Die Entwicklung leistungsstarker, tragbarer und miniaturisierter Gassensoren findet zunehmend Beachtung in den Bereichen Umweltüberwachung, Sicherheit, medizinische Diagnostik und Landwirtschaft.Unter den verschiedenen Detektionswerkzeugen sind chemoresistive Metalloxid-Halbleiter (MOS)-Gassensoren aufgrund ihrer hohen Stabilität, geringen Kosten und hohen Empfindlichkeit die beliebteste Wahl für kommerzielle Anwendungen.Einer der wichtigsten Ansätze, um die Leistung des Sensors weiter zu verbessern, ist die Herstellung von nanoskaligen MOS-basierten Heteroübergängen (hetero-nanostrukturiertes MOS) aus MOS-Nanomaterialien.Der Sensormechanismus eines heteronanostrukturierten MOS-Sensors unterscheidet sich jedoch von dem eines einzelnen MOS-Gassensors, da er ziemlich komplex ist.Die Sensorleistung wird von verschiedenen Parametern beeinflusst, einschließlich der physikalischen und chemischen Eigenschaften des empfindlichen Materials (wie Korngröße, Defektdichte und Sauerstoffleerstellen im Material), der Betriebstemperatur und der Gerätestruktur.Dieser Aufsatz stellt mehrere Konzepte für die Entwicklung von Hochleistungs-Gassensoren vor, indem der Erfassungsmechanismus von heterogenen nanostrukturierten MOS-Sensoren analysiert wird.Darüber hinaus wird der Einfluss der geometrischen Struktur des Geräts, bestimmt durch die Beziehung zwischen dem sensitiven Material und der Arbeitselektrode, diskutiert.Um das Sensorverhalten systematisch zu untersuchen, stellt dieser Artikel den allgemeinen Wahrnehmungsmechanismus von drei typischen geometrischen Strukturen von Geräten vor, die auf verschiedenen heteronanostrukturierten Materialien basieren.Diese Übersicht dient als Leitfaden für zukünftige Leser, die sich mit den empfindlichen Mechanismen von Gassensoren befassen und Hochleistungs-Gassensoren entwickeln.
Die Luftverschmutzung ist ein zunehmend schwerwiegendes Problem und ein schwerwiegendes globales Umweltproblem, das das Wohlergehen von Menschen und Lebewesen bedroht.Das Einatmen gasförmiger Schadstoffe kann viele Gesundheitsprobleme wie Atemwegserkrankungen, Lungenkrebs, Leukämie und sogar vorzeitigen Tod verursachen1,2,3,4.Von 2012 bis 2016 starben Berichten zufolge Millionen von Menschen an Luftverschmutzung, und jedes Jahr waren Milliarden von Menschen schlechter Luftqualität ausgesetzt5.Daher ist es wichtig, tragbare und miniaturisierte Gassensoren zu entwickeln, die Echtzeit-Feedback und eine hohe Detektionsleistung (z. B. Empfindlichkeit, Selektivität, Stabilität sowie Reaktions- und Erholungszeiten) bieten können.Neben der Umweltüberwachung spielen Gassensoren eine wichtige Rolle in der Sicherheit6,7,8, medizinischen Diagnostik9,10, Aquakultur11 und anderen Bereichen12.
Bis heute wurden mehrere tragbare Gassensoren eingeführt, die auf unterschiedlichen Sensormechanismen basieren, wie optische13,14,15,16,17,18, elektrochemische19,20,21,22 und chemische Widerstandssensoren23,24.Unter ihnen sind chemisch-resistive Metalloxid-Halbleiter (MOS)-Sensoren aufgrund ihrer hohen Stabilität und geringen Kosten die beliebtesten in kommerziellen Anwendungen25,26.Die Schadstoffkonzentration kann einfach durch Erfassen der Änderung des MOS-Widerstands bestimmt werden.In den frühen 1960er Jahren wurde über die ersten chemoresistiven Gassensoren auf der Basis von ZnO-Dünnfilmen berichtet, was großes Interesse auf dem Gebiet der Gasdetektion hervorrief27,28.Heutzutage werden viele verschiedene MOS als gassensitive Materialien verwendet, die aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften in zwei Kategorien eingeteilt werden können: n-Typ-MOS mit Elektronen als Hauptladungsträger und p-Typ-MOS mit Löchern als Hauptladungsträger.Ladungsträger.Im Allgemeinen ist der MOS vom p-Typ weniger beliebt als der MOS vom n-Typ, da die induktive Antwort des MOS vom p-Typ (Sp) proportional zur Quadratwurzel des MOS vom n-Typ ist (\(S_p = \sqrt { S_n}\ ) ) bei gleichen Annahmen (z. B. gleiche morphologische Struktur und gleiche Änderung der Biegung der Bänder in der Luft) 29,30.Allerdings sind Single-Base-MOS-Sensoren in praktischen Anwendungen immer noch mit Problemen wie unzureichender Nachweisgrenze, geringer Empfindlichkeit und Selektivität konfrontiert.Selektivitätsprobleme können bis zu einem gewissen Grad angegangen werden, indem Arrays von Sensoren (als „elektronische Nasen“ bezeichnet) erstellt und Computeranalysealgorithmen wie Trainingsvektorquantisierung (LVQ), Hauptkomponentenanalyse (PCA) und Analyse der partiellen kleinsten Quadrate (PLS) integriert werden31. 32, 33, 34, 35. Darüber hinaus ist die Herstellung von niederdimensionalen MOS32,36,37,38,39 (z. B. eindimensionale (1D), 0D und 2D Nanomaterialien) sowie die Verwendung anderer Nanomaterialien ( B. MOS40,41,42, Edelmetall-Nanopartikel (NPs)43,44, Kohlenstoff-Nanomaterialien45,46 und leitfähige Polymere47,48) zur Erzeugung von Heteroübergängen im Nanomaßstab (dh heteronanostrukturiertes MOS) sind andere bevorzugte Ansätze zur Lösung der obigen Probleme.Im Vergleich zu herkömmlichen dicken MOS-Filmen können niedrigdimensionale MOS mit hoher spezifischer Oberfläche mehr aktive Stellen für die Gasadsorption bereitstellen und die Gasdiffusion erleichtern36,37,49.Darüber hinaus kann das Design von MOS-basierten Heteronanostrukturen den Ladungsträgertransport an der Heteroschnittstelle weiter abstimmen, was zu großen Widerstandsänderungen aufgrund unterschiedlicher Betriebsfunktionen führt50,51,52.Darüber hinaus können einige der chemischen Effekte (z. B. katalytische Aktivität und synergistische Oberflächenreaktionen), die beim Design von MOS-Heteranonanostrukturen auftreten, auch die Sensorleistung verbessern.50,53,54 Obwohl das Design und die Herstellung von MOS-Heteranonanostrukturen ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung wäre Sensorleistung verwenden moderne chemoresistive Sensoren in der Regel Trial-and-Error, was zeitaufwändig und ineffizient ist.Daher ist es wichtig, den Sensormechanismus von MOS-basierten Gassensoren zu verstehen, da er das Design von Hochleistungsrichtungssensoren leiten kann.
In den letzten Jahren haben sich MOS-Gassensoren schnell entwickelt und einige Berichte wurden über MOS-Nanostrukturen55,56,57, Raumtemperatur-Gassensoren58,59, spezielle MOS-Sensormaterialien60,61,62 und Spezialgassensoren63 veröffentlicht.Ein Übersichtsartikel in Other Reviews konzentriert sich auf die Aufklärung des Sensormechanismus von Gassensoren basierend auf den intrinsischen physikalischen und chemischen Eigenschaften von MOS, einschließlich der Rolle von Sauerstoffleerstellen 64 , der Rolle von Heteronanostrukturen 55, 65 und des Ladungstransfers an Heterogrenzflächen 66. Außerdem , beeinflussen viele andere Parameter die Sensorleistung, einschließlich Heterostruktur, Korngröße, Betriebstemperatur, Defektdichte, Sauerstoffleerstellen und sogar offene Kristallebenen des empfindlichen Materials25,67,68,69,70,71.72, 73. Die (selten erwähnte) geometrische Struktur des Geräts, die durch die Beziehung zwischen dem Sensormaterial und der Arbeitselektrode bestimmt wird, beeinflusst jedoch auch erheblich die Empfindlichkeit des Sensors74,75,76 (siehe Abschnitt 3 für weitere Einzelheiten) .Kumar et al.77 berichteten über zwei Gassensoren basierend auf demselben Material (z. B. Zweischicht-Gassensoren basierend auf TiO2@NiO und NiO@TiO2) und beobachteten unterschiedliche Änderungen des NH3-Gaswiderstands aufgrund unterschiedlicher Vorrichtungsgeometrien.Daher ist es wichtig, bei der Analyse eines Gassensormechanismus die Struktur des Geräts zu berücksichtigen.In diesem Aufsatz konzentrieren sich die Autoren auf MOS-basierte Erkennungsmechanismen für verschiedene heterogene Nanostrukturen und Gerätestrukturen.Wir glauben, dass diese Übersicht als Leitfaden für Leser dienen kann, die Gasdetektionsmechanismen verstehen und analysieren möchten, und zur Entwicklung zukünftiger Hochleistungs-Gassensoren beitragen kann.
Auf Abb.Fig. 1a zeigt das Grundmodell eines Gaserfassungsmechanismus basierend auf einem einzelnen MOS.Wenn die Temperatur ansteigt, zieht die Adsorption von Sauerstoffmolekülen (O2) auf der MOS-Oberfläche Elektronen aus dem MOS an und bildet anionische Spezies (wie O2- und O-).Dann wird eine Elektronenverarmungsschicht (EDL) für einen MOS vom n-Typ oder eine Löcheransammlungsschicht (HAL) für einen MOS vom p-Typ dann auf der Oberfläche des MOS 15, 23, 78 gebildet MOS bewirkt, dass sich das Leitungsband des Oberflächen-MOS nach oben biegt und eine Potentialbarriere bildet.Wenn der Sensor anschließend dem Zielgas ausgesetzt wird, reagiert das an der Oberfläche des MOS adsorbierte Gas mit ionischen Sauerstoffspezies, wobei es entweder Elektronen anzieht (oxidierendes Gas) oder Elektronen abgibt (reduzierendes Gas).Elektronentransfer zwischen dem Zielgas und dem MOS kann die Breite der EDL oder HAL30,81 anpassen, was zu einer Änderung des Gesamtwiderstands des MOS-Sensors führt.Beispielsweise werden bei einem reduzierenden Gas Elektronen von dem reduzierenden Gas auf einen MOS vom n-Typ übertragen, was zu einer niedrigeren EDL und einem niedrigeren Widerstand führt, was als Sensorverhalten vom n-Typ bezeichnet wird.Wenn im Gegensatz dazu ein p-Typ-MOS einem reduzierenden Gas ausgesetzt wird, das das p-Typ-Empfindlichkeitsverhalten bestimmt, schrumpft die HAL und der Widerstand steigt aufgrund der Elektronenspende.Für oxidierende Gase ist die Sensorreaktion umgekehrt zu der für reduzierende Gase.
Grundlegende Detektionsmechanismen für n-Typ- und p-Typ-MOS für reduzierende und oxidierende Gase b Schlüsselfaktoren und physikalisch-chemische oder Materialeigenschaften, die bei Halbleiter-Gassensoren eine Rolle spielen 89
Abgesehen von dem grundlegenden Detektionsmechanismus sind die Gasdetektionsmechanismen, die in praktischen Gassensoren verwendet werden, ziemlich komplex.Beispielsweise muss die tatsächliche Verwendung eines Gassensors viele Anforderungen (wie Empfindlichkeit, Selektivität und Stabilität) erfüllen, abhängig von den Bedürfnissen des Benutzers.Diese Anforderungen stehen in engem Zusammenhang mit den physikalischen und chemischen Eigenschaften des empfindlichen Materials.Beispielsweise haben Xu et al.71 gezeigt, dass SnO2-basierte Sensoren die höchste Empfindlichkeit erreichen, wenn der Kristalldurchmesser (d) gleich oder kleiner als die doppelte Debye-Länge (λD) von SnO271 ist.Wenn d ≤ 2λD ist, ist SnO2 nach der Adsorption von O2-Molekülen vollständig aufgebraucht und die Reaktion des Sensors auf das reduzierende Gas ist maximal.Darüber hinaus können verschiedene andere Parameter die Sensorleistung beeinflussen, darunter Betriebstemperatur, Kristalldefekte und sogar freiliegende Kristallebenen des Sensormaterials.Insbesondere der Einfluss der Betriebstemperatur erklärt sich aus der möglichen Konkurrenz zwischen den Adsorptions- und Desorptionsraten des Zielgases sowie der Oberflächenreaktivität zwischen adsorbierten Gasmolekülen und Sauerstoffpartikeln4,82.Die Wirkung von Kristalldefekten hängt stark mit dem Gehalt an Sauerstoffleerstellen zusammen [83, 84].Der Betrieb des Sensors kann auch durch unterschiedliche Reaktivität offener Kristallflächen beeinflusst werden67,85,86,87.Offene Kristallebenen mit geringerer Dichte offenbaren mehr unkoordinierte Metallkationen mit höheren Energien, die die Oberflächenadsorption und -reaktivität fördern88.Tabelle 1 listet mehrere Schlüsselfaktoren und ihre zugehörigen verbesserten Wahrnehmungsmechanismen auf.Daher kann durch die Anpassung dieser Materialparameter die Erkennungsleistung verbessert werden, und es ist entscheidend, die Schlüsselfaktoren zu bestimmen, die die Sensorleistung beeinflussen.
Yamazoe89 und Shimanoe et al.68,71 führten eine Reihe von Studien zum theoretischen Mechanismus der Sensorwahrnehmung durch und schlugen drei unabhängige Schlüsselfaktoren vor, die die Sensorleistung beeinflussen, insbesondere Rezeptorfunktion, Wandlerfunktion und Nützlichkeit (Abb. 1b)..Die Rezeptorfunktion bezieht sich auf die Fähigkeit der MOS-Oberfläche, mit Gasmolekülen zu interagieren.Diese Funktion ist eng mit den chemischen Eigenschaften von MOS verbunden und kann durch die Einführung von Fremdakzeptoren (z. B. Metall-NPs und andere MOS) erheblich verbessert werden.Die Wandlerfunktion bezieht sich auf die Fähigkeit, die Reaktion zwischen dem Gas und der MOS-Oberfläche in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das von den Korngrenzen des MOS dominiert wird.Somit wird die sensorische Funktion signifikant durch die Größe der MOC-Partikel und die Dichte fremder Rezeptoren beeinflusst.Katoch et al.90 berichteten, dass die Verringerung der Korngröße von ZnO-SnO2-Nanofibrillen zur Bildung zahlreicher Heteroübergänge und einer erhöhten Sensorempfindlichkeit führte, was mit der Funktionalität des Wandlers übereinstimmt.Wang et al.91 verglichen verschiedene Korngrößen von Zn2GeO4 und zeigten eine 6,5-fache Erhöhung der Sensorempfindlichkeit nach Einführung von Korngrenzen.Der Nutzen ist ein weiterer wichtiger Sensorleistungsfaktor, der die Verfügbarkeit von Gas für die interne MOS-Struktur beschreibt.Wenn Gasmoleküle nicht in den internen MOS eindringen und mit ihm reagieren können, wird die Empfindlichkeit des Sensors reduziert.Die Nützlichkeit hängt eng mit der Diffusionstiefe eines bestimmten Gases zusammen, die von der Porengröße des Sensormaterials abhängt.Sakaiet al.92 modellierten die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber Rauchgasen und stellten fest, dass sowohl das Molekulargewicht des Gases als auch der Porenradius der Sensormembran die Empfindlichkeit des Sensors bei unterschiedlichen Gasdiffusionstiefen in der Sensormembran beeinflussen.Die obige Diskussion zeigt, dass Hochleistungs-Gassensoren entwickelt werden können, indem die Rezeptorfunktion, die Wandlerfunktion und die Nützlichkeit ausbalanciert und optimiert werden.
Die obige Arbeit verdeutlicht den grundlegenden Wahrnehmungsmechanismus eines einzelnen MOS und erörtert mehrere Faktoren, die die Leistung eines MOS beeinflussen.Zusätzlich zu diesen Faktoren können auf Heterostrukturen basierende Gassensoren die Sensorleistung weiter verbessern, indem sie die Sensor- und Rezeptorfunktionen erheblich verbessern.Darüber hinaus können Heteronanostrukturen die Sensorleistung weiter verbessern, indem sie katalytische Reaktionen verstärken, den Ladungstransfer regulieren und mehr Adsorptionsstellen schaffen.Bis heute wurden viele Gassensoren auf der Basis von MOS-Heteranostrukturen untersucht, um Mechanismen für eine verbesserte Sensorik zu diskutieren95,96,97.Milleret al.55 fasste mehrere Mechanismen zusammen, die wahrscheinlich die Empfindlichkeit von Heteronanostrukturen verbessern, darunter oberflächenabhängige, grenzflächenabhängige und strukturabhängige.Darunter ist der grenzflächenabhängige Verstärkungsmechanismus zu kompliziert, um alle Grenzflächenwechselwirkungen in einer Theorie abzudecken, da verschiedene Sensoren auf Basis heteronanostrukturierter Materialien (z. B. nn-Heterojunction, pn-Heterojunction, pp-Heterojunction etc.) verwendet werden können .Schottky-Knoten).Typischerweise enthalten MOS-basierte heteronanostrukturierte Sensoren immer zwei oder mehr fortschrittliche Sensormechanismen98,99,100.Der synergistische Effekt dieser Verstärkungsmechanismen kann den Empfang und die Verarbeitung von Sensorsignalen verbessern.Daher ist das Verständnis des Wahrnehmungsmechanismus von Sensoren, die auf heterogenen nanostrukturierten Materialien basieren, von entscheidender Bedeutung, um Forschern bei der Entwicklung von Bottom-up-Gassensoren gemäß ihren Anforderungen zu helfen.Zusätzlich kann auch die geometrische Struktur der Vorrichtung die Empfindlichkeit des Sensors 74, 75, 76 signifikant beeinflussen. Um das Verhalten des Sensors systematisch zu analysieren, werden die Erfassungsmechanismen von drei Vorrichtungsstrukturen basierend auf unterschiedlichen heteronanostrukturierten Materialien vorgestellt und unten besprochen.
Mit der schnellen Entwicklung von MOS-basierten Gassensoren wurden verschiedene hetero-nanostrukturierte MOS vorgeschlagen.Der Ladungstransfer an der Heterogrenzfläche hängt von den unterschiedlichen Fermi-Niveaus (Ef) der Komponenten ab.An der Heterogrenzfläche bewegen sich Elektronen von einer Seite mit größerem Ef zur anderen Seite mit kleinerem Ef, bis ihre Fermi-Niveaus ein Gleichgewicht erreichen, und Löcher, umgekehrt.Dann werden die Ladungsträger an der Heterogrenzfläche verarmt und bilden eine verarmte Schicht.Sobald der Sensor dem Zielgas ausgesetzt wird, ändert sich die Konzentration der heteronanostrukturierten MOS-Träger, ebenso wie die Barrierenhöhe, wodurch das Detektionssignal verstärkt wird.Darüber hinaus führen unterschiedliche Verfahren zur Herstellung von Heteronanostrukturen zu unterschiedlichen Beziehungen zwischen Materialien und Elektroden, was zu unterschiedlichen Vorrichtungsgeometrien und unterschiedlichen Erfassungsmechanismen führt.In dieser Übersicht schlagen wir drei geometrische Gerätestrukturen vor und diskutieren den Sensormechanismus für jede Struktur.
Obwohl Heteroübergänge eine sehr wichtige Rolle bei der Gasdetektionsleistung spielen, kann die Gerätegeometrie des gesamten Sensors das Detektionsverhalten ebenfalls erheblich beeinflussen, da die Position des Sensorleitungskanals stark von der Gerätegeometrie abhängt.Drei typische Geometrien von MOS-Bauelementen mit Heteroübergang werden hier diskutiert, wie in Abbildung 2 gezeigt. Beim ersten Typ sind zwei MOS-Verbindungen zufällig zwischen zwei Elektroden verteilt, und die Position des leitenden Kanals wird durch den Haupt-MOS bestimmt, beim zweiten durch den Bildung heterogener Nanostrukturen aus verschiedenen MOS, während nur ein MOS mit der Elektrode verbunden ist.Elektrode verbunden ist, befindet sich der leitfähige Kanal normalerweise innerhalb des MOS und ist direkt mit der Elektrode verbunden.Beim dritten Typ werden zwei Materialien separat an zwei Elektroden angebracht, wodurch die Vorrichtung durch einen zwischen den beiden Materialien gebildeten Heteroübergang geführt wird.
Ein Bindestrich zwischen Verbindungen (z. B. „SnO2-NiO“) zeigt an, dass die beiden Komponenten einfach gemischt werden (Typ I).Ein „@“-Zeichen zwischen zwei Anschlüssen (z. B. „SnO2@NiO“) zeigt an, dass das Gerüstmaterial (NiO) für eine Typ-II-Sensorstruktur mit SnO2 dekoriert ist.Ein Schrägstrich (z. B. „NiO/SnO2“) weist auf eine Typ-III-Sensorausführung hin .
Bei Gassensoren auf Basis von MOS-Verbundwerkstoffen werden zwei MOS-Elemente zufällig zwischen den Elektroden verteilt.Zur Herstellung von MOS-Verbundwerkstoffen wurden zahlreiche Herstellungsverfahren entwickelt, darunter Sol-Gel-, Kopräzipitations-, Hydrothermal-, Elektrospinning- und mechanische Mischverfahren98,102,103,104.Vor kurzem wurden metallorganische Gerüste (MOFs), eine Klasse poröser, kristallin strukturierter Materialien aus Metallzentren und organischen Linkern, als Template für die Herstellung poröser MOS-Komposite verwendet105,106,107,108.Es ist erwähnenswert, dass, obwohl der Prozentsatz an MOS-Kompositen gleich ist, die Empfindlichkeitseigenschaften stark variieren können, wenn verschiedene Herstellungsverfahren verwendet werden.109,110 Zum Beispiel stellten Gao et al.109 zwei Sensoren auf Basis von MoO3-SnO2-Kompositen mit demselben Atomverhältnis her (Mo:Sn = 1:1,9) und fanden heraus, dass unterschiedliche Herstellungsverfahren zu unterschiedlichen Empfindlichkeiten führen.Shaposhnik et al.110 berichteten, dass sich die Reaktion von gemeinsam ausgefälltem SnO2-TiO2 zu gasförmigem H2 von der von mechanisch gemischten Materialien unterschied, selbst bei gleichem Sn/Ti-Verhältnis.Dieser Unterschied entsteht, weil die Beziehung zwischen MOP und MOP-Kristallitgröße mit unterschiedlichen Syntheseverfahren variiert109,110.Wenn die Korngröße und -form in Bezug auf die Donordichte und den Halbleitertyp konsistent sind, sollte die Reaktion gleich bleiben, wenn sich die Kontaktgeometrie nicht ändert 110 .Staerzet al.111 berichteten, dass die Erkennungseigenschaften von SnO2-Cr2O3 Kern-Mantel (CSN)-Nanofasern und gemahlenen SnO2-Cr2O3-CSNs nahezu identisch waren, was darauf hindeutet, dass die Nanofasermorphologie keinen Vorteil bietet.
Neben den unterschiedlichen Herstellungsverfahren beeinflussen auch die Halbleitertypen der beiden unterschiedlichen MOSFETs die Empfindlichkeit des Sensors.Es kann weiter in zwei Kategorien unterteilt werden, je nachdem, ob die beiden MOSFETs vom gleichen Halbleitertyp (nn- oder pp-Übergang) oder unterschiedlichen Typen (pn-Übergang) sind.Wenn Gassensoren auf MOS-Verbundwerkstoffen des gleichen Typs basieren, bleibt durch Ändern des Molverhältnisses der zwei MOS die Empfindlichkeitsantwortcharakteristik unverändert, und die Sensorempfindlichkeit variiert in Abhängigkeit von der Anzahl der nn- oder pp-Heteroübergänge.Wenn eine Komponente in dem Verbundstoff vorherrscht (z. B. 0,9 ZnO-0,1 SnO2 oder 0,1 ZnO-0,9 SnO2), wird der Leitungskanal durch das dominante MOS bestimmt, das als Homojunction-Leitungskanal 92 bezeichnet wird.Wenn die Verhältnisse der beiden Komponenten vergleichbar sind, wird angenommen, dass der Leitungskanal von der Heterojunction dominiert wird98,102.Yamazoeet al.112,113, dass der Heterokontaktbereich der beiden Komponenten die Empfindlichkeit des Sensors stark verbessern kann, da die aufgrund der unterschiedlichen Betriebsfunktionen der Komponenten gebildete Heteroübergangsbarriere die Driftmobilität des Elektronen ausgesetzten Sensors effektiv steuern kann.Verschiedene Umgebungsgase 112,113.Auf Abb.Abbildung 3a zeigt, dass Sensoren, die auf hierarchischen SnO2-ZnO-Faserstrukturen mit unterschiedlichen ZnO-Gehalten (von 0 bis 10 Mol-% Zn) basieren, Ethanol selektiv nachweisen können.Unter ihnen zeigte ein Sensor auf Basis von SnO2-ZnO-Fasern (7 mol.% Zn) die höchste Empfindlichkeit aufgrund der Bildung einer großen Anzahl von Heteroübergängen und einer Vergrößerung der spezifischen Oberfläche, was die Funktion des Konverters erhöhte und verbesserte Empfindlichkeit 90 Bei einer weiteren Erhöhung des ZnO-Gehalts auf 10 Mol-% kann das SnO2-ZnO-Komposit mit Mikrostruktur jedoch Oberflächenaktivierungsbereiche umhüllen und die Sensorempfindlichkeit verringern85.Ein ähnlicher Trend wird auch für Sensoren auf Basis von NiO-NiFe2O4 pp-Heterojunction-Verbundwerkstoffen mit unterschiedlichen Fe/Ni-Verhältnissen beobachtet (Abb. 3b)114.
REM-Bilder von SnO2-ZnO-Fasern (7 mol.% Zn) und Sensorreaktion auf verschiedene Gase mit einer Konzentration von 100 ppm bei 260 °C;54b Ansprechverhalten von Sensoren auf Basis von reinem NiO und NiO-NiFe2O4-Kompositen bei 50 ppm verschiedener Gase, 260 °C;114 (c) Schematische Darstellung der Anzahl der Knoten in der xSnO2-(1-x)Co3O4-Zusammensetzung und der entsprechenden Resistenz- und Empfindlichkeitsreaktionen der xSnO2-(1-x)Co3O4-Zusammensetzung pro 10 ppm CO, Aceton, C6H6 und SO2 Gas bei 350 °C durch Änderung des Molverhältnisses von Sn/Co 98
Die pn-MOS-Komposite zeigen je nach Atomverhältnis von MOS115 ein unterschiedliches Empfindlichkeitsverhalten.Im Allgemeinen hängt das sensorische Verhalten von MOS-Verbundwerkstoffen stark davon ab, welches MOS als primärer Leitungskanal für den Sensor fungiert.Daher ist es sehr wichtig, die prozentuale Zusammensetzung und Nanostruktur von Verbundwerkstoffen zu charakterisieren.Kim et al.98 bestätigten diese Schlussfolgerung, indem sie eine Reihe von xSnO2 ± (1-x)Co3O4-Komposit-Nanofasern durch Elektrospinnen synthetisierten und ihre Sensoreigenschaften untersuchten.Sie beobachteten, dass sich das Verhalten des SnO2-Co3O4-Verbundsensors vom n-Typ zum p-Typ änderte, indem der Anteil an SnO2 verringert wurde (Abb. 3c)98.Darüber hinaus zeigten Heterojunction-dominierte Sensoren (basierend auf 0,5 SnO2-0,5 Co3O4) die höchsten Übertragungsraten für C6H6 im Vergleich zu Homojunction-dominierten Sensoren (z. B. Sensoren mit hohem SnO2- oder Co3O4-Gehalt).Der inhärente hohe Widerstand des 0,5 SnO2-0,5 Co3O4-basierten Sensors und seine größere Fähigkeit, den Gesamtsensorwiderstand zu modulieren, tragen zu seiner höchsten Empfindlichkeit gegenüber C6H6 bei.Darüber hinaus können Gitterfehlanpassungsdefekte, die von SnO2-Co3O4-Heterogrenzflächen stammen, bevorzugte Adsorptionsstellen für Gasmoleküle schaffen und dadurch die Sensorreaktion verbessern109,116.
Neben Halbleiter-MOS kann auch das Berührungsverhalten von MOS-Verbundwerkstoffen mithilfe der Chemie von MOS-117 angepasst werden.Huo et al.117 verwendeten eine einfache Soak-Bake-Methode zur Herstellung von Co3O4-SnO2-Kompositen und stellten fest, dass der Sensor bei einem Co/Sn-Molverhältnis von 10 % eine p-Typ-Erkennungsreaktion auf H2 und eine n-Typ-Empfindlichkeit gegenüber aufwies H2.Antwort.Sensorreaktionen auf CO-, H2S- und NH3-Gase sind in Abbildung 4a117 dargestellt.Bei niedrigen Co/Sn-Verhältnissen bilden sich viele Homoübergänge an den SnO2-SnO2-Nanokorngrenzen und zeigen n-Typ-Sensorreaktionen auf H2 (Abb. 4b, c)115.Bei einer Erhöhung des Co/Sn-Verhältnisses bis auf 10 mol.% wurden anstelle von SnO2-SnO2-Homoübergängen viele Co3O4-SnO2-Heteroübergänge gleichzeitig gebildet (Abb. 4d).Da Co3O4 gegenüber H2 inaktiv ist und SnO2 stark mit H2 reagiert, findet die Reaktion von H2 mit ionischen Sauerstoffspezies hauptsächlich an der Oberfläche von SnO2117 statt.Daher bewegen sich Elektronen zu SnO2 und Ef SnO2 verschiebt sich in das Leitungsband, während Ef Co3O4 unverändert bleibt.Infolgedessen steigt der Widerstand des Sensors, was darauf hindeutet, dass Materialien mit einem hohen Co/Sn-Verhältnis ein p-Typ-Sensorverhalten zeigen (Abb. 4e).Im Gegensatz dazu reagieren CO-, H2S- und NH3-Gase mit ionischen Sauerstoffspezies auf den SnO2- und Co3O4-Oberflächen, und Elektronen bewegen sich vom Gas zum Sensor, was zu einer Verringerung der Barrierenhöhe und der n-Typ-Empfindlichkeit führt (Abb. 4f)..Dieses unterschiedliche Sensorverhalten ist auf die unterschiedliche Reaktivität von Co3O4 mit unterschiedlichen Gasen zurückzuführen, was von Yin et al.118 .In ähnlicher Weise haben Katoch et al.119 zeigten, dass SnO2-ZnO-Komposite eine gute Selektivität und eine hohe Empfindlichkeit gegenüber H2 aufweisen.Dieses Verhalten tritt auf, weil H-Atome aufgrund der starken Hybridisierung zwischen dem s-Orbital von H und dem p-Orbital von O leicht an den O-Positionen von ZnO adsorbiert werden können, was zur Metallisierung von ZnO führt120,121.
a Co/Sn-10 % dynamische Widerstandskurven für typische reduzierende Gase wie H2, CO, NH3 und H2S, b, c Diagramm des Co3O4/SnO2-Kompositsensormechanismus für H2 bei niedrigen % m.Co/Sn, df Co3O4 Mechanismus zur Erkennung von H2 und CO, H2S und NH3 mit einem hohen Co/Sn/SnO2-Verbundstoff
Daher können wir die Empfindlichkeit des I-Typ-Sensors verbessern, indem wir geeignete Herstellungsverfahren auswählen, die Korngröße der Verbundstoffe reduzieren und das Molverhältnis der MOS-Verbundstoffe optimieren.Darüber hinaus kann ein tiefes Verständnis der Chemie des empfindlichen Materials die Selektivität des Sensors weiter verbessern.
Sensorstrukturen vom Typ II sind eine weitere beliebte Sensorstruktur, die eine Vielzahl von heterogenen nanostrukturierten Materialien verwenden kann, darunter ein „Master“-Nanomaterial und ein zweites oder sogar drittes Nanomaterial.Zum Beispiel werden eindimensionale oder zweidimensionale Materialien, die mit Nanopartikeln dekoriert sind, Core-Shell- (CS) und mehrschichtige heteronanostrukturierte Materialien üblicherweise in Typ-II-Sensorstrukturen verwendet und werden unten im Detail diskutiert.
Für das erste Heteronanostrukturmaterial (verzierte Heteronanostruktur), wie in Fig. 2b(1) gezeigt, sind die leitenden Kanäle des Sensors durch ein Basismaterial verbunden.Aufgrund der Bildung von Heteroübergängen können modifizierte Nanopartikel reaktivere Stellen für die Gasadsorption oder -desorption bereitstellen und auch als Katalysatoren wirken, um die Sensorleistung zu verbessern109,122,123,124.Yuan et al.41 stellten fest, dass die Dekoration von WO3-Nanodrähten mit CeO2-Nanopunkten mehr Adsorptionsstellen an der CeO2@WO3-Heterogrenzfläche und der CeO2-Oberfläche bereitstellen und mehr chemisorbierte Sauerstoffspezies für die Reaktion mit Aceton erzeugen kann.Gunawan et al.125. Ein ultrahochempfindlicher Acetonsensor auf der Basis von eindimensionalem Au@α-Fe2O3 wurde vorgeschlagen, und es wurde beobachtet, dass die Empfindlichkeit des Sensors durch die Aktivierung von O2-Molekülen als Sauerstoffquelle gesteuert wird.Die Anwesenheit von Au‐NPs kann als Katalysator wirken, der die Dissoziation von Sauerstoffmolekülen in Gittersauerstoff für die Oxidation von Aceton fördert.Ähnliche Ergebnisse wurden von Choi et al.9, wo ein Pt-Katalysator verwendet wurde, um adsorbierte Sauerstoffmoleküle in ionisierte Sauerstoffspezies zu dissoziieren und die empfindliche Reaktion auf Aceton zu verstärken.Im Jahr 2017 zeigte dasselbe Forschungsteam, dass bimetallische Nanopartikel viel effizienter in der Katalyse sind als einzelne Edelmetall-Nanopartikel, wie in Abbildung 5126 gezeigt. 5a ist ein Schema des Herstellungsprozesses für platinbasierte bimetallische (PtM) NPs unter Verwendung von Apoferritin-Zellen mit eine durchschnittliche Größe von weniger als 3 nm.Dann wurden unter Verwendung des Elektrospinnverfahrens PtM@WO3-Nanofasern erhalten, um die Empfindlichkeit und Selektivität für Aceton oder H2S zu erhöhen (Abb. 5b–g).Kürzlich haben Single-Atom-Katalysatoren (SACs) aufgrund der maximalen Effizienz der Verwendung von Atomen und abgestimmten elektronischen Strukturen eine hervorragende katalytische Leistung auf dem Gebiet der Katalyse und Gasanalyse gezeigt127,128.Shinet al.129 verwendeten Pt-SA-verankertes Kohlenstoffnitrid (MCN), SnCl2- und PVP-Nanoblätter als chemische Quellen, um Pt@MCN@SnO2-Inline-Fasern für die Gasdetektion herzustellen.Trotz des sehr geringen Gehalts an Pt@MCN (von 0,13 Gew.-% bis 0,68 Gew.-%) ist die Nachweisleistung von gasförmigem Formaldehyd Pt@MCN@SnO2 anderen Referenzproben (reines SnO2, MCN@SnO2 und Pt NPs@) überlegen. SnO2 )..Diese hervorragende Detektionsleistung kann der maximalen atomaren Effizienz des Pt SA-Katalysators und der minimalen Abdeckung der aktiven SnO2129-Stellen zugeschrieben werden.
Apoferritin-beladenes Verkapselungsverfahren zur Gewinnung von PtM-Apo (PtPd, PtRh, PtNi)-Nanopartikeln;dynamische gassensitive Eigenschaften von bd reinem WO3, PtPd@WO3, PtRn@WO3 und Pt-NiO@WO3 Nanofasern;basierend beispielsweise auf den Selektivitätseigenschaften von PtPd@WO3-, PtRn@WO3- und Pt-NiO@WO3-Nanofasersensoren gegenüber 1 ppm des Quergases 126
Darüber hinaus können zwischen Gerüstmaterialien und Nanopartikeln gebildete Heteroübergänge auch Leitungskanäle durch einen radialen Modulationsmechanismus effektiv modulieren, um die Sensorleistung zu verbessern130,131,132.Auf Abb.Abbildung 6a zeigt die Sensoreigenschaften von reinen SnO2- und Cr2O3@SnO2-Nanodrähten für reduzierende und oxidierende Gase und die entsprechenden Sensormechanismen131.Im Vergleich zu reinen SnO2-Nanodrähten ist die Reaktion von Cr2O3@SnO2-Nanodrähten auf reduzierende Gase stark verbessert, während die Reaktion auf oxidierende Gase verschlechtert ist.Diese Phänomene stehen in engem Zusammenhang mit der lokalen Verzögerung der Leitungskanäle der SnO2-Nanodrähte in radialer Richtung des gebildeten pn-Heteroübergangs.Der Sensorwiderstand kann einfach eingestellt werden, indem die EDL-Breite auf der Oberfläche von reinen SnO2-Nanodrähten geändert wird, nachdem sie reduzierenden und oxidierenden Gasen ausgesetzt wurden.Bei Cr2O3@SnO2-Nanodrähten ist jedoch die anfängliche DEL von SnO2-Nanodrähten in Luft im Vergleich zu reinen SnO2-Nanodrähten erhöht, und der Leitungskanal wird aufgrund der Bildung eines Heteroübergangs unterdrückt.Wenn der Sensor daher einem reduzierenden Gas ausgesetzt wird, werden die eingefangenen Elektronen in die SnO2-Nanodrähte freigesetzt und die EDL wird drastisch reduziert, was zu einer höheren Empfindlichkeit als bei reinen SnO2-Nanodrähten führt.Umgekehrt ist beim Umschalten auf ein oxidierendes Gas die DEL-Ausdehnung begrenzt, was zu einer geringen Empfindlichkeit führt.Ähnliche Ergebnisse zur sensorischen Reaktion wurden von Choi et al. beobachtet, 133 bei denen SnO2-Nanodrähte, die mit WO3-Nanopartikeln vom p-Typ dekoriert waren, eine signifikant verbesserte sensorische Reaktion auf reduzierende Gase zeigten, während n-dekorierte SnO2-Sensoren eine verbesserte Empfindlichkeit gegenüber oxidierenden Gasen aufwiesen.TiO2-Nanopartikel (Abb. 6b) 133. Dieses Ergebnis ist hauptsächlich auf die unterschiedlichen Austrittsarbeiten von SnO2- und MOS (TiO2 oder WO3)-Nanopartikeln zurückzuführen.Bei Nanopartikeln vom p-Typ (n-Typ) dehnt sich der Leitungskanal des Gerüstmaterials (SnO2) in radialer Richtung aus (oder zieht sich zusammen) und dann unter Einwirkung von Reduktion (oder Oxidation) eine weitere Ausdehnung (oder Verkürzung) des Leitungskanals von SnO2 – Rippe ) des Gases ( Abb. 6b).
Radialer Modulationsmechanismus, induziert durch modifizierten LF-MOS.eine Zusammenfassung der Gasreaktionen auf 10 ppm reduzierende und oxidierende Gase basierend auf reinen SnO2- und Cr2O3@SnO2-Nanodrähten und entsprechende schematische Diagramme des Sensormechanismus;und entsprechende Schemata von WO3@SnO2-Nanostäbchen und Detektionsmechanismus133
In Doppelschicht- und Mehrschicht-Heterostrukturvorrichtungen wird der Leitungskanal der Vorrichtung von der Schicht (normalerweise der unteren Schicht) in direktem Kontakt mit den Elektroden dominiert, und der an der Grenzfläche der beiden Schichten gebildete Heteroübergang kann die Leitfähigkeit der unteren Schicht steuern .Wenn daher Gase mit der oberen Schicht in Wechselwirkung treten, können sie die Leitungskanäle der unteren Schicht und den Widerstand 134 der Vorrichtung erheblich beeinflussen.Kumar et al.77 berichteten über das entgegengesetzte Verhalten von TiO2@NiO- und NiO@TiO2-Doppelschichten für NH3.Dieser Unterschied entsteht, weil die Leitungskanäle der beiden Sensoren in Schichten aus unterschiedlichen Materialien (NiO bzw. TiO2) dominieren und dann die Variationen in den darunter liegenden Leitungskanälen unterschiedlich sind77.
Zweischichtige oder mehrschichtige Heteronanostrukturen werden üblicherweise durch Sputtern, Atomlagenabscheidung (ALD) und Zentrifugation hergestellt56,70,134,135,136.Die Filmdicke und die Kontaktfläche der beiden Materialien lassen sich gut steuern.Die Abbildungen 7a und b zeigen NiO@SnO2- und Ga2O3@WO3-Nanofilme, die durch Sputtern für die Ethanoldetektion erhalten wurden135,137.Diese Verfahren erzeugen jedoch im Allgemeinen flache Filme, und diese flachen Filme sind aufgrund ihrer geringen spezifischen Oberfläche und Gasdurchlässigkeit weniger empfindlich als 3D-nanostrukturierte Materialien.Daher wurde auch eine Flüssigphasenstrategie zur Herstellung von Doppelschichtfilmen mit unterschiedlichen Hierarchien vorgeschlagen, um die Wahrnehmungsleistung durch Vergrößerung der spezifischen Oberfläche zu verbessern41,52,138.Zhu et al.139 kombinierten Sputter- und Hydrothermaltechniken, um hochgeordnete ZnO-Nanodrähte über SnO2-Nanodrähten (ZnO@SnO2-Nanodrähte) für die H2S-Detektion herzustellen (Abb. 7c).Seine Reaktion auf 1 ppm H2S ist 1,6-mal höher als die eines Sensors, der auf gesputterten ZnO@SnO2-Nanofilmen basiert.Liuet al.52 berichteten über einen H2S-Hochleistungssensor, bei dem ein zweistufiges chemisches In-situ-Abscheidungsverfahren zur Herstellung hierarchischer SnO2@NiO-Nanostrukturen mit anschließendem thermischen Tempern verwendet wurde (Abb. 10d).Im Vergleich zu herkömmlichen gesputterten SnO2@NiO-Doppelschichtfilmen ist die Empfindlichkeitsleistung der hierarchischen SnO2@NiO-Doppelschichtstruktur aufgrund der Zunahme der spezifischen Oberfläche erheblich verbessert52,137.
Doppelschicht-Gassensor auf Basis von MOS.NiO@SnO2-Nanofilm für den Ethanolnachweis;137b Ga2O3@WO3-Nanofilm für den Ethanolnachweis;135c hochgeordnete hierarchische SnO2@ZnO-Doppelschichtstruktur für die H2S-Detektion;Hierarchische 139d SnO2@NiO-Doppelschichtstruktur zum Nachweis von H2S52.
In Typ-II-Vorrichtungen, die auf Core-Shell-Heteranostrukturen (CSHNs) basieren, ist der Erfassungsmechanismus komplexer, da die Leitungskanäle nicht auf die innere Schale beschränkt sind.Sowohl der Herstellungsweg als auch die Dicke (hs) des Gehäuses können die Position der leitenden Kanäle bestimmen.Wenn beispielsweise Bottom-up-Syntheseverfahren verwendet werden, sind die Leitungskanäle normalerweise auf den inneren Kern beschränkt, der in seiner Struktur zweischichtigen oder mehrschichtigen Vorrichtungsstrukturen ähnlich ist (Abb. 2b(3)) 123, 140, 141, 142, 143. Xu et al.144 berichteten über einen Bottom-up-Ansatz zur Gewinnung von CSHN NiO@α-Fe2O3 und CuO@α-Fe2O3 durch Abscheidung einer Schicht aus NiO- oder CuO-NPs auf α-Fe2O3-Nanostäbchen, bei denen der Leitungskanal durch den zentralen Teil begrenzt war.(Nanostäbchen α-Fe2O3).Liuet al.142 gelang es auch, den Leitungskanal auf den Hauptteil von CSHN TiO2 @ Si zu beschränken, indem TiO2 auf präparierten Anordnungen von Silizium-Nanodrähten abgeschieden wurde.Daher hängt sein Erfassungsverhalten (p-Typ oder n-Typ) nur vom Halbleitertyp des Silizium-Nanodrahts ab.
Die meisten gemeldeten CSHN-basierten Sensoren (Abb. 2b(4)) wurden jedoch hergestellt, indem Pulver des synthetisierten CS-Materials auf Chips übertragen wurden.Dabei wird der Leitungsweg des Sensors durch die Gehäusedicke (hs) beeinflusst.Kims Gruppe untersuchte die Wirkung von hs auf die Gaserkennungsleistung und schlug einen möglichen Erkennungsmechanismus vor100,112,145,146,147,148. Es wird angenommen, dass zwei Faktoren zum Erfassungsmechanismus dieser Struktur beitragen: (1) die radiale Modulation der EDL der Schale und (2) der Verschmierungseffekt des elektrischen Felds (Abb. 8) 145. Die Forscher erwähnten, dass der Leitungskanal der Träger ist meistens auf die Hüllenschicht beschränkt, wenn hs > λD der Hüllenschicht145. Es wird angenommen, dass zwei Faktoren zum Erfassungsmechanismus dieser Struktur beitragen: (1) die radiale Modulation der EDL der Schale und (2) der Verschmierungseffekt des elektrischen Felds (Abb. 8) 145. Die Forscher erwähnten, dass der Leitungskanal der Träger ist meistens auf die Hüllenschicht beschränkt, wenn hs > λD der Hüllenschicht145. 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. Es wird angenommen, dass zwei Faktoren am Wahrnehmungsmechanismus dieser Struktur beteiligt sind: (1) radiale Modulation der EDL der Schale und (2) der Effekt der Unschärfe des elektrischen Felds (Abb. 8) 145. Die Forscher stellten dies fest der Trägerleitungskanal ist hauptsächlich auf die Schale beschränkt, wenn hs > λD Schalen145.Es wird angenommen, dass zwei Faktoren zum Detektionsmechanismus dieser Struktur beitragen: (1) die radiale Modulation der DEL der Schale und (2) der Effekt des Verschmierens des elektrischen Felds (Abb. 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壳层。 > λD145 时，载流子的数量主要局限于壳层。 , Die Forscher stellten fest, dass der Leitungskanal Wenn hs > λD145 der Schale ist, die Anzahl der Ladungsträger hauptsächlich durch die Schale begrenzt wird.Daher überwiegt bei der resistiven Modulation des Sensors auf Basis von CSHN die radiale Modulation des Mantels DEL (Abb. 8a).Bei hs ≤ λD der Schale sind jedoch die von der Schale adsorbierten Sauerstoffteilchen und der am CS-Heteroübergang gebildete Heteroübergang vollständig an Elektronen verarmt. Daher befindet sich der Leitungskanal nicht nur innerhalb der Hüllschicht, sondern auch teilweise im Kernteil, insbesondere wenn hs < λD der Hüllschicht. Daher befindet sich der Leitungskanal nicht nur innerhalb der Hüllschicht, sondern auch teilweise im Kernteil, insbesondere wenn hs < λD der Hüllschicht. Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочечного слоя, но и частично в сердцевинной части, особенно при hs < λD оболочечного слоя. Daher befindet sich der Leitungskanal nicht nur innerhalb der Hüllschicht, sondern auch teilweise im Kernteil, insbesondere bei hs < λD der Hüllschicht.因此，传导通道不仅位于壳层内部，而且部分位于芯部，尤其是当壳层的hs < λD 时。 hs < λD 时。 Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочки, но и частично в сердцевине, особенно при hs < λD об. Daher befindet sich der Leitungskanal nicht nur innerhalb der Schale, sondern teilweise auch im Kern, insbesondere bei hs < λD der Schale.In diesem Fall tragen sowohl die vollständig verarmte Elektronenhülle als auch die teilweise verarmte Kernschicht dazu bei, den Widerstand des gesamten CSHN zu modulieren, was zu einem elektrischen Feldschwanzeffekt führt (Abb. 8b).Einige andere Studien haben das EDL-Volumenfraktionskonzept anstelle eines elektrischen Feldschwanzes verwendet, um den hs-Effekt zu analysieren100,148.Unter Berücksichtigung dieser beiden Beiträge erreicht die Gesamtmodulation des CSHN-Widerstands ihren größten Wert, wenn hs vergleichbar mit dem Mantel λD ist, wie in Fig. 8c gezeigt.Daher kann das optimale hs für CSHN nahe an der Schale λD liegen, was mit experimentellen Beobachtungen übereinstimmt99,144,145,146,149.Mehrere Studien haben gezeigt, dass hs auch die Empfindlichkeit von CSHN-basierten pn-Heterojunction-Sensoren beeinflussen kann40,148.Liet al.148 und Bai et al.40 untersuchten systematisch die Wirkung von hs auf die Leistung von CSHN-Sensoren mit pn-Heteroübergang, wie z. B. TiO2@CuO und ZnO@NiO, indem sie den Mantel-ALD-Zyklus änderten.Infolgedessen änderte sich das sensorische Verhalten mit zunehmendem hs vom p-Typ zum n-Typ40,148.Dieses Verhalten ist darauf zurückzuführen, dass Heterostrukturen zunächst (mit einer begrenzten Anzahl von ALD-Zyklen) als modifizierte Heteronanostrukturen betrachtet werden können.Somit wird der Leitungskanal durch die Kernschicht (MOSFET vom p-Typ) begrenzt, und der Sensor zeigt ein Detektionsverhalten vom p-Typ.Wenn die Anzahl der ALD-Zyklen zunimmt, wird die Mantelschicht (n-Typ-MOSFET) quasi-kontinuierlich und wirkt als Leitungskanal, was zu einer n-Typ-Empfindlichkeit führt.Ein ähnliches sensorisches Übergangsverhalten wurde für pn-verzweigte Heteronanostrukturen 150,151 berichtet.Zhouet al.150 untersuchten die Empfindlichkeit von verzweigten Zn2SnO4@Mn3O4-Heteranostrukturen durch Steuerung des Zn2SnO4-Gehalts auf der Oberfläche von Mn3O4-Nanodrähten.Wenn sich Zn2SnO4-Keime auf der Mn3O4-Oberfläche bildeten, wurde eine Empfindlichkeit vom p-Typ beobachtet.Bei einer weiteren Erhöhung des Zn2SnO4-Gehalts schaltet der Sensor auf Basis verzweigter Zn2SnO4@Mn3O4-Heteranostrukturen auf das n-Typ-Sensorverhalten um.
Eine konzeptionelle Beschreibung des zweifunktionalen Sensormechanismus von CS-Nanodrähten wird gezeigt.a Widerstandsmodulation durch radiale Modulation elektronenarmer Schalen, b negativer Effekt des Schmierens auf die Widerstandsmodulation und c Gesamtwiderstandsmodulation von CS-Nanodrähten durch eine Kombination beider Effekte 40
Zusammenfassend weisen Typ-II-Sensoren viele verschiedene hierarchische Nanostrukturen auf, und die Sensorleistung hängt stark von der Anordnung der leitfähigen Kanäle ab.Daher ist es entscheidend, die Position des Leitungskanals des Sensors zu kontrollieren und ein geeignetes heteronanostrukturiertes MOS-Modell zu verwenden, um den erweiterten Erfassungsmechanismus von Typ-II-Sensoren zu untersuchen.
Sensorstrukturen vom Typ III sind nicht sehr verbreitet, und der Leitungskanal basiert auf einem Heteroübergang, der zwischen zwei Halbleitern gebildet wird, die jeweils mit zwei Elektroden verbunden sind.Einzigartige Vorrichtungsstrukturen werden normalerweise durch Mikrobearbeitungstechniken erhalten, und ihre Erfassungsmechanismen unterscheiden sich stark von den vorherigen zwei Sensorstrukturen.Die IV-Kurve eines Typ-III-Sensors weist aufgrund der Bildung von Heteroübergängen typischerweise typische Gleichrichtungseigenschaften auf48,152,153.Die IV-Kennlinie eines idealen Heteroübergangs kann durch den thermionischen Mechanismus der Elektronenemission über die Höhe der Heteroübergangsbarriere beschrieben werden152,154,155.
wobei Va die Vorspannung ist, A die Vorrichtungsfläche ist, k die Boltzmann-Konstante ist, T die absolute Temperatur ist, q die Trägerladung ist, Jn und Jp die Loch- bzw. Elektronendiffusionsstromdichten sind.IS stellt den umgekehrten Sättigungsstrom dar, definiert als: 152.154.155
Daher hängt der Gesamtstrom des pn-Heteroübergangs von der Änderung der Ladungsträgerkonzentration und der Änderung der Höhe der Barriere des Heteroübergangs ab, wie in den Gleichungen (3) und (4) gezeigt 156
wobei nn0 und pp0 die Konzentration von Elektronen (Löchern) in einem n-Typ (p-Typ) MOS sind, \(V_{bi}^0\) das eingebaute Potential ist, Dp (Dn) der Diffusionskoeffizient von ist Elektronen (Löcher), Ln (Lp) ist die Diffusionslänge von Elektronen (Löchern), ΔEv (ΔEc) ist die Energieverschiebung des Valenzbandes (Leitungsband) am Heteroübergang.Obwohl die Stromdichte proportional zur Ladungsträgerdichte ist, ist sie exponentiell umgekehrt proportional zu \(V_{bi}^0\).Daher hängt die Gesamtänderung der Stromdichte stark von der Modulation der Höhe der Heteroübergangsbarriere ab.
Wie oben erwähnt, kann die Herstellung von hetero-nanostrukturierten MOSFETs (z. B. Vorrichtungen vom Typ I und Typ II) die Leistung des Sensors erheblich verbessern, anstatt einzelner Komponenten.Und für Bauelemente vom Typ III kann die Reaktion der Heteronanostruktur je nach chemischer Zusammensetzung des Materials höher als zwei Komponenten48,153 oder höher als eine Komponente76 sein.Mehrere Berichte haben gezeigt, dass die Reaktion von Heteronanostrukturen viel höher ist als die einer einzelnen Komponente, wenn eine der Komponenten gegenüber dem Zielgas unempfindlich ist48,75,76,153.In diesem Fall tritt das Zielgas nur mit der sensitiven Schicht in Wechselwirkung und bewirkt eine Verschiebung Ef der sensitiven Schicht und eine Änderung der Höhe der Heteroübergangsbarriere.Dann ändert sich der Gesamtstrom des Geräts erheblich, da er gemäß der Gleichung umgekehrt zur Höhe der Heterojunction-Barriere steht.(3) und (4) 48,76,153.Wenn jedoch sowohl n-Typ- als auch p-Typ-Komponenten empfindlich auf das Zielgas reagieren, kann die Detektionsleistung irgendwo dazwischen liegen.José et al.76 stellten einen porösen NiO/SnO2-Film-NO2-Sensor durch Sputtern her und stellten fest, dass die Sensorempfindlichkeit nur höher war als die des NiO-basierten Sensors, aber niedriger als die des SnO2-basierten Sensors.Sensor.Dieses Phänomen ist darauf zurückzuführen, dass SnO2 und NiO entgegengesetzte Reaktionen zu NO276 zeigen.Da die beiden Komponenten unterschiedliche Gasempfindlichkeiten haben, können sie auch die gleiche Tendenz haben, oxidierende und reduzierende Gase zu erkennen.Kwon et al.157 schlugen einen NiO/SnO2-pn-Heteroübergangs-Gassensor durch schräges Sputtern vor, wie in Fig. 9a gezeigt.Interessanterweise zeigte der NiO/SnO2-pn-Heteroübergangssensor denselben Empfindlichkeitstrend für H2 und NO2 (Abb. 9a).Um dieses Ergebnis zu lösen, haben Kwon et al.157 untersuchte systematisch, wie NO2 und H2 die Ladungsträgerkonzentrationen ändern und stimmte \(V_{bi}^0\) beider Materialien unter Verwendung von IV-Charakteristika und Computersimulationen ab (Abb. 9bd).Die Abbildungen 9b und c demonstrieren die Fähigkeit von H2 und NO2, die Ladungsträgerdichte von Sensoren basierend auf p-NiO (pp0) bzw. n-SnO2 (nn0) zu verändern.Sie zeigten, dass sich pp0 von NiO vom p-Typ in der NO2-Umgebung leicht veränderte, während er sich in der H2-Umgebung dramatisch veränderte (Abb. 9b).Für SnO2 vom n-Typ verhält sich nn0 jedoch umgekehrt (Abb. 9c).Basierend auf diesen Ergebnissen schlossen die Autoren, dass, wenn H2 auf den Sensor basierend auf dem NiO/SnO2-pn-Heteroübergang aufgebracht wurde, eine Erhöhung von nn0 zu einer Erhöhung von Jn führte und \(V_{bi}^0\) zu a führte Abnahme der Reaktion (Abb. 9d).Nach NO2-Exposition führen sowohl eine große Abnahme von nn0 in SnO2 als auch eine kleine Zunahme von pp0 in NiO zu einer großen Abnahme von \(V_{bi}^0\), was für eine Zunahme der sensorischen Reaktion sorgt (Abb. 9d ) 157 Zusammenfassend führen Änderungen in der Konzentration von Ladungsträgern und \(V_{bi}^0\) zu Änderungen im Gesamtstrom, was die Detektionsfähigkeit weiter beeinflusst.
Der Sensormechanismus des Gassensors basiert auf der Struktur des Gerätes vom Typ III.Rasterelektronenmikroskopie (SEM)-Querschnittsbilder, p-NiO/n-SnO2-Nanospulenvorrichtung und Sensoreigenschaften des p-NiO/n-SnO2-Nanospulen-Heteroübergangssensors bei 200 °C für H2 und NO2;b , SEM-Querschnitt einer c-Vorrichtung und Simulationsergebnisse einer Vorrichtung mit einer p-NiO-b-Schicht und einer n-SnO 2 -c-Schicht.Der b p-NiO-Sensor und der c n-SnO2-Sensor messen und gleichen die I–V-Kennlinien in trockener Luft und nach Einwirkung von H2 und NO2 ab.Eine zweidimensionale Karte der b-Loch-Dichte in p-NiO und eine Karte der c-Elektronen in der n-SnO2-Schicht mit einer Farbskala wurden mit der Sentaurus TCAD-Software modelliert.d Simulationsergebnisse, die eine 3D-Karte von p-NiO/n-SnO2 in trockener Luft, H2 und NO2157 in der Umgebung zeigen.
Zusätzlich zu den chemischen Eigenschaften des Materials selbst demonstriert die Struktur des Typ-III-Geräts die Möglichkeit, Gassensoren mit eigener Stromversorgung herzustellen, was mit Typ-I- und Typ-II-Geräten nicht möglich ist.Aufgrund ihres inhärenten elektrischen Felds (BEF) werden pn-Heterojunction-Diodenstrukturen üblicherweise zum Bau von Photovoltaikgeräten verwendet und zeigen Potenzial für die Herstellung von photoelektrischen Gassensoren mit eigener Stromversorgung bei Raumtemperatur unter Beleuchtung74,158,159,160,161.BEF an der Heterogrenzfläche, verursacht durch den Unterschied in den Fermi-Niveaus der Materialien, trägt ebenfalls zur Trennung von Elektron-Loch-Paaren bei.Der Vorteil eines energieautarken photovoltaischen Gassensors ist sein geringer Stromverbrauch, da er die Energie des Beleuchtungslichts absorbieren und sich selbst oder andere Miniaturgeräte steuern kann, ohne dass eine externe Stromquelle erforderlich ist.Beispielsweise haben Tanuma und Sugiyama162 NiO/ZnO-pn-Heteroübergänge als Solarzellen hergestellt, um SnO2-basierte polykristalline CO2-Sensoren zu aktivieren.Gadet al.74 berichteten über einen photovoltaischen Gassensor mit eigener Stromversorgung, der auf einem Si/ZnO@CdS-pn-Heteroübergang basiert, wie in Fig. 10a gezeigt.Vertikal ausgerichtete ZnO-Nanodrähte wurden direkt auf Siliziumsubstraten vom p-Typ gezüchtet, um Si/ZnO-pn-Heteroübergänge zu bilden.Dann wurden CdS-Nanopartikel auf der Oberfläche von ZnO-Nanodrähten durch chemische Oberflächenmodifikation modifiziert.Auf Abb.10a zeigt Offline-Si/ZnO@CdS-Sensorantwortergebnisse für O 2 und Ethanol.Unter Beleuchtung steigt die Leerlaufspannung (Voc) aufgrund der Trennung von Elektron-Loch-Paaren während des BEP an der Si/ZnO-Heterogrenzfläche linear mit der Anzahl der angeschlossenen Dioden74,161.Voc kann durch eine Gleichung dargestellt werden.(5) 156,
wobei ND, NA und Ni die Konzentrationen von Donatoren, Akzeptoren bzw. intrinsischen Ladungsträgern sind und k, T und q die gleichen Parameter wie in der vorherigen Gleichung sind.Wenn sie oxidierenden Gasen ausgesetzt werden, extrahieren sie Elektronen aus ZnO-Nanodrähten, was zu einer Abnahme von \(N_D^{ZnO}\) und Voc führt.Umgekehrt führte eine Gasreduktion zu einem Anstieg von Voc (Abb. 10a).Beim Dekorieren von ZnO mit CdS-Nanopartikeln werden durch Licht angeregte Elektronen in CdS-Nanopartikeln in das Leitungsband von ZnO injiziert und interagieren mit dem adsorbierten Gas, wodurch die Wahrnehmungseffizienz erhöht wird74,160.Ein ähnlicher selbstversorgter photovoltaischer Gassensor auf Basis von Si/ZnO wurde von Hoffmann et al.160, 161 (Abb. 10b).Dieser Sensor kann unter Verwendung einer Reihe von Amin-funktionalisierten ZnO-Nanopartikeln ([3-(2-Aminoethylamino)propyl]trimethoxysilan) (Amino-funktionalisiertes SAM) und Thiol ((3-Mercaptopropyl)-funktionalisiert, um die Austrittsarbeit anzupassen, hergestellt werden des Zielgases zum selektiven Nachweis von NO2 (Trimethoxysilan) (Thiol-funktionalisiertes SAM)) (Abb. 10b) 74.161.
Ein photoelektrischer Gassensor mit eigener Stromversorgung, der auf der Struktur eines Typ-III-Geräts basiert.ein autarker photovoltaischer Gassensor auf Basis von Si/ZnO@CdS, autarker Sensormechanismus und Sensorreaktion auf oxidierte (O2) und reduzierte (1000 ppm Ethanol) Gase unter Sonnenlicht;74b Energieautarker photovoltaischer Gassensor basierend auf Si-ZnO/ZnO-Sensoren und Sensorreaktionen auf verschiedene Gase nach Funktionalisierung von ZnO-SAM mit endständigen Aminen und Thiolen 161
Daher ist es bei der Diskussion des empfindlichen Mechanismus von Typ-III-Sensoren wichtig, die Änderung der Höhe der Heteroübergangsbarriere und die Fähigkeit des Gases, die Ladungsträgerkonzentration zu beeinflussen, zu bestimmen.Darüber hinaus kann die Beleuchtung photogenerierte Ladungsträger erzeugen, die mit Gasen reagieren, was für die autarke Gasdetektion vielversprechend ist.
Wie in diesem Literaturüberblick erörtert, wurden viele verschiedene MOS-Heteranonanostrukturen hergestellt, um die Sensorleistung zu verbessern.Die Web of Science-Datenbank wurde nach verschiedenen Schlüsselwörtern (Metalloxid-Verbundwerkstoffe, Kern-Mantel-Metalloxide, geschichtete Metalloxide und selbstversorgte Gasanalysatoren) sowie nach charakteristischen Merkmalen (Häufigkeit, Empfindlichkeit/Selektivität, Stromerzeugungspotenzial, Herstellung) durchsucht. .Methode Die Eigenschaften von drei dieser drei Geräte sind in Tabelle 2 dargestellt. Das Gesamtdesignkonzept für Hochleistungs-Gassensoren wird diskutiert, indem die drei von Yamazoe vorgeschlagenen Schlüsselfaktoren analysiert werden.Mechanismen für MOS-Heterostruktursensoren Um die Einflussfaktoren auf Gassensoren zu verstehen, wurden verschiedene MOS-Parameter (z. B. Korngröße, Betriebstemperatur, Defekt- und Sauerstoffleerstellendichte, offene Kristallebenen) sorgfältig untersucht.Die Gerätestruktur, die auch für das Erfassungsverhalten des Sensors entscheidend ist, wurde vernachlässigt und selten diskutiert.Diese Übersicht erörtert die zugrunde liegenden Mechanismen zum Erkennen von drei typischen Arten von Gerätestrukturen.
Die Korngrößenstruktur, das Herstellungsverfahren und die Anzahl der Heteroübergänge des Sensormaterials in einem Typ-I-Sensor können die Empfindlichkeit des Sensors stark beeinflussen.Außerdem wird das Verhalten des Sensors auch durch das Molverhältnis der Komponenten beeinflusst.Vorrichtungsstrukturen vom Typ II (dekorative Heteronanostrukturen, zweischichtige oder mehrschichtige Filme, HSSNs) sind die beliebtesten Vorrichtungsstrukturen, die aus zwei oder mehr Komponenten bestehen, und nur eine Komponente ist mit der Elektrode verbunden.Für diese Gerätestruktur ist die Bestimmung der Position der Leitungskanäle und ihrer relativen Änderungen entscheidend für die Untersuchung des Wahrnehmungsmechanismus.Da Vorrichtungen vom Typ II viele verschiedene hierarchische Heteronanostrukturen umfassen, wurden viele verschiedene Erfassungsmechanismen vorgeschlagen.In einer sensorischen Struktur vom Typ III wird der Leitungskanal von einem Heteroübergang dominiert, der an dem Heteroübergang gebildet wird, und der Wahrnehmungsmechanismus ist völlig anders.Daher ist es wichtig, die Änderung der Höhe der Heterojunction-Barriere zu bestimmen, nachdem das Zielgas dem Typ-III-Sensor ausgesetzt wurde.Mit diesem Design können photovoltaische Gassensoren mit eigener Stromversorgung hergestellt werden, um den Stromverbrauch zu reduzieren.Da der derzeitige Herstellungsprozess jedoch ziemlich kompliziert ist und die Empfindlichkeit viel geringer ist als bei herkömmlichen MOS-basierten chemoresistiven Gassensoren, gibt es immer noch große Fortschritte in der Erforschung von energieautarken Gassensoren.
Die Hauptvorteile von Gas-MOS-Sensoren mit hierarchischen Heteronanostrukturen sind die Geschwindigkeit und höhere Empfindlichkeit.Einige Schlüsselprobleme von MOS-Gassensoren (z. B. hohe Betriebstemperatur, Langzeitstabilität, schlechte Selektivität und Reproduzierbarkeit, Feuchtigkeitseffekte usw.) bestehen jedoch noch und müssen angegangen werden, bevor sie in praktischen Anwendungen eingesetzt werden können.Moderne MOS-Gassensoren arbeiten typischerweise bei hohen Temperaturen und verbrauchen viel Strom, was die Langzeitstabilität des Sensors beeinträchtigt.Es gibt zwei übliche Ansätze zur Lösung dieses Problems: (1) Entwicklung von Sensorchips mit geringem Stromverbrauch;(2) Entwicklung neuer empfindlicher Materialien, die bei niedriger Temperatur oder sogar bei Raumtemperatur arbeiten können.Ein Ansatz zur Entwicklung von Low-Power-Sensorchips ist die Minimierung der Sensorgröße durch die Herstellung von Mikroheizplatten auf Basis von Keramik und Silizium163.Mikroheizplatten auf Keramikbasis verbrauchen ungefähr 50–70 mV pro Sensor, während optimierte Mikroheizplatten auf Siliziumbasis nur 2 mW pro Sensor verbrauchen können, wenn sie kontinuierlich bei 300 °C betrieben werden163,164.Die Entwicklung neuer Sensormaterialien ist ein effektiver Weg, um den Stromverbrauch durch Absenken der Betriebstemperatur zu reduzieren und kann auch die Sensorstabilität verbessern.Da die Größe des MOS weiter verringert wird, um die Empfindlichkeit des Sensors zu erhöhen, wird die thermische Stabilität des MOS zu einer größeren Herausforderung, was zu einer Drift des Sensorsignals führen kann165.Außerdem fördert eine hohe Temperatur die Diffusion von Materialien an der Heterogrenzfläche und die Bildung von Mischphasen, was die elektronischen Eigenschaften des Sensors beeinflusst.Die Forscher berichten, dass die optimale Betriebstemperatur des Sensors durch die Auswahl geeigneter Sensormaterialien und die Entwicklung von MOS-Heteranonanostrukturen gesenkt werden kann.Die Suche nach einem Niedertemperaturverfahren zur Herstellung hochkristalliner MOS-Heteranonanostrukturen ist ein weiterer vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der Stabilität.
Die Selektivität von MOS-Sensoren ist ein weiteres praktisches Problem, da verschiedene Gase mit dem Zielgas koexistieren, während MOS-Sensoren oft für mehr als ein Gas empfindlich sind und oft Querempfindlichkeit aufweisen.Daher ist es für praktische Anwendungen entscheidend, die Selektivität des Sensors für das Zielgas sowie für andere Gase zu erhöhen.In den letzten Jahrzehnten wurde die Auswahl teilweise durch den Bau von Arrays von Gassensoren, die als „elektronische Nasen (E-Nose)“ bezeichnet werden, in Kombination mit rechnergestützten Analysealgorithmen wie Trainingsvektorquantisierung (LVQ), Hauptkomponentenanalyse (PCA), usw. z.Sexuelle Probleme.Partial Least Squares (PLS) usw. 31, 32, 33, 34. Zwei Hauptfaktoren (die Anzahl der Sensoren, die eng mit der Art des Sensormaterials zusammenhängen, und die Computeranalyse) sind entscheidend für die Verbesserung der Fähigkeiten elektronischer Nasen Gase zu identifizieren169.Die Erhöhung der Anzahl von Sensoren erfordert jedoch normalerweise viele komplexe Herstellungsprozesse, daher ist es entscheidend, eine einfache Methode zu finden, um die Leistung elektronischer Nasen zu verbessern.Darüber hinaus kann auch die Modifizierung des MOS mit anderen Materialien die Selektivität des Sensors erhöhen.Beispielsweise kann aufgrund der guten katalytischen Aktivität von mit NP Pd modifiziertem MOS ein selektiver Nachweis von H2 erreicht werden.In den letzten Jahren haben einige Forscher die MOS-MOF-Oberfläche beschichtet, um die Sensorselektivität durch Größenausschluss zu verbessern171,172.Inspiriert von dieser Arbeit könnte die Materialfunktionalisierung das Problem der Selektivität irgendwie lösen.Bei der Auswahl des richtigen Materials bleibt jedoch noch viel zu tun.
Die Wiederholbarkeit der Eigenschaften von Sensoren, die unter denselben Bedingungen und Verfahren hergestellt werden, ist eine weitere wichtige Anforderung für die Großserienfertigung und praktische Anwendungen.Typischerweise sind Zentrifugations- und Tauchverfahren kostengünstige Verfahren zur Herstellung von Gassensoren mit hohem Durchsatz.Während dieser Prozesse neigt das empfindliche Material jedoch zur Aggregation und die Beziehung zwischen dem empfindlichen Material und dem Substrat wird schwach68, 138, 168. Als Ergebnis verschlechtern sich die Empfindlichkeit und Stabilität des Sensors erheblich und die Leistung wird reproduzierbar.Andere Herstellungsverfahren wie Sputtern, ALD, gepulste Laserabscheidung (PLD) und physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) ermöglichen die Herstellung von zweischichtigen oder mehrschichtigen MOS-Filmen direkt auf gemusterten Silizium- oder Aluminiumoxidsubstraten.Diese Techniken vermeiden den Aufbau empfindlicher Materialien, gewährleisten die Sensorreproduzierbarkeit und demonstrieren die Machbarkeit einer großtechnischen Produktion von planaren Dünnschichtsensoren.Die Empfindlichkeit dieser flachen Filme ist jedoch aufgrund ihrer kleinen spezifischen Oberfläche und geringen Gasdurchlässigkeit im Allgemeinen viel geringer als die von 3D-nanostrukturierten Materialien41,174.Neue Strategien für das Aufwachsen von MOS-Heteranostrukturen an bestimmten Stellen auf strukturierten Mikroarrays und die präzise Steuerung der Größe, Dicke und Morphologie empfindlicher Materialien sind entscheidend für die kostengünstige Herstellung von Sensoren auf Waferebene mit hoher Reproduzierbarkeit und Empfindlichkeit.Liu et al.174 schlugen eine kombinierte Top-down- und Bottom-up-Strategie zur Herstellung von Kristalliten mit hohem Durchsatz vor, indem Ni(OH)2-Nanowände in situ an bestimmten Stellen gezüchtet wurden..Wafer für Mikrobrenner.
Darüber hinaus ist es wichtig, den Einfluss von Feuchtigkeit auf den Sensor in praktischen Anwendungen zu berücksichtigen.Wassermoleküle können mit Sauerstoffmolekülen um Adsorptionsplätze in Sensormaterialien konkurrieren und die Verantwortung des Sensors für das Zielgas beeinträchtigen.Wasser wirkt wie Sauerstoff als Molekül durch physikalische Sorption und kann auch durch Chemisorption an verschiedenen Oxidationsstationen in Form von Hydroxylradikalen oder Hydroxylgruppen vorliegen.Außerdem ist aufgrund der hohen und schwankenden Feuchtigkeit der Umgebung ein zuverlässiges Ansprechen des Sensors auf das Zielgas ein großes Problem.Mehrere Strategien wurden entwickelt, um dieses Problem anzugehen, wie Gasanreicherung177, Feuchtigkeitskompensation und kreuzreaktive Gittermethoden178 sowie Trocknungsmethoden179,180.Diese Verfahren sind jedoch teuer, komplex und verringern die Empfindlichkeit des Sensors.Es wurden mehrere kostengünstige Strategien vorgeschlagen, um die Auswirkungen von Feuchtigkeit zu unterdrücken.Beispielsweise kann die Dekoration von SnO2 mit Pd-Nanopartikeln die Umwandlung von adsorbiertem Sauerstoff in anionische Partikel fördern, während die Funktionalisierung von SnO2 mit Materialien mit hoher Affinität für Wassermoleküle, wie NiO und CuO, zwei Möglichkeiten sind, um die Feuchtigkeitsabhängigkeit von Wassermolekülen zu verhindern..Sensoren 181, 182, 183. Darüber hinaus kann der Einfluss von Feuchtigkeit auch verringert werden, indem hydrophobe Materialien verwendet werden, um hydrophobe Oberflächen zu bilden36,138,184,185.Die Entwicklung von feuchtigkeitsbeständigen Gassensoren befindet sich jedoch noch in einem frühen Stadium, und es sind fortschrittlichere Strategien erforderlich, um diese Probleme anzugehen.
Zusammenfassend wurden Verbesserungen der Detektionsleistung (z. B. Empfindlichkeit, Selektivität, niedrige optimale Betriebstemperatur) durch Erzeugen von MOS-Heteranonanostrukturen erreicht, und es wurden verschiedene verbesserte Detektionsmechanismen vorgeschlagen.Bei der Untersuchung des Erfassungsmechanismus eines bestimmten Sensors muss auch die geometrische Struktur des Geräts berücksichtigt werden.Die Erforschung neuer Sensormaterialien und die Erforschung fortschrittlicher Fertigungsstrategien werden erforderlich sein, um die Leistung von Gassensoren weiter zu verbessern und verbleibende Herausforderungen in der Zukunft anzugehen.Zur kontrollierten Abstimmung von Sensoreigenschaften ist es notwendig, den Zusammenhang zwischen der Synthesemethode von Sensormaterialien und der Funktion von Heteronanostrukturen systematisch herzustellen.Darüber hinaus kann die Untersuchung von Oberflächenreaktionen und Veränderungen von Heterogrenzflächen mit modernen Charakterisierungsmethoden helfen, die Mechanismen ihrer Wahrnehmung aufzuklären und Empfehlungen für die Entwicklung von Sensoren auf Basis heteronanostrukturierter Materialien geben.Schließlich kann die Untersuchung moderner Sensorherstellungsstrategien die Herstellung von Miniaturgassensoren auf Waferebene für ihre industriellen Anwendungen ermöglichen.
Genzel, NN et al.Eine Längsschnittstudie zu Stickstoffdioxidwerten in Innenräumen und Atemwegssymptomen bei Kindern mit Asthma in städtischen Gebieten.Nachbarschaft.Gesundheitliche Perspektive.116, 1428–1432 (2008).
Postzeit: 04. November 2022
