta elektron-c di lapisan n-SnO2 dengan skala warna dimodelkan menggunakan perangkat lunak Sentaurus TCAD.d Hasil simulasi menunjukkan peta 3D p-NiO/n-SnO2 di udara kering, H2 dan NO2157 di lingkungan.
Selain sifat kimia dari bahan itu sendiri, struktur perangkat Tipe III menunjukkan kemungkinan membuat sensor gas bertenaga sendiri, yang tidak mungkin dilakukan dengan perangkat Tipe I dan Tipe II.Karena medan listrik bawaannya (BEF), struktur dioda heterojungsi pn biasanya digunakan untuk membangun perangkat fotovoltaik dan menunjukkan potensi untuk membuat sensor gas fotolistrik swadaya pada suhu kamar di bawah penerangan74.158.159.160.161.BEF pada heterointerface, yang disebabkan oleh perbedaan tingkat Fermi bahan, juga berkontribusi pada pemisahan pasangan elektron-lubang.Keuntungan dari sensor gas fotovoltaik self-powered adalah konsumsi daya yang rendah karena dapat menyerap energi cahaya yang menyinari dan kemudian mengontrol dirinya sendiri atau perangkat miniatur lainnya tanpa memerlukan sumber daya eksternal.Misalnya, Tanuma dan Sugiyama162 telah membuat heterojungsi NiO/ZnO pn sebagai sel surya untuk mengaktifkan sensor CO2 polikristalin berbasis SnO2.Gad dkk.74 melaporkan sensor gas fotovoltaik self-powered berdasarkan heterojunction pn Si/ZnO@CdS, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10a.Kawat nano ZnO yang berorientasi vertikal ditanam langsung pada substrat silikon tipe-p untuk membentuk heterojungsi Si/ZnO pn.Kemudian nanopartikel CdS dimodifikasi pada permukaan kawat nano ZnO dengan modifikasi permukaan kimia.pada gambar.10a menunjukkan hasil respons sensor Si/ZnO@CdS off-line untuk O2 dan etanol.Di bawah penerangan, tegangan rangkaian terbuka (Voc) karena pemisahan pasangan elektron-lubang selama BEP pada heterointerface Si/ZnO meningkat secara linier dengan jumlah dioda yang terhubung74.161.Voc dapat direpresentasikan dengan persamaan.(5) 156,
di mana ND, NA, dan Ni masing-masing adalah konsentrasi donor, akseptor, dan pembawa intrinsik, dan k, T, dan q adalah parameter yang sama seperti pada persamaan sebelumnya.Ketika terkena gas pengoksidasi, mereka mengekstrak elektron dari kawat nano ZnO, yang menyebabkan penurunan \(N_D^{ZnO}\) dan Voc.Sebaliknya, pengurangan gas menghasilkan peningkatan Voc (Gbr. 10a).Saat mendekorasi ZnO dengan nanopartikel CdS, elektron terfotoeksitasi dalam nanopartikel CdS disuntikkan ke pita konduksi ZnO dan berinteraksi dengan gas yang teradsorpsi, sehingga meningkatkan efisiensi persepsi74,160.Sebuah sensor gas fotovoltaik self-powered serupa berdasarkan Si/ZnO dilaporkan oleh Hoffmann et al.160, 161 (Gbr. 10b).Sensor ini dapat dibuat menggunakan garis nanopartikel ZnO yang difungsikan amina ([3-(2-aminoethylamino)propyl]trimethoxysilane) (amino-functionalized-SAM) dan thiol ((3-mercaptopropyl)-difungsikan, untuk menyesuaikan fungsi kerja gas target untuk deteksi selektif NO2 (trimethoxysilane) (thiol-functionalized-SAM)) (Gbr. 10b) 74.161.
Sensor gas fotolistrik bertenaga sendiri berdasarkan struktur perangkat tipe III.sensor gas fotovoltaik bertenaga sendiri berdasarkan Si/ZnO@CdS, mekanisme penginderaan mandiri dan respons sensor terhadap gas teroksidasi (O2) dan tereduksi (1000 ppm etanol) di bawah sinar matahari;74b Sensor gas fotovoltaik swadaya berdasarkan sensor Si ZnO/ZnO dan respons sensor terhadap berbagai gas setelah fungsi ZnO SAM dengan terminal amina dan tiol 161
Oleh karena itu, ketika membahas mekanisme sensitif sensor tipe III, penting untuk menentukan perubahan ketinggian penghalang hetero dan kemampuan gas untuk mempengaruhi konsentrasi pembawa.Selain itu, iluminasi dapat menghasilkan pembawa fotogenerasi yang bereaksi dengan gas, yang menjanjikan untuk deteksi gas mandiri.
Seperti yang dibahas dalam tinjauan literatur ini, banyak struktur heteronano MOS yang berbeda telah dibuat untuk meningkatkan kinerja sensor.Basis data Web of Science dicari untuk berbagai kata kunci (komposit oksida logam, oksida logam selubung inti, oksida logam berlapis, dan penganalisis gas bertenaga sendiri) serta karakteristik khas (kelimpahan, sensitivitas/selektivitas, potensi pembangkit listrik, manufaktur) .Metode Karakteristik tiga dari tiga perangkat ini ditunjukkan pada Tabel 2. Konsep desain keseluruhan untuk sensor gas kinerja tinggi dibahas dengan menganalisis tiga faktor utama yang diusulkan oleh Yamazoe.Mekanisme Sensor Heterostruktur MOS Untuk memahami faktor-faktor yang mempengaruhi sensor gas, berbagai parameter MOS (misalnya, ukuran butir, suhu operasi, cacat dan kepadatan kekosongan oksigen, bidang kristal terbuka) telah dipelajari dengan cermat.Struktur perangkat, yang juga penting untuk perilaku sensor sensor, telah diabaikan dan jarang dibahas.Tinjauan ini membahas mekanisme yang mendasari untuk mendeteksi tiga jenis struktur perangkat yang khas.
Struktur ukuran butir, metode pembuatan, dan jumlah heterojungsi bahan penginderaan dalam sensor Tipe I dapat sangat mempengaruhi sensitivitas sensor.Selain itu, perilaku sensor juga dipengaruhi oleh rasio molar komponen.Struktur perangkat tipe II (struktur heteronano dekoratif, film bilayer atau multilayer, HSSNs) adalah struktur perangkat paling populer yang terdiri dari dua atau lebih komponen, dan hanya satu komponen yang terhubung ke elektroda.Untuk struktur perangkat ini, menentukan lokasi saluran konduksi dan perubahan relatifnya sangat penting dalam mempelajari mekanisme persepsi.Karena perangkat tipe II mencakup banyak struktur heteronano hierarkis yang berbeda, banyak mekanisme penginderaan yang berbeda telah diusulkan.Dalam struktur sensorik tipe III, saluran konduksi didominasi oleh heterojunction yang terbentuk di heterojunction, dan mekanisme persepsinya sama sekali berbeda.Oleh karena itu, penting untuk menentukan perubahan ketinggian penghalang heterojunction setelah paparan gas target ke sensor tipe III.Dengan desain ini, sensor gas fotovoltaik self-powered dapat dibuat untuk mengurangi konsumsi daya.Namun, karena proses fabrikasi saat ini agak rumit dan sensitivitasnya jauh lebih rendah daripada sensor gas chemo-resistive berbasis MOS tradisional, masih banyak kemajuan dalam penelitian sensor gas self-powered.
Keuntungan utama sensor MOS gas dengan struktur heteronano hierarkis adalah kecepatan dan sensitivitas yang lebih tinggi.Namun, beberapa masalah utama sensor gas MOS (misalnya, suhu operasi tinggi, stabilitas jangka panjang, selektivitas dan reproduktifitas yang buruk, efek kelembaban, dll.) masih ada dan perlu ditangani sebelum dapat digunakan dalam aplikasi praktis.Sensor gas MOS modern biasanya beroperasi pada suhu tinggi dan menghabiskan banyak daya, yang memengaruhi stabilitas sensor dalam jangka panjang.Ada dua pendekatan umum untuk memecahkan masalah ini: (1) pengembangan chip sensor daya rendah;(2) pengembangan bahan sensitif baru yang dapat beroperasi pada suhu rendah atau bahkan pada suhu kamar.Salah satu pendekatan untuk pengembangan chip sensor berdaya rendah adalah meminimalkan ukuran sensor dengan membuat pelat pemanas mikro berdasarkan keramik dan silikon163.Pelat pemanas mikro berbasis keramik mengkonsumsi sekitar 50–70 mV per sensor, sedangkan pelat pemanas mikro berbasis silikon yang dioptimalkan dapat mengkonsumsi hanya 2 mW per sensor saat beroperasi terus menerus pada 300 °C163.164.Pengembangan bahan penginderaan baru adalah cara yang efektif untuk mengurangi konsumsi daya dengan menurunkan suhu operasi, dan juga dapat meningkatkan stabilitas sensor.Karena ukuran MOS terus dikurangi untuk meningkatkan sensitivitas sensor, stabilitas termal MOS menjadi lebih menantang, yang dapat menyebabkan penyimpangan sinyal sensor165.Selain itu, suhu tinggi mendorong difusi material pada antarmuka hetero dan pembentukan fase campuran, yang memengaruhi sifat elektronik sensor.Para peneliti melaporkan bahwa suhu operasi sensor yang optimal dapat dikurangi dengan memilih bahan penginderaan yang sesuai dan mengembangkan struktur heteronano MOS.Pencarian metode suhu rendah untuk membuat struktur heteronano MOS yang sangat kristal adalah pendekatan lain yang menjanjikan untuk meningkatkan stabilitas.
Selektivitas sensor MOS adalah masalah praktis lain karena gas yang berbeda hidup berdampingan dengan gas target, sementara sensor MOS sering sensitif terhadap lebih dari satu gas dan sering menunjukkan sensitivitas silang.Oleh karena itu, meningkatkan selektivitas sensor terhadap gas target serta gas lainnya sangat penting untuk aplikasi praktis.Selama beberapa dekade terakhir, pilihan sebagian telah diatasi dengan membangun susunan sensor gas yang disebut "hidung elektronik (E-nose)" dalam kombinasi dengan algoritma analisis komputasi seperti kuantisasi vektor pelatihan (LVQ), analisis komponen utama (PCA), dll.Masalah seksual.Partial Least Squares (PLS), dll. 31, 32, 33, 34. Dua faktor utama (jumlah sensor, yang terkait erat dengan jenis bahan penginderaan, dan analisis komputasi) sangat penting untuk meningkatkan kemampuan hidung elektronik untuk mengidentifikasi gas169.Namun, meningkatkan jumlah sensor biasanya membutuhkan banyak proses manufaktur yang kompleks, sehingga sangat penting untuk menemukan metode sederhana untuk meningkatkan kinerja hidung elektronik.Selain itu, memodifikasi MOS dengan material lain juga dapat meningkatkan selektivitas sensor.Misalnya, deteksi selektif H2 dapat dicapai karena aktivitas katalitik yang baik dari MOS yang dimodifikasi dengan NP Pd.Dalam beberapa tahun terakhir, beberapa peneliti telah melapisi permukaan MOS MOF untuk meningkatkan selektivitas sensor melalui pengecualian ukuran171.172.Terinspirasi oleh karya ini, fungsionalisasi material entah bagaimana dapat memecahkan masalah selektivitas.Namun, masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan dalam memilih bahan yang tepat.
Pengulangan karakteristik sensor yang diproduksi di bawah kondisi dan metode yang sama merupakan persyaratan penting lainnya untuk produksi skala besar dan aplikasi praktis.Biasanya, metode sentrifugasi dan pencelupan adalah metode berbiaya rendah untuk membuat sensor gas keluaran tinggi.Namun, selama proses ini, bahan sensitif cenderung berkumpul dan hubungan antara bahan sensitif dan substrat menjadi lemah68, 138, 168. Akibatnya, sensitivitas dan stabilitas sensor menurun secara signifikan, dan kinerja menjadi dapat direproduksi.Metode fabrikasi lain seperti sputtering, ALD, pulsed laser deposition (PLD), dan physical vapor deposition (PVD) memungkinkan produksi film MOS bilayer atau multilayer langsung pada substrat silikon atau alumina berpola.Teknik ini menghindari penumpukan bahan sensitif, memastikan reproduktifitas sensor, dan menunjukkan kelayakan produksi skala besar sensor film tipis planar.Namun, sensitivitas film datar ini umumnya jauh lebih rendah daripada bahan berstrukturnano 3D karena luas permukaan spesifiknya yang kecil dan permeabilitas gas yang rendah41.174.Strategi baru untuk menumbuhkan struktur heteronano MOS di lokasi tertentu pada microarray terstruktur dan secara tepat mengontrol ukuran, ketebalan, dan morfologi bahan sensitif sangat penting untuk fabrikasi sensor tingkat wafer berbiaya rendah dengan reproduktifitas dan sensitivitas tinggi.Misalnya, Liu et al.174 mengusulkan strategi gabungan top-down dan bottom-up untuk fabrikasi kristalit throughput tinggi dengan menumbuhkan dinding nano Ni(OH)2 in situ di lokasi tertentu..Wafer untuk pembakar mikro.
Selain itu, penting juga untuk mempertimbangkan efek kelembaban pada sensor dalam aplikasi praktis.Molekul air dapat bersaing dengan molekul oksigen untuk situs adsorpsi dalam bahan sensor dan mempengaruhi tanggung jawab sensor untuk gas target.Seperti oksigen, air bertindak sebagai molekul melalui penyerapan fisik, dan juga dapat eksis dalam bentuk radikal hidroksil atau gugus hidroksil di berbagai stasiun oksidasi melalui kemisorpsi.Selain itu, karena tingkat kelembapan lingkungan yang tinggi dan variabel, respons sensor yang andal terhadap gas target merupakan masalah besar.Beberapa strategi telah dikembangkan untuk mengatasi masalah ini, seperti prakonsentrasi gas177, kompensasi kelembaban dan metode kisi reaktif-silang178, serta metode pengeringan179.180.Namun, metode ini mahal, rumit, dan mengurangi sensitivitas sensor.Beberapa strategi murah telah diusulkan untuk menekan efek kelembaban.Misalnya, mendekorasi SnO2 dengan nanopartikel Pd dapat mendorong konversi oksigen yang teradsorpsi menjadi partikel anionik, sementara memfungsikan SnO2 dengan bahan dengan afinitas tinggi untuk molekul air, seperti NiO dan CuO, adalah dua cara untuk mencegah ketergantungan kelembaban pada molekul air..Sensor 181, 182, 183. Selain itu, efek kelembaban juga dapat dikurangi dengan menggunakan bahan hidrofobik untuk membentuk permukaan hidrofobik36.138.184.185.Namun, pengembangan sensor gas tahan kelembaban masih pada tahap awal, dan strategi yang lebih maju diperlukan untuk mengatasi masalah ini.
Kesimpulannya, peningkatan kinerja deteksi (misalnya, sensitivitas, selektivitas, suhu operasi optimal rendah) telah dicapai dengan membuat struktur heteronano MOS, dan berbagai mekanisme deteksi yang ditingkatkan telah diusulkan.Saat mempelajari mekanisme penginderaan sensor tertentu, struktur geometris perangkat juga harus diperhitungkan.Penelitian bahan penginderaan baru dan penelitian strategi fabrikasi canggih akan diperlukan untuk lebih meningkatkan kinerja sensor gas dan mengatasi tantangan yang tersisa di masa depan.Untuk penyetelan karakteristik sensor yang terkontrol, perlu secara sistematis membangun hubungan antara metode sintetis bahan sensor dan fungsi struktur heteronano.Selain itu, studi reaksi permukaan dan perubahan heterointerfaces menggunakan metode karakterisasi modern dapat membantu menjelaskan mekanisme persepsi mereka dan memberikan rekomendasi untuk pengembangan sensor berdasarkan bahan berstruktur heteronano.Akhirnya, studi tentang strategi fabrikasi sensor modern memungkinkan pembuatan sensor gas mini pada tingkat wafer untuk aplikasi industrinya.
Genzel, NN dkk.Sebuah studi longitudinal tingkat nitrogen dioksida dalam ruangan dan gejala pernapasan pada anak-anak dengan asma di daerah perkotaan.lingkungan.Perspektif kesehatan.116, 1428–1432 (2008).
Waktu posting: Nov-04-2022
