U sviluppu di sensori di gas ad alta prestazione, portatili è miniaturizzati hè guadagnatu una attenzione crescente in i campi di monitoraghju ambientale, sicurità, diagnostica medica è agricultura.Trà i vari strumenti di rilevazione, i sensori di gas chimio-resistivi (MOS) sò l'scelta più populari per l'applicazioni cummerciale per via di a so alta stabilità, u prezzu bassu è a sensibilità alta.Unu di l'avvicinamenti più impurtanti per migliurà ulteriormente u rendiment di u sensoru hè a creazione di heterojunctions basati in MOS nanosized (MOS hetero-nanostrutturatu) da nanomateriali MOS.Tuttavia, u mecanismu di sensazione di un sensore MOS eteronanostrutturatu hè diversu da quellu di un solu sensoru di gas MOS, postu chì hè abbastanza cumplessu.U rendiment di u sensoru hè affettatu da parechji paràmetri, cumprese e proprietà fisiche è chimiche di u materiale sensibile (cum'è a grana di granu, a densità di difetti è i vacanti di l'ossigenu di u materiale), a temperatura di u funziunamentu è a struttura di u dispusitivu.Questa rivista presenta parechji cuncetti per u disignu di sensori di gasu d'altu rendiment analizendu u mecanismu di sensazione di sensori MOS nanostrutturati eterogenei.Inoltre, hè discutitu l'influenza di a struttura geomètrica di u dispusitivu, determinata da a relazione trà u materiale sensitivu è l'elettrodu di travagliu.Per studià sistematicamente u cumpurtamentu di i sensori, stu articulu introduce è discute u mecanismu generale di percepzione di trè strutture geometriche tipiche di i dispositi basati nantu à diversi materiali heteronanostrutturati.Questa panoramica servirà cum'è una guida per i futuri lettori chì studianu i meccanismi sensittivi di i sensori di gas è sviluppanu sensori di gas d'altu rendiment.
A contaminazione di l'aria hè un prublema sempre più seriu è un seriu prublema ambientale glubale chì minaccia u benessere di e persone è di l'esseri viventi.L'inalazione di contaminanti gassosi pò causà assai prublemi di salute, cum'è malatie respiratorie, cancru di pulmone, leucemia è ancu morte prematura1,2,3,4.Da u 2012 à u 2016, milioni di persone sò stati signalati chì anu mortu da a contaminazione di l'aria, è ogni annu, miliardi di persone sò stati esposti à una qualità di l'aria povera5.Dunque, hè impurtante di sviluppà sensori di gas portatili è miniaturizzati chì ponu furnisce un feedback in tempu reale è un altu rendiment di rilevazione (per esempiu, sensibilità, selettività, stabilità è tempi di risposta è di ricuperazione).In più di u monitoraghju ambientale, i sensori di gas ghjucanu un rolu vitale in a sicurità6,7,8, diagnostica medica9,10, acquacultura11 è altri campi12.
Finu a data, sò stati introdotti parechji sensori di gas portatili basati nantu à diversi meccanismi di sensazione, cum'è otticu13,14,15,16,17,18, electrochemical19,20,21,22 è sensori resistivi chimichi23,24.Frà elli, i sensori resistivi chimichi di l'ossidu di metallu-semiconductor (MOS) sò i più populari in l'applicazioni cummerciale per via di a so alta stabilità è u prezzu bassu25,26.A cuncentrazione di contaminanti pò esse determinata solu per deteczione di u cambiamentu in a resistenza MOS.À l'iniziu di l'anni 1960, i primi sensori di gas chimio-resistivi basati in filmi sottili di ZnO sò stati rappurtati, generendu un grande interessu in u campu di a rilevazione di gas27,28.Oghje, parechji MOS diffirenti sò usati cum'è materiali sensibili à u gasu, è ponu esse divisi in duie categurie basate nantu à e so proprietà fisiche: MOS n-tipu cù l'elettroni cum'è i trasportatori di carica di a maiò parte è MOS di tipu p cù i buchi cum'è i trasportatori di carica di a maiò.trasportatori di carica.In generale, u MOS di p-tipu hè menu populari cà u MOS di n-tipu perchè a risposta induttiva di u MOS di p-tipu (Sp) hè proporzionale à a radica quadrata di u MOS di n-tipu (\(S_p = \sqrt { S_n}\ ) ) à i stessi ipotesi (per esempiu, a listessa struttura morfologica è u listessu cambiamentu in a curvatura di e bande in l'aria) 29,30.In ogni casu, i sensori MOS di una sola basa anu sempre affruntà prublemi cum'è limitu di rilevazione insufficiente, bassa sensibilità è selettività in applicazioni pratiche.I prublemi di selettività ponu esse affrontati in una certa misura creendu arrays di sensori (chjamati "nasi elettronici") è incorporendu algoritmi di analisi computazionale cum'è a quantizazione di vettore di furmazione (LVQ), l'analisi di cumpunenti principali (PCA) è l'analisi di i minimi quadrati parziali (PLS)31 , 32, 33, 34, 35. Inoltre, a produzzione di MOS32,36,37,38,39 di dimensione bassu (per esempiu, nanomateriali unidimensionali (1D), 0D è 2D), è ancu l'usu di altri nanomateriali ( per esempiu MOS40,41,42 , nanoparticelle di metalli nobili (NPs))43,44, nanomateriali di carbonu45,46 è polimeri conduttivi47,48) per creà heterojunctions nanoscale (ie, MOS heteronanostructured) sò altri approcci preferiti per risolve i prublemi sopra.In cunfrontu cù i filmi MOS spessi tradiziunali, i MOS di dimensioni bassu cù una superficia specifica alta ponu furnisce siti più attivi per l'adsorption di gas è facilità a diffusione di gas36,37,49.Inoltre, u disignu di heteronanostrutture basate in MOS pò sintonizà ancu u trasportu di u trasportatore à l'heterointerfaccia, chì risultanu in grandi cambiamenti di resistenza per via di diverse funzioni operative50,51,52.Inoltre, alcuni di l'effetti chimichi (per esempiu, attività catalitica è reazzioni di superficia sinergica) chì si trovanu in u disignu di l'eteronanostrutture MOS ponu ancu migliurà u rendiment di u sensoru. u rendiment di u sensoru, i sensori muderni di chimio-resistivi tipicamente utilizanu prucessu è errore, chì hè assai tempu è inefficiente.Dunque, hè impurtante capisce u mecanismu di sensazione di i sensori di gas basati in MOS, postu chì pò guidà u disignu di sensori direzionali di altu rendiment.
Nta l'ultimi anni, i sensori di gas MOS anu sviluppatu rapidamente è alcuni rapporti sò stati publicati nantu à nanostrutture MOS55,56,57, sensori di gas di temperatura di l'ambienti58,59, materiali speciali di sensori MOS60,61,62 è sensori di gas speciali63.Un documentu di rivista in Other Reviews si focalizeghja nantu à l'elucidazione di u mecanismu di sensazione di i sensori di gas basatu nantu à e proprietà fisiche è chimiche intrinseche di MOS, cumpresu u rolu di vacanti d'ossigenu 64, u rolu di heteronanostructures 55, 65 è trasferimentu di carica à heterointerfaces 66. In più , assai altri paràmetri affettanu u rendiment di u sensoru, cumprese l'eterostruttura, a dimensione di granu, a temperatura di u funziunamentu, a densità di difetti, i vacanti di l'ossigenu, è ancu i piani di cristalli aperti di u materiale sensitivu25,67,68,69,70,71.72, 73. Tuttavia, a struttura geomètrica (raramente citata) di u dispusitivu, determinata da a relazione trà u materiale di sensazione è l'elettrodu di travagliu, affetta ancu significativamente a sensibilità di u sensor74,75,76 (vede a sezione 3 per più dettagli) .Per esempiu, Kumar et al.77 hà riportatu dui sensori di gas basati nantu à u stessu materiale (per esempiu, sensori di gas à dui strati basati in TiO2@NiO è NiO@TiO2) è anu osservatu cambiamenti diffirenti in a resistenza di gas NH3 per via di diverse geometrie di u dispusitivu.Per quessa, quandu analizà un mecanismu di sensazione di gas, hè impurtante piglià in contu a struttura di u dispusitivu.In questa rivista, l'autori si concentranu nantu à i meccanismi di rilevazione basati in MOS per diverse nanostrutture eterogenee è strutture di dispositivi.Cridemu chì sta rivista pò serve cum'è una guida per i lettori chì vulianu capisce è analizà i meccanismi di rilevazione di gasu è ponu cuntribuisce à u sviluppu di futuri sensori di gas di altu rendiment.
Nantu à fig.1a mostra u mudellu di basa di un mecanismu di sensazione di gas basatu annantu à un unicu MOS.Quandu a temperatura aumenta, l'adsorption di molécule d'ossigenu (O2) nantu à a superficia MOS attraerà l'elettroni da u MOS è formanu spezie anioniche (cum'è O2- è O-).Allora, una strata di deplezione di l'elettroni (EDL) per un MOS di n-tipu o una capa d'accumulazione di buchi (HAL) per un MOS di p-tipu hè allora furmatu nantu à a superficia di u MOS 15, 23, 78. L'interazzione trà O2 è u MOS. MOS face chì a banda di cunduzzione di a superficia MOS si piega in sopra è forma una barriera potenziale.In seguitu, quandu u sensoru hè espostu à u gasu di destinazione, u gasu adsorbitu nantu à a superficia di u MOS reagisce cù spezie di l'ossigenu ionicu, sia attraendu elettroni (gas oxidizante) sia donate elettroni (gas riduzzione).U trasferimentu di l'elettroni trà u gasu di destinazione è u MOS pò aghjustà a larghezza di l'EDL o HAL30,81 chì risultatu in un cambiamentu in a resistenza generale di u sensor MOS.Per esempiu, per un gasu di riduzzione, l'elettroni seranu trasferiti da u gasu di riduzzione à un MOS di n-tipu, risultatu in un EDL più bassu è una resistenza più bassa, chì hè chjamatu cum'è comportamentu di sensor n-type.In cuntrastu, quandu un MOS di p-tipu hè espostu à un gasu riduzzione chì determina u cumpurtamentu di sensibilità di p-tipu, l'HAL si riduce è a resistenza aumenta per via di a donazione di l'elettroni.Per i gasi ossidanti, a risposta di u sensoru hè opposta à quella per i gasi di riduzzione.
Meccanismi basi di rilevazione per MOS n-tip è p-tip per riducendu è ossidendu i gasi b Fattori chjave è proprietà fisico-chimiche o materiali implicati in sensori di gas semiconductor 89
In più di u mecanismu di rilevazione di basa, i meccanismi di rilevazione di gas usati in i sensori di gas pratichi sò abbastanza cumplessi.Per esempiu, l'usu propiu di un sensoru di gasu deve risponde à parechje esigenze (cum'è a sensibilità, a selettività è a stabilità) secondu i bisogni di l'utilizatori.Queste esigenze sò strettamente ligati à e proprietà fisiche è chimiche di u materiale sensibile.Per esempiu, Xu et al.71 hà dimustratu chì i sensori basati in SnO2 ghjunghjenu a sensibilità più alta quandu u diametru di u cristallu (d) hè uguale o menu di duie volte a durata di Debye (λD) di SnO271.Quandu d ≤ 2λD, SnO2 hè cumplettamente sguassatu dopu l'adsorption di molécule O2, è a risposta di u sensoru à u gasu riducente hè massima.Inoltre, parechji altri paràmetri ponu influenzà u rendiment di u sensoru, cumprese a temperatura operativa, i difetti di cristalli, è ancu i piani di cristalli esposti di u materiale di sensazione.In particulare, l'influenza di a temperatura di u funziunamentu hè spiegata da a pussibuli cumpetizione trà i tassi di adsorption è desorption di u gasu di destinazione, è ancu a reattività di a superficia trà e molécule di gas adsorbite è particeddi d'ossigenu4,82.L'effettu di i difetti di cristalli hè fermamente ligatu à u cuntenutu di i vacanti di l'ossigenu [83, 84].U funziunamentu di u sensoru pò ancu esse affettatu da diverse reattività di e facce di cristalli aperti67,85,86,87.I piani di cristalli aperti cù densità più bassa rivelanu cationi metallici più scoordinati cù energie più elevate, chì prumove l'adsorzione di a superficia è a reattività88.A Tabella 1 elenca parechji fatturi chjave è i so meccanismi perceptivi migliorati assuciati.Dunque, aghjustendu questi parametri di materiale, u rendiment di rilevazione pò esse migliuratu, è hè criticu per determinà i fatturi chjave chì affettanu u rendiment di u sensoru.
Yamazoe89 è Shimanoe et al.68,71 anu realizatu una quantità di studii nantu à u mecanismu teoricu di a percepzione di u sensoru è pruposti trè fatturi chjave indipindenti chì influenze u performance di u sensoru, specificamente a funzione di u receptore, a funzione di transducer è l'utilità (Fig. 1b)..A funzione di u receptore si riferisce à a capacità di a superficia MOS per interagisce cù e molécule di gas.Questa funzione hè strettamente ligata à e proprietà chimiche di MOS è pò esse migliuratu significativamente introducendu accettatori stranieri (per esempiu, NP di metalli è altri MOS).A funzione di transducer si riferisce à a capacità di cunvertisce a reazzione trà u gasu è a superficia MOS in un signale elettricu duminatu da i cunfini di granu di u MOS.Cusì, a funzione sensoriale hè significativamente affettata da a dimensione di particella MOC è a densità di i receptori stranieri.Katoch et al.90 hà infurmatu chì a riduzzione di granu di granu di nanofibrilli ZnO-SnO2 hà risultatu in a furmazione di numerosi heterojunctions è a sensibilità aumentata di u sensoru, cunsistenti cù a funziunalità di u transducer.Wang et al.91 paragunate diverse granuli di granu di Zn2GeO4 è dimustratu un aumentu di 6,5 volte in a sensibilità di u sensoru dopu l'introduzione di cunfini di granu.L'utilità hè un altru fattore di rendiment di sensori chjave chì descrive a dispunibilità di gas à a struttura interna MOS.Se e molécule di gas ùn ponu micca penetrà è reagisce cù u MOS internu, a sensibilità di u sensoru serà ridutta.L'utilità hè strettamente ligata à a prufundità di diffusione di un gasu particulari, chì dipende da a dimensione di i pori di u materiale sensu.Sakai et al.92 hà modellatu a sensibilità di u sensoru à i gasi di fume è truvaru chì u pesu molekulari di u gasu è u raghju di i pori di a membrana di u sensoru affettanu a sensibilità di u sensore à diverse profondità di diffusione di gas in a membrana di u sensoru.A discussione sopra mostra chì i sensori di gasu di altu rendiment ponu esse sviluppati equilibrendu è ottimisendu a funzione di u receptore, a funzione di trasduttore è l'utilità.
U travagliu sopra chjarifica u mecanismu di percepzione basica di un unicu MOS è discute parechji fatturi chì affettanu u rendiment di un MOS.In più di questi fattori, i sensori di gas basati nantu à l'eterostrutture ponu ancu migliurà a prestazione di i sensori per migliurà significativamente e funzioni di sensori è receptori.Inoltre, l'eteronanostrutture ponu ancu migliurà u rendiment di i sensori, rinfurzendu e reazzioni catalitiche, regulendu u trasferimentu di carica, è creendu più siti di adsorption.Finu a data, parechji sensori di gas basati in heteronanostructures MOS sò stati studiati per discutiri miccanismi per a sensazione rinfurzata95,96,97.Miller et al.55 riassuntu parechji meccanismi chì sò prubabilmente migliurà a sensibilità di l'eteronanostrutture, cumprese dipendente da a superficia, dipendente da l'interfaccia è dipendente da a struttura.Frà elli, u mecanismu di amplificazione dipendente da l'interfaccia hè troppu cumplicatu per copre tutte l'interazzione di l'interfaccia in una teoria, postu chì parechji sensori basati in materiali heteronanostrutturati (per esempiu, nn-heterojunction, pn-heterojunction, pp-heterojunction, etc.) ponu esse usatu. .nodo Schottky).Di genere, i sensori eteronanostrutturati basati in MOS includenu sempre dui o più meccanismi di sensori avanzati98,99,100.L'effettu sinergicu di sti miccanismi di amplificazione pò rinfurzà a ricezione è u processu di i segnali di sensori.Cusì, capisce u miccanisimu di pircizzioni di sensori basatu nantu materiali nanostrutturati eterogeneu hè cruciali per aiutà i circadori à sviluppà sensori di gas in fondu in cunfurmità cù i so bisogni.Inoltre, a struttura geomètrica di u dispusitivu pò ancu influenzà significativamente a sensibilità di u sensoru 74, 75, 76. Per analizà sistematicamente u cumpurtamentu di u sensoru, i meccanismi di sensazione di trè strutture di u dispositivu basati nantu à diversi materiali heteronanostrutturati seranu presentati. è discutitu quì sottu.
Cù u rapidu sviluppu di sensori di gas basati in MOS, sò stati pruposti diversi MOS etero-nanostrutturati.U trasferimentu di carica à l 'heterointerface dipende di i sfarenti livelli Fermi (Ef) di i cumpunenti.À l 'hétérointerface, ilittroni movi da una parte cù un Ef più grande à l'altru latu cù un Ef più chjucu finu à i so livelli Fermi ghjunghje sin'à equilibriu, è buchi, viciversa.Allora i trasportatori à l'heterointerfaccia sò sguassati è formanu una strata depleted.Una volta chì u sensoru hè espostu à u gasu di destinazione, a cuncentrazione di u trasportatore MOS eteronanostrutturatu cambia, cum'è l'altezza di a barriera, aumentendu cusì u segnu di rilevazione.Inoltre, diversi metudi di fabricazione di heteronanostrutture portanu à diverse relazioni trà i materiali è l'elettrodi, chì portanu à diverse geometrie di u dispusitivu è à diversi miccanismi di sensazione.In questa rivista, prupunemu trè strutture geometriche di u dispositivu è discutemu u mecanismu di sensazione per ogni struttura.
Ancu l'eterojunctions ghjucanu un rolu assai impurtante in a performance di rilevazione di gas, a geometria di u dispusitivu di u sensoru tutale pò ancu influenzà significativamente u cumpurtamentu di rilevazione, postu chì a situazione di u canali di cunduzzione di u sensoru hè assai dipendente da a geometria di u dispusitivu.Trè geometrii tipichi di i dispusitivi MOS di heterojunction sò discututi quì, cum'è mostra in a Figura 2. In u primu tipu, duie cunnessione MOS sò distribuite aleatoriamente trà dui elettrodi, è u locu di u canali cunduttivi hè determinatu da u MOS principale, u sicondu hè u MOS. furmazione di nanostrutture eterogenee da diverse MOS, mentre chì un solu MOS hè cunnessu à l'elettrodu.l'elettrodu hè cunnessu, allora u canali cunduttivi hè generalmente situatu in u MOS è hè direttamente cunnessu à l'elettrodu.In u terzu tipu, dui materiali sò attaccati à dui elettrodi separatamente, guidà u dispusitivu attraversu una heterojunction formata trà i dui materiali.
Un trattino trà i composti (per esempiu "SnO2-NiO") indica chì i dui cumpunenti sò simpliciamente mischiati (tipu I).Un segnu "@" trà dui cunnessione (per esempiu "SnO2@NiO") indica chì u materiale di scaffold (NiO) hè decoratu cù SnO2 per una struttura di sensori di tipu II.Un slash (per esempiu "NiO/SnO2") indica un disignu di sensore di tipu III.
Per i sensori di gas basati in compositi MOS, dui elementi MOS sò distribuiti aleatoriamente trà l'elettrodi.Numerosi metudi di fabricazione sò stati sviluppati per preparà i composti MOS, cumprese sol-gel, coprecipitation, hydrothermal, electrospinning, è metudi di mistura meccanica98,102,103,104.Ricertamenti, frameworks metalli-organici (MOF), una classa di materiali strutturati cristallini porosi cumposti da centri metallichi è linkers organici, sò stati utilizati com'è mudelli per a fabricazione di compositi MOS porosi105,106,107,108.Hè da nutà chì, ancu s'è u percentuale di cumposti MOS hè u listessu, e caratteristiche di sensibilità pò varià assai quandu anu utilizatu diversi prucessi di fabricazione. (Mo: Sn = 1:1.9) è truvò chì i metudi di fabricazione diffirenti portanu à diverse sensibilità.Shaposhnik et al.110 hà dettu chì a reazzione di SnO2-TiO2 co-precipitatu à l'H2 gassosa differa da quella di materiali mischiati meccanicamente, ancu à u listessu rapportu Sn/Ti.Sta differenza nasce perchè a relazione trà MOP è MOP crystallite size varieghja cù diversi metudi di sintesi109,110.Quandu u granu è a forma di granu sò cunsistenti in quantu à a densità di u donatore è u tipu di semiconductor, a risposta deve esse a stessa se a geometria di u cuntattu ùn cambia micca 110 .Staerz et al.111 hà riportatu chì e caratteristiche di rilevazione di e nanofibre di SnO2-Cr2O3 core-sheath (CSN) è di SnO2-Cr2O3 CSN sò quasi identiche, suggerendu chì a morfologia di nanofibre ùn offre alcun vantaghju.
In più di i diversi metudi di fabricazione, i tipi di semiconduttori di i dui MOSFET diffirenti affettanu ancu a sensibilità di u sensoru.Pò esse più divisu in duie categurie secondu chì i dui MOSFET sò di u stessu tipu di semiconductor (nn o pp junction) o diversi tipi (pn junction).Quandu i sensori di gas sò basati nantu à i cumposti MOS di u stessu tipu, cambiendu u rapportu molare di i dui MOS, a caratteristica di a risposta di sensibilità resta invariata, è a sensibilità di u sensore varieghja secondu u numeru di nn- o pp-heterojunctions.Quandu un cumpunente predomina in u compostu (per esempiu 0.9 ZnO-0.1 SnO2 o 0.1 ZnO-0.9 SnO2), u canali di cunduzzione hè determinatu da u MOS dominante, chjamatu u canali di cunduzzione di l'omiunction 92 .Quandu i rapporti di i dui cumpunenti sò paragunabili, si assume chì u canali di cunduzzione hè duminatu da l'eterojunction98,102.Yamazoe et al.112,113 hà infurmatu chì a regione heterocontact di i dui cumpunenti pò migliurà assai a sensibilità di u sensoru perchè a barriera heterojunction formata per via di e diverse funzioni operative di i cumpunenti pò cuntrullà in modu efficace a mobilità di deriva di u sensoru esposta à l'elettroni.Diversi gasi ambienti 112,113.Nantu à fig.A figura 3a mostra chì i sensori basati nantu à strutture gerarchiche fibrose SnO2-ZnO cù diversi cuntenuti di ZnO (da 0 à 10 mol % Zn) ponu detect selectivly etanol.À mezu à elli, un sensoru basatu nantu à fibre SnO2-ZnO (7 mol.% Zn) hà dimustratu a sensibilità più altu per via di a furmazione di un gran numaru di heterojunctions è un aumentu di a superficia specifica, chì hà aumentatu a funzione di u cunvertitore è hà migliuratu. sensibilità 90 In ogni casu, cù un incrementu ulteriore di u cuntenutu di ZnO à 10 mol.%, a microstruttura composta SnO2-ZnO pò imballà e zone di attivazione di a superficia è riduce a sensibilità di u sensor85.Una tendenza simili hè ancu osservata per i sensori basati nantu à i cumposti d'heterojunction NiO-NiFe2O4 pp cù diversi rapporti Fe / Ni (Fig. 3b)114.
L'imaghjini SEM di fibri SnO2-ZnO (7 mol.% Zn) è a risposta di u sensoru à diversi gasi cù una cuncentrazione di 100 ppm à 260 ° C;54b Risposte di sensori basati nantu à i cumposti NiO puri è NiO-NiFe2O4 à 50 ppm di diversi gasi, 260 ° C;114 (c) Schema schematicu di u numeru di nodi in a cumpusizioni xSnO2-(1-x)Co3O4 è e reazioni di resistenza è sensibilità currispondenti di a cumpusizioni di xSnO2-(1-x)Co3O4 per 10 ppm CO, acetone, C6H6 è SO2 gasu à 350 ° C cambiendu u rapportu molare di Sn/Co 98
I composti pn-MOS mostranu un cumpurtamentu di sensibilità differente secondu u rapportu atomicu di MOS115.In generale, u cumpurtamentu sensoriale di i composti MOS hè assai dipendente da quale MOS agisce cum'è u canale di cunduzzione primariu per u sensoru.Per quessa, hè assai impurtante di caratterizà a cumpusizioni percentuali è a nanostruttura di i composti.Kim et al.98 cunfirmatu sta cunclusione da sintesi una seria di nanofibers composite xSnO2 ± (1-x)Co3O4 da electrospinning è studià i so proprietà sensori.Anu osservatu chì u cumpurtamentu di u sensoru compostu SnO2-Co3O4 hà cambiatu da n-type à p-type riducendu u percentualità di SnO2 (Fig. 3c) 98.Inoltre, i sensori dominati da l'eterojunction (basatu nantu à 0,5 SnO2-0,5 Co3O4) dimustranu i più alti ritmi di trasmissione per C6H6 cumparatu cù i sensori dominanti di l'homojunction (per esempiu, sensori SnO2 o Co3O4 elevati).L'alta resistenza inherente di u sensoru basatu 0.5 SnO2-0.5 Co3O4 è a so capacità più grande di modulà a resistenza generale di u sensoru cuntribuiscenu à a so più alta sensibilità à C6H6.Inoltre, i difetti di discordanza di lattice originati da l'heterointerfaces SnO2-Co3O4 ponu creà siti d'adsorzione preferenziale per e molécule di gas, aumentendu cusì a risposta di i sensori109,116.
In più di MOS di tipu semiconductor, u cumpurtamentu toccu di i composti MOS pò ancu esse persunalizatu cù a chimica di MOS-117.Huo et al.117 anu utilizatu un metudu simplice di soak-bake per preparà cumposti Co3O4-SnO2 è truvaru chì à un rapportu molare Co / Sn di 10%, u sensoru mostrava una risposta di deteczione di p-tipu à H2 è una sensibilità n-tipu à H2.risposta.I risposti di i sensori à i gasi CO, H2S è NH3 sò mostrati in Figura 4a117.À u bassu Co / Sn ratios, assai homounctions formanu à i cunfini di u nanogranu SnO2±SnO2 è mostranu risposti di sensor n-type à H2 (Figs. 4b, c) 115.Cù un aumentu di u rapportu Co / Sn finu à 10 mol.%, invece di l'omiunctions SnO2-SnO2, parechji heterojunctions Co3O4-SnO2 sò stati formati simultaneamente (Fig. 4d).Siccomu Co3O4 hè inattivu in quantu à H2, è SnO2 reagisce forte cù H2, a reazzione di H2 cù spezie d'ossigenu ionicu si trova principalmente nantu à a superficia di SnO2117.Dunque, l'elettroni si movenu à SnO2 è Ef SnO2 cambia à a banda di cunduzzione, mentri Ef Co3O4 resta invariatu.In u risultatu, a resistenza di u sensoru aumenta, chì indica chì i materiali cù un altu rapportu Co / Sn exhibenu un cumpurtamentu di sensazione p-type (Fig. 4e).In cuntrastu, i gasi CO, H2S è NH3 reagiscenu cù spezie di l'ossigenu ionicu nantu à a superficia SnO2 è Co3O4, è l'elettroni si movenu da u gasu à u sensoru, risultatu in una diminuzione di l'altezza di a barrera è a sensibilità n-tipu (Fig. 4f)..Stu comportamentu di u sensoru sfarente hè dovutu à a diversa reattività di Co3O4 cù diversi gasi, chì hè stata ulteriormente cunfirmata da Yin et al.118 .In listessu modu, Katoch et al.119 hà dimustratu chì i composti SnO2-ZnO anu una bona selettività è una alta sensibilità à H2.Stu cumpurtamentu accade perchè l'atomi H ponu esse facilmente adsorbiti à e pusizioni O di ZnO per via di una forte hibridazione trà l'orbitale s di H è l'orbitale p di O, chì porta à a metallizazione di ZnO120,121.
a Curve di resistenza dinamica Co/Sn-10% per i gasi riduttori tipici cum'è H2, CO, NH3 è H2S, b, c Diagramma di mecanismu di sensazione compositu Co3O4/SnO2 per H2 à bassu % m.Co/Sn, df Co3O4 Meccanismu di deteczione di H2 è CO, H2S è NH3 cù un altu compositu Co/Sn/SnO2
Dunque, pudemu migliurà a sensibilità di u sensoru I-type scegliendu metudi di fabricazione adattati, riducendu a dimensione di granu di i composti, è ottimizendu u rapportu molare di i composti MOS.Inoltre, una cunniscenza prufonda di a chimica di u materiale sensibile pò ancu rinfurzà a selettività di u sensoru.
Strutture di sensori Type II sò una altra struttura di sensori populari chì ponu utilizà una varietà di materiali nanostrutturati eterogenei, cumpresu un nanomateriale "maestru" è un secondu o ancu terzu nanomateriale.Per esempiu, materiali unidimensionali o bidimensionali decorati cù nanoparticles, core-shell (CS) è materiali heteronanostructured multilayer sò cumunimenti usati in strutture di sensori di tipu II è seranu discututi in dettagliu quì sottu.
Per u primu materiale heteronanostructure (eteronanostruttura decorata), cum'è mostra in Fig. 2b (1), i canali cunduttori di u sensoru sò cunnessi da un materiale di basa.A causa di a furmazione di heterojunctions, nanoparticles mudificate ponu furnisce siti più reattivi per l'adsorption o desorption di gas, è ponu ancu agisce cum'è catalizzatori per migliurà a performance di sensazione109,122,123,124.Yuan et al.41 anu nutatu chì i nanofili di decoru WO3 cù nanodots CeO2 ponu furnisce più siti di adsorption à l'heterointerface CeO2@WO3 è a superficia CeO2 è generà più spezie d'ossigenu chimisorbed per a reazione cù l'acetone.Gunawan et al.125. Un sensoru d'acetone ultra-alta sensibilità basatu in Au@α-Fe2O3 unidimensionale hè statu prupostu è hè statu osservatu chì a sensibilità di u sensoru hè cuntrullata da l'attivazione di molécule O2 cum'è una fonte d'ossigenu.A prisenza di Au NPs pò agisce cum'è un catalizzatore chì prumove a dissociazione di molécule d'ossigenu in l'ossigenu di lattice per l'ossidazione di l'acetone.I risultati simili sò stati ottenuti da Choi et al.9 induve un catalizzatore Pt hè statu utilizatu per dissociate molécule d'ossigenu adsorbitu in spezie d'ossigenu ionizatu è rinfurzà a risposta sensitiva à l'acetone.In 2017, u stessu squadra di ricerca hà dimustratu chì i nanoparticuli bimetallici sò assai più efficaci in catalisi cà i nanoparticuli di metalli nobili unichi, cum'è mostra in a Figura 5126. 5a hè un schematicu di u prucessu di fabricazione di NP bimetallici basati in platinu (PtM) chì utilizanu cellule d'apoferritin. una dimensione media di menu di 3 nm.Allora, utilizendu u metudu electrospinning, PtM@WO3 nanofibers sò stati ottenuti per aumentà a sensibilità è a selettività à l'acetone o H2S (Fig. 5b-g).Recentemente, i catalizzatori di un atomu unicu (SAC) anu dimustratu una prestazione catalitica eccellente in u campu di a catalisi è l'analisi di gas per via di l'efficienza massima di l'usu di l'atomi è di e strutture elettroniche sintonizzate127,128.Shin et al.129 hà utilizatu nanosheets di nitruru di carbone (MCN) ancoratu Pt-SA, SnCl2 è PVP cum'è fonti chimichi per preparà fibre in linea Pt@MCN@SnO2 per a rilevazione di gas.Malgradu u cuntenutu assai bassu di Pt@MCN (da 0,13% in peso à 0,68% in peso), a prestazione di rilevazione di formaldeide gasosa Pt@MCN@SnO2 hè superiore à altri campioni di riferimentu (SnO2 puro, MCN@SnO2 è Pt NPs@). SnO2)..Questa prestazione di rilevazione eccellente pò esse attribuita à a massima efficienza atomica di u catalizzatore Pt SA è a cobertura minima di i siti attivi SnO2129.
Metudu di incapsulazione carica di apoferritina per ottene nanoparticule PtM-apo (PtPd, PtRh, PtNi);proprietà dinamiche di gas sensibili di bd pristine WO3, PtPd@WO3, PtRn@WO3, è Pt-NiO@WO3 nanofibers;basatu, per esempiu, nantu à e proprietà di selettività di sensori di nanofibra PtPd@WO3, PtRn@WO3 è Pt-NiO@WO3 à 1 ppm di gas interferente 126
Inoltre, l'eterojunctions formate trà i materiali di scaffold è nanoparticuli ponu ancu modulà in modu efficace i canali di cunduzzione per mezu di un mecanismu di modulazione radiale per migliurà u rendiment di u sensor130,131,132.Nantu à fig.A Figura 6a mostra e caratteristiche di u sensoru di i nanofili SnO2 puri è Cr2O3@SnO2 per i gasi di riduzzione è ossidazione è i meccanismi di sensori currispondenti131.In cunfrontu à i nanofili SnO2 puri, a risposta di i nanofili Cr2O3@SnO2 à i gasi riducenti hè assai rinfurzata, mentre chì a risposta à i gasi ossidanti hè aggravata.Questi fenomeni sò strettamente ligati à a decelerazione lucale di i canali di cunduzzione di i nanofili SnO2 in a direzzione radiale di l'heterojunction pn furmatu.A resistenza di u sensoru pò esse simpricimenti sintonizzata cambiendu a larghezza EDL nantu à a superficia di i nanofili SnO2 puri dopu l'esposizione à i gasi riducenti è ossidanti.Tuttavia, per i nanofili Cr2O3@SnO2, a DEL iniziale di nanofili SnO2 in l'aria hè aumentata paragunata à i nanofili SnO2 puri, è u canali di cunduzzione hè suppressa per via di a furmazione di una heterojunction.Dunque, quandu u sensoru hè espostu à un gasu riduzzione, l'elettroni intrappulati sò liberati in i nanofili SnO2 è l'EDL hè drasticamente ridutta, risultatu in una sensibilità più altu ch'è i nanofili SnO2 puri.À u cuntrariu, quandu si passa à un gasu oxidizante, l'espansione DEL hè limitata, risultante in una sensibilità bassa.I risultati di risposta sensoriale simili sò stati osservati da Choi et al., 133 in quale i nanofili SnO2 decorati cù nanoparticelle di WO3 p-tipu dimustranu una risposta sensoriale significativamente mejorata à i gasi riducenti, mentre chì i sensori SnO2 n-decorati anu migliuratu a sensibilità à i gasi ossidanti.Nanoparticles TiO2 (Fig. 6b) 133. Stu risultatu hè principalmente dovutu à e diverse funzioni di travagliu di SnO2 è MOS (TiO2 o WO3) nanoparticuli.In nanoparticulate p-type (n-type), u canali di cunduzzione di u materiale di u quadru (SnO2) si dilata (o cuntratte) in a direzzione radiale, è dopu, sottu l'azzione di riduzzione (o oxidazione), più espansione (o accurtamentu) di u canali di cunduzzione di SnO2 - rib) di u gasu (Fig. 6b).
Meccanismo di modulazione radiale indotta da LF MOS modificati.un Riassuntu di risposti di gas à 10 ppm gasi riduzzione è oxidizing basatu nantu puri SnO2 è Cr2O3@SnO2 nanowire è currispundenti meccanismi sensing schematic diagrammi;è schemi currispundenti di nanorods WO3@SnO2 è mecanismu di rilevazione133
In i dispusitivi di l'eterostruttura bistrati è multistrati, u canali di cunduzzione di u dispusitivu hè duminatu da a strata (di solitu a capa di fondu) in cuntattu direttu cù l'elettrodi, è l'eterojunzione formata à l'interfaccia di i dui strati pò cuntrullà a conduttività di a capa di fondu. .Dunque, quandu i gasi interagiscenu cù a capa superiore, ponu influenzà significativamente i canali di cunduzzione di a capa di fondu è a resistenza 134 di u dispusitivu.Per esempiu, Kumar et al.77 hà riportatu u cumpurtamentu oppostu di TiO2@NiO è NiO@TiO2 doppiu strati per NH3.Sta diffarenza nasce perchè i canali di cunduzzione di i dui sensori dominanu in strati di materiali diffirenti (NiO è TiO2, rispettivamente), è dopu e variazioni in i canali di cunduzzione sottostanti sò diffirenti77.
Eteronanostrutture bilayer o multilayer sò cumunimenti prodotte da sputtering, deposizione di strati atomici (ALD) è centrifugazione56,70,134,135,136.U spessore di film è l'area di cuntattu di i dui materiali ponu esse cuntrullati bè.I figuri 7a è b mostranu i nanofilms NiO@SnO2 è Ga2O3@WO3 ottenuti da sputtering per a rilevazione di etanolu135,137.Tuttavia, sti metudi generalmente pruducianu filmi piani, è questi filmi piani sò menu sensibili di i materiali nanostrutturati 3D per via di a so superficia specifica è di a permeabilità di gas.Per quessa, una strategia in fase liquida per a fabricazione di film bistrati cù diverse gerarchie hè stata ancu pruposta per migliurà u rendiment perceptivu aumentendu a superficia specifica41,52,138.Zhu et al139 combina tecniche di sputtering è idrotermali per pruduce nanofili ZnO altamente urdinati nantu à nanofili SnO2 (nanowires ZnO@SnO2) per a deteczione H2S (Fig. 7c).A so risposta à 1 ppm H2S hè 1.6 volte più altu ch'è quellu di un sensoru basatu annantu à nanofilms sputtered ZnO@SnO2.Liu et al.52 hà infurmatu un sensor H2S d'altu rendiment cù un metudu di depositu chimicu in situ in dui passi per fabricà nanostrutture gerarchiche SnO2@NiO seguita da annealing termale (Fig. 10d).Paragunatu à i filmi bistrati SnO2@NiO sputtered convenzionali, a prestazione di sensibilità di a struttura gerarchica SnO2@NiO hè significativamente migliorata per via di l'aumentu di a superficia specifica52,137.
Sensore di gas à doppia strata basatu in MOS.Nanofilm NiO@SnO2 per a rilevazione di etanolu;137b Ga2O3@WO3 nanofilm per a rilevazione di etanolu;135c struttura gerarchica bistrata SnO2@ZnO altamente urdinata per a rilevazione di H2S;139d SnO2@NiO struttura gerarchica a doppia strata per a rilevazione di H2S52.
In i dispositi di tipu II basati in heteronanostructures core-shell (CSHN), u mecanismu di sensazione hè più cumplessu, postu chì i canali di cunduzzione ùn sò micca limitati à a cunchiglia interna.Sia a strada di fabricazione è u spessore (hs) di u pacchettu ponu determinà u locu di i canali cunduttori.Per esempiu, quandu si usanu metudi di sintesi in fondu, i canali di cunduzzione sò generalmente limitati à u core internu, chì hè simile in struttura à strutture di dispositivi di dui strati o multistrati (Fig. 2b (3)) 123, 140, 141, 142, 143. Xu et al.144 hà riportatu un approcciu bottom-up per ottene CSHN NiO@α-Fe2O3 è CuO@α-Fe2O3 depositendu una strata di NiO o CuO NPs nantu à nanorods α-Fe2O3 in quale u canali di cunduzzione era limitatu da a parte centrale.(nanorods α-Fe2O3).Liu et al.142 hà ancu riesciutu à limità u canali di cunduzzione à a parte principale di CSHN TiO2 @ Si depositendu TiO2 nantu à matrici preparate di nanofili di siliciu.Dunque, u so cumpurtamentu di sensazione (p-type o n-type) dipende solu da u tipu di semiconductor di u nanowire di siliciu.
In ogni casu, a maiò parte di i sensori basati in CSHN (Fig. 2b (4)) sò stati fabbricati trasferendu i polveri di u materiale CS sintetizatu nantu à chips.In questu casu, u percorsu di cunduzzione di u sensoru hè affettatu da u grossu di l'alloghju (hs).U gruppu di Kim hà investigatu l'effettu di l'hs nantu à u funziunamentu di a rilevazione di u gasu è prupostu un pussibule mecanismu di rilevazione100,112,145,146,147,148. Hè cresce chì dui fattori cuntribuiscenu à u mecanismu di sensazione di sta struttura: (1) a modulazione radiale di l'EDL di a cunchiglia è (2) l'effettu di smearing di u campu elettricu (Fig. 8) 145. I circadori anu dettu chì u canali di cunduzzione. di i trasportatori hè soprattuttu cunfinatu à a capa di cunchiglia quandu hs > λD di a capa di cunchiglia145. Hè cresce chì dui fattori cuntribuiscenu à u mecanismu di sensazione di sta struttura: (1) a modulazione radiale di l'EDL di a cunchiglia è (2) l'effettu di smearing di u campu elettricu (Fig. 8) 145. I circadori anu dettu chì u canali di cunduzzione. di i trasportatori hè soprattuttu cunfinatu à a capa di cunchiglia quandu hs > λD di a capa di cunchiglia145. 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. Hè cresce chì dui fattori sò implicati in u miccanisimu di percepzioni di sta struttura: (1) modulazione radiale di l'EDL di a cunchiglia è (2) l'effettu di sbulicà u campu elettricu (Fig. 8) 145. I circadori anu nutatu chì u canali di cunduzzione di u trasportatore hè principalmente cunfinatu à a cunchiglia quandu hs > λD shells145.Hè cresce chì dui fatturi cuntribuiscenu à u mecanismu di deteczione di sta struttura: (1) a modulazione radiale di u DEL di a cunchiglia è (2) l'effettu di u campu elettricu smearing (Fig. 8) 145.研究人员提到传导通道当壳层的hs > λD145 时，载流子的数量主要局限于倂局限于壂 > λD145 时，载流子的数量主要局限于壳层。 Исследователи отметили, что канал проводимости Когда hs > λD145 оболочки, количество носчество носчество носчонг Когда hs I circadori anu nutatu chì u canali di cunduzzione Quandu hs> λD145 di a cunchiglia, u nùmeru di trasportatori hè principarmenti limitatu da a cunchiglia.Dunque, in a modulazione resistiva di u sensoru basatu in CSHN, a modulazione radiale di u cladding DEL prevale (Fig. 8a).Toutefois, à hs ≤ λD de la coquille, les particules d'oxygène adsorbées par la coquille et l'heterojunction formée à l'heterojunction CS sont complètement épuisées d'électrons. Dunque, u canali di cunduzzione ùn hè micca solu situatu in a capa di cunchiglia, ma ancu parzialmente in a parte core, soprattuttu quandu hs < λD di a capa di cunchiglia. Dunque, u canali di cunduzzione ùn hè micca solu situatu in a capa di cunchiglia, ma ancu parzialmente in a parte core, soprattuttu quandu hs < λD di a capa di cunchiglia. Поэтому калал Проводимости Располько Пнолько Пеолько Пеолько Пеольтичо ПОЛОЛО обасти, особенногти HS <λДочечолочеч Dunque, u canali di cunduzzione si trova micca solu in a capa di cunchiglia, ma ancu in parte in a parte core, soprattuttu à hs < λD di a capa di cunchiglia.因此，传导通道不仅位于壳层内部，而且部分位于芯部，尤其是当壳其是当壳层皀愂朂 hs < λD 时。 Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочки, но и частично в солько внутри оболочки, но и частично в состично в серонд, в серо болочки Per quessa, u canali di cunduzzione si trova micca solu in a cunchiglia, ma ancu in parte in u core, in particulare à hs < λD di a cunchiglia.In questu casu, tramindui a cunchiglia di l'elettroni cumplettamente depleted è a strata di u core parzialmente depleted aiutanu à modulà a resistenza di tuttu u CSHN, risultatu in un effettu di cuda di campu elettricu (Fig. 8b).Certi altri studii anu utilizatu u cuncettu di frazione di volumi EDL invece di una cuda di campu elettricu per analizà l'effettu hs100,148.Pigliendu sti dui cuntributi in contu, a modulazione tutale di a resistenza CSHN righjunghji u so valore più grande quandu hs hè paragunabile à a guaina λD, cum'è mostra in Fig. 8c.Dunque, l'hs ottimali per CSHN pò esse vicinu à a shell λD, chì hè coherente cù l'osservazioni sperimentali99,144,145,146,149.Diversi studii anu dimustratu chì hs pò ancu influenzà a sensibilità di i sensori pn-heterojunction basati in CSHN40,148.Li et al.148 è Bai et al.40 hà studiatu sistematicamente l'effettu di hs nantu à a prestazione di sensori CSHN pn-heterojunction, cum'è TiO2@CuO è ZnO@NiO, cambiendu u ciculu ALD di cladding.In u risultatu, u cumpurtamentu sensoriale hà cambiatu da p-tip à n-type cù l'aumentu di hs40,148.Stu cumpurtamentu hè duvuta à u fattu chì in prima (cù un numeru limitatu di ciculi ALD) l'eterostrutture pò esse cunsiderate cum'è heteronanostrutture mudificate.Cusì, u canali di cunduzzione hè limitatu da a strata di core (MOSFET p-type), è u sensore mostra un cumpurtamentu di rilevazione di p-tipu.Quandu u numeru di ciculi ALD aumenta, a strata di cladding (MOSFET n-tipu) diventa quasi cuntinuu è agisce cum'è un canale di cunduzzione, risultatu in una sensibilità n-tipu.Un comportamentu di transizione sensoriale simile hè statu infurmatu per eteronanostrutture ramificate pn 150,151.Zhou et al.150 hà investigatu a sensibilità di Zn2SnO4@Mn3O4 eteronanostrutture ramificate cuntrullendu u cuntenutu di Zn2SnO4 nantu à a superficia di nanofili Mn3O4.Quandu i nuclei Zn2SnO4 furmati nantu à a superficia di Mn3O4, una sensibilità p-tipu hè stata osservata.Cù un aumentu ulteriore di u cuntenutu di Zn2SnO4, u sensoru basatu in eteronanostrutture ramificate Zn2SnO4@Mn3O4 cambia à u cumpurtamentu di u sensoru n-tipu.
Una descrizzione conceptuale di u mecanismu di sensori bifunzionali di i nanofili CS hè mostrata.a Modulazione di resistenza per via di a modulazione radiale di cunchiglia sguassate di elettroni, b Effettu negativu di smearing nantu à a modulazione di resistenza, è c Modulazione di resistenza totale di nanofili CS per una cumminazione di i dui effetti 40
In cunclusioni, i sensori di tipu II includenu parechje nanostrutture gerarchiche diverse, è u rendiment di u sensoru hè assai dipendente da a disposizione di i canali conduttivi.Per quessa, hè criticu per cuntrullà a pusizione di u canali di cunduzzione di u sensoru è aduprà un mudellu MOS eteronanostrutturatu adattatu per studià u mecanismu di sensazione estesa di sensori di tipu II.
Strutture di sensori di tipu III ùn sò micca assai cumuni, è u canali di cunduzzione hè basatu annantu à una heterojunction formata trà dui semiconduttori cunnessi à dui elettrodi, rispettivamente.Strutture uniche di u dispositivu sò generalmente ottenute per tecnichi di micromachining è i so meccanismi di sensazione sò assai diffirenti da e duie strutture di sensori precedenti.A curva IV di un sensoru di Tipu III tipicamente presenta caratteristiche tipiche di rettificazione per via di a furmazione di heterojunction48,152,153.A curva caratteristica I-V di una heterojunction ideale pò esse descritta da u mecanismu termionicu di l'emissione di l'elettroni sopra l'altezza di a barriera di heterojunction152,154,155.
induve Va hè a tensione di bias, A hè l'area di u dispusitivu, k hè a constante di Boltzmann, T hè a temperatura assoluta, q hè a carica di u traspurtadore, Jn è Jp sò a densità di corrente di diffusione di l'elettroni, rispettivamente.IS rapprisenta a currente di saturazione inversa, definita cum'è: 152.154.155
Per quessa, u currente tutale di l'eterojunzione pn dipende da u cambiamentu in a cuncentrazione di i trasportatori di carica è u cambiamentu in l'altezza di a barrera di l'eterojunction, cum'è mostra in l'equazioni (3) è (4) 156
induve nn0 è pp0 sò a cuncentrazione di elettroni (buchi) in un MOS di n-tipu (p-tipu), \(V_{bi}^0\) hè u putenziale integratu, Dp (Dn) hè u coefficient di diffusione di elettroni (buchi), Ln (Lp ) hè a lunghezza di diffusione di l'elettroni (buchi), ΔEv (ΔEc) hè u cambiamentu di energia di a banda di valenza (banda di cunduzzione) à l'eterojunction.Ancu se a densità di corrente hè proporzionale à a densità di u trasportatore, hè esponenzialmente inversamente proporzionale à \(V_{bi}^0\).Dunque, u cambiamentu generale in a densità di corrente dipende assai da a modulazione di l'altezza di a barriera di heterojunction.
Cumu l'esitatu sopra, a creazione di MOSFET etero-nanostrutturati (per esempiu, i dispositi di tipu I è di tipu II) ponu migliurà significativamente u rendiment di u sensoru, invece di cumpunenti individuali.È per i dispositi di tipu III, a risposta di l'eteronanostruttura pò esse più altu di dui cumpunenti48,153 o più altu di un cumpunente76, secondu a cumpusizioni chimica di u materiale.Diversi rapporti anu dimustratu chì a risposta di heteronanostrutture hè assai più altu ch'è quella di un solu cumpunente quandu unu di i cumpunenti hè insensibile à u gas di destinazione48,75,76,153.In questu casu, u gasu di destinazione interagisce solu cù a capa sensitiva è pruvucarà un shift Ef di a capa sensitiva è un cambiamentu in l'altezza di a barrera di heterojunction.Allora u currente tutale di u dispusitivu cambierà significativamente, postu chì hè inversamente ligatu à l'altezza di a barriera heterojunction secondu l'equazioni.(3) è (4) 48,76,153.Tuttavia, quandu i cumpunenti n-tipu è p-tipu sò sensittivi à u gasu di destinazione, a prestazione di rilevazione pò esse in un locu intermedi.José et al.76 hà pruduciutu un sensoru di film NO2 di NiO / SnO2 poroso per sputtering è truvaru chì a sensibilità di u sensoru era solu più altu ch'è quellu di u sensoru basatu in NiO, ma più bassu di quellu di u sensoru basatu in SnO2.sensoru.Stu fenominu hè duvuta à u fattu chì SnO2 è NiO mostranu reazzioni opposti à NO276.Inoltre, perchè i dui cumpunenti anu diverse sensibilità di gas, ponu avè a listessa tendenza à detectà i gasi oxidanti è riducenti.Per esempiu, Kwon et al.157 prupone un sensoru di gasu NiO / SnO2 pn-heterojunction per sputtering oblicu, cum'è mostra in Fig. 9a.Curiosamente, u sensoru di pn-heterojunction NiO / SnO2 mostrò a stessa tendenza di sensibilità per H2 è NO2 (Fig. 9a).Per risolve stu risultatu, Kwon et al.157 sistematically investigated how NO2 è H2 canciari cuncintrazzioni traspurtadore è tuned \(V_{bi}^0\) di tramindui materiali utilizendu IV-caratteristiche è simulations computer (Fig. 9bd).I figuri 9b è c dimustranu l'abilità di H2 è NO2 per cambià a densità di trasportatore di sensori basati in p-NiO (pp0) è n-SnO2 (nn0), rispettivamente.Anu dimustratu chì pp0 di p-type NiO ligeramente cambiatu in l'ambienti NO2, mentri cambiò dramaticamente in l'ambienti H2 (Fig. 9b).In ogni casu, per n-type SnO2, nn0 si cumportanu in modu oppostu (Fig. 9c).Basatu nantu à questi risultati, l'autori anu cunclusu chì quandu H2 hè stata applicata à u sensoru basatu annantu à l'heterojunction NiO/SnO2 pn, un aumentu di nn0 hà purtatu à un incrementu di Jn, è \(V_{bi}^0\) hà purtatu à un diminuzione di a risposta (Fig. 9d).Dopu l'esposizione à NO2, una grande diminuzione di nn0 in SnO2 è una piccula crescita di pp0 in NiO portanu à una grande diminuzione di \(V_{bi}^0\), chì assicura un aumentu di a risposta sensoriale (Fig. 9d). ) 157 In cunclusioni, i cambiamenti in a cuncentrazione di i trasportatori è \(V_{bi}^0\) portanu à cambiamenti in u currente tutale, chì affettanu ancu a capacità di deteczione.
U mecanismu di sensazione di u sensoru di gasu hè basatu annantu à a struttura di u dispusitivu Tip III.Microscopia elettronica di scanning (SEM) imaghjini in sezione trasversale, dispusitivu di nanocoil p-NiO / n-SnO2 è proprietà di sensori di sensore di heterojunction nanocoil p-NiO / n-SnO2 à 200 ° C per H2 è NO2;b , SEM trasversale di un dispositivu c, è risultati di simulazione di un dispositivu cù una b-layer p-NiO è una c-layer n-SnO2.U sensoru b p-NiO è u sensoru c n-SnO2 misuranu è currispondenu à e caratteristiche I-V in l'aria secca è dopu l'esposizione à H2 è NO2.Una mappa bidimensionale di a densità di b-hole in p-NiO è una mappa di l'elettroni c in a capa n-SnO2 cù una scala di culore sò stati modellati cù u software Sentaurus TCAD.d Risultati di simulazione chì mostra una mappa 3D di p-NiO/n-SnO2 in aria secca, H2 è NO2157 in l'ambiente.
In più di e proprietà chimichi di u materiale stessu, a struttura di u dispusitivu di u tipu III dimustra a pussibilità di creà sensori di gas autoalimentati, chì ùn hè micca pussibule cù i dispositi di u tipu I è II.A causa di u so campu elettricu inerente (BEF), strutture di diodi di heterojunction pn sò cumunimenti aduprate per custruisce apparecchi fotovoltaici è mostranu u putenziale per fà sensori di gas fotoelettrici autoalimentati à a temperatura di l'ambienti sottu illuminazione74,158,159,160,161.BEF à l 'heterointerface, causatu da a diffarenza in i livelli Fermi di i materiali, cuntribuisci dinù à a siparazzioni di coppiu iltronu-butu.U vantaghju di un sensoru di gas fotovoltaicu autoalimentatu hè u so cunsumu d'energia bassu postu chì pò assorbe l'energia di a luce illuminante è poi cuntrullà sè stessu o altri apparecchi in miniatura senza a necessità di una fonte di energia esterna.Per esempiu, Tanuma è Sugiyama162 anu fabricatu heterojunctions NiO / ZnO pn cum'è cellule solari per attivà sensori CO2 policristallini basati in SnO2.Gad et al.74 hà riportatu un sensoru di gas fotovoltaicu autoalimentatu basatu annantu à una heterojunction Si / ZnO@CdS pn, cum'è mostra in Fig. 10a.Nanofili di ZnO orientati verticalmente sò stati cultivati direttamente nantu à sustrati di siliciu p-tipu per furmà eterojunctions Si/ZnO pn.Allora i nanoparticuli CdS sò stati mudificati nantu à a superficia di i nanofili di ZnO da mudificazione di a superficia chimica.Nantu à fig.10a mostra i risultati di risposta di u sensore Si/ZnO@CdS off-line per O2 è etanolu.Sottu illuminazione, a tensione di circuitu apertu (Voc) per via di a separazione di coppie elettroni-buchi durante BEP à l'heterointerfaccia Si / ZnO aumenta linearmente cù u numeru di diodi cunnessi74,161.Voc pò esse rapprisintatu da una equazioni.(5) 156,
induve ND, NA è Ni sò i cuncentrazioni di donatori, accettori è trasportatori intrinseci, rispettivamente, è k, T è q sò i stessi parametri cum'è in l'equazioni precedente.Quandu sò esposti à i gasi ossidanti, estraranu l'elettroni da i nanofili di ZnO, chì porta à una diminuzione di \(N_D^{ZnO}\) è Voc.À u cuntrariu, a riduzzione di gas hà risultatu in un incrementu di Voc (Fig. 10a).Quandu decorate ZnO cù nanoparticelle CdS, l'elettroni fotoeccitati in nanoparticelle CdS sò injected in a banda di cunduzzione di ZnO è interagisce cù u gas adsorbutu, aumentandu cusì l'efficienza di percepzione74,160.Un sensoru di gas fotovoltaicu autoalimentatu simili basatu annantu à Si / ZnO hè statu informatu da Hoffmann et al.160, 161 (Fig. 10b).Stu sensoru pò esse preparatu utilizendu una linea di nanoparticelle ZnO amine-functionalized ([3-(2-aminoethylamino)propyl]trimethoxysilane) (amino-functionalized-SAM) è tiol ((3-mercaptopropyl)-functionalized, per aghjustà a funzione di travagliu. di u gasu di destinazione per a deteczione selettiva di NO2 (trimethoxysilane) (thiol-functionalized-SAM)) (Fig. 10b) 74,161.
Un sensoru di gas fotoelettricu autoalimentatu basatu nantu à a struttura di un dispositivu di tipu III.un sensoru di gas fotovoltaicu autoalimentatu basatu annantu à Si / ZnO@CdS, meccanismu di sensazione autoalimentatu è risposta di u sensoru à i gasi oxidati (O2) è ridotti (1000 ppm etanol) sottu u sole;74b Sensore di gas fotovoltaicu autoalimentatu basatu annantu à sensori Si ZnO / ZnO è risposti di sensori à diversi gasi dopu a funziunalisazione di ZnO SAM cù ammine terminali è tioli 161
Dunque, quandu si discute u mecanismu sensitivu di i sensori di tipu III, hè impurtante di determinà u cambiamentu in l'altezza di a barrera di l'heterojunction è a capacità di u gasu per influenzà a cuncentrazione di u trasportatore.Inoltre, l'illuminazione pò generà trasportatori fotogenerati chì reagiscenu cù i gasi, chì hè promettente per a rilevazione di gas autoalimentata.
Comu discutitu in questa rivista di letteratura, parechje heteronanostrutture MOS diffirenti sò stati fabbricati per migliurà u rendiment di u sensoru.A basa di dati Web of Science hè stata cercata per diverse parole chjave (compositi di ossidi di metallu, ossidi di metallu core-guaina, ossidi di metalli stratificati, è analizzatori di gas autoalimentati) è e caratteristiche distintive (abbundanza, sensibilità / selettività, putenziale di generazione di energia, fabricazione) .Metudu E caratteristiche di trè di questi trè dispusitivi sò mostrati in a Table 2. U cuncettu generale di designu per i sensori di gasu d'altu rendimentu hè discutitu analizendu i trè fatturi chjave pruposti da Yamazoe.Meccanismi per i sensori di l'eterostruttura MOS Per capiscenu i fatturi chì influenzanu i sensori di gas, diversi paràmetri MOS (per esempiu, granulometria, temperatura di u funziunamentu, difettu è densità di vacanti d'ossigenu, piani di cristalli aperti) sò stati studiati attentamente.A struttura di u dispusitivu, chì hè ancu critica per u cumpurtamentu di sensazione di u sensoru, hè stata trascurata è raramente discututa.Questa rivista discute i meccanismi sottostanti per a rilevazione di trè tippi tipichi di struttura di u dispositivu.
A struttura di granu di granu, u metudu di fabricazione, è u numeru di heterojunctions di u materiale di sensazione in un sensoru di Tipu I pò influenzà assai a sensibilità di u sensoru.Inoltre, u cumpurtamentu di u sensoru hè ancu affettatu da a ratio molare di i cumpunenti.Strutture di u dispositivu di u tipu II (eteronanostrutture decorative, film bistrati o multilayer, HSSNs) sò e strutture di u dispositivu più populari cumposti da dui o più cumpunenti, è solu un cumpunente hè cunnessu à l'elettrodu.Per sta struttura di u dispusitivu, a determinazione di u locu di i canali di cunduzzione è i so cambiamenti relative hè criticu in u studiu di u mecanismu di percepzioni.Perchè i dispositi di tipu II includenu parechje heteronanostrutture gerarchiche diverse, sò stati pruposti parechji meccanismi di sensazione.In una struttura sensoriale di tipu III, u canali di cunduzzione hè duminatu da una heterojunction formata à l'eterojunction, è u mecanismu di percepzioni hè completamente diversu.Per quessa, hè impurtante di determinà u cambiamentu in l'altezza di a barriera heterojunction dopu l'esposizione di u gasu di destinazione à u sensoru di tipu III.Cù stu disignu, i sensori di gas fotovoltaici autoalimentati ponu esse fatti per riduce u cunsumu di energia.In ogni casu, postu chì u prucessu di fabricazione attuale hè piuttostu complicatu è a sensibilità hè assai più bassa di i sensori di gas chimio-resistivi tradiziunali basati in MOS, ci hè ancu assai prugressu in a ricerca di sensori di gas autoalimentati.
I vantaghji principali di i sensori MOS di gasu cù heteronanostrutture gerarchiche sò a velocità è a sensibilità più alta.Tuttavia, certi prublemi chjave di i sensori di gas MOS (per esempiu, alta temperatura operativa, stabilità à longu andà, poca selettività è riproducibilità, effetti di l'umidità, etc.) sò sempre esistenti è anu da esse trattatu prima di pudè esse usatu in applicazioni pratiche.I sensori moderni di gas MOS operanu tipicamente à temperature elevate è cunsuma assai putere, chì afecta a stabilità à longu andà di u sensor.Ci sò dui avvicinamenti cumuni per risolve stu prublema: (1) sviluppu di chips di sensori di bassa putenza;(2) sviluppu di novi materiali sensittivi chì ponu operà à bassu temperatura o ancu à a temperatura di l'ambienti.Un approcciu à u sviluppu di chips di sensori di bassa putenza hè di minimizzà a dimensione di u sensore fabricendu piastre microheating basate in ceramica è silicone163.I platti di microriscaldamentu basati in ceramica cunsumanu circa 50-70 mV per sensore, mentre chì i micro platti di riscaldamentu basati in silicone ottimizzati ponu cunsumà appena 2 mW per sensore quandu operanu continuamente à 300 °C163,164.U sviluppu di novi materiali sensing hè un modu efficaci per riduce u cunsumu di energia abbassendu a temperatura di u funziunamentu, è pò ancu migliurà a stabilità di i sensori.Cumu a dimensione di u MOS cuntinueghja à esse ridutta per aumentà a sensibilità di u sensoru, a stabilità termale di u MOS diventa più sfida, chì pò purtà à a deriva in u signale di u sensor165.Inoltre, a temperatura alta prumove a diffusione di materiali à l'heterointerfaccia è a furmazione di fasi mischiate, chì afectanu e proprietà elettroniche di u sensor.I circadori informanu chì a temperatura di u funziunamentu ottimali di u sensoru pò esse ridutta da selezziunà i materiali sensing adattati è sviluppendu heteronanostructures MOS.A ricerca di un metudu à bassa temperatura per a fabricazione di heteronanostrutture MOS altamente cristalline hè un altru approcciu promettente per migliurà a stabilità.
A selettività di i sensori MOS hè un altru prublema pratica cum'è gasi diffirenti coexistenu cù u gasu di destinazione, mentre chì i sensori MOS sò spessu sensittivi à più di un gasu è spessu mostranu sensibilità croce.Dunque, l'aumentu di a selettività di u sensoru à u gasu di destinazione è ancu à l'altri gasi hè criticu per l'applicazioni pratiche.In l'ultimi decennii, a scelta hè stata in parte affrontata da a custruzzione di arrays di sensori di gas chjamati "nasu elettronicu (nasu E-nose)" in cumminazione cù algoritmi di analisi computazionale cum'è quantizazione di vettore di furmazione (LVQ), analisi di cumpunenti principali (PCA). ecc. e.I prublemi sessuale.Partial Least Squares (PLS), etc. 31, 32, 33, 34. Dui fattori principali (u nùmeru di sensori, chì sò strettamente ligati à u tipu di materiale sensing, è l'analisi computazionale) sò critichi per migliurà a capacità di u nasu elettronicu. per identificà i gasi169.In ogni casu, l'aumentu di u numeru di sensori di solitu richiede assai prucessi di fabricazione cumplessi, per quessa, hè criticu per truvà un metudu simplice per migliurà a prestazione di u nasu elettronicu.Inoltre, mudificà u MOS cù altri materiali pò ancu aumentà a selettività di u sensoru.Per esempiu, a deteczione selettiva di H2 pò esse ottenuta per via di a bona attività catalitica di MOS modificata cù NP Pd.Nta l'ultimi anni, certi circadori anu rivestitu a superficia MOS MOF per migliurà a selettività di i sensori attraversu l'esclusione di taglia171,172.Ispiratu da stu travagliu, a funziunalità di u materiale pò risolve in qualchì modu u prublema di selettività.Tuttavia, ci hè ancu assai travagliu da fà in a scelta di u materiale ghjustu.
A ripetibilità di e caratteristiche di i sensori fabbricati in i stessi cundizioni è metudi hè un altru requisitu impurtante per a produzzione à grande scala è l'applicazioni pratiche.Di genere, i metudi di centrifugazione è di immersione sò metudi di pocu costu per a fabricazione di sensori di gas à altu rendiment.In ogni casu, durante questi prucessi, u materiale sensitivu tende à aggregate è a relazione trà u materiale sensitivu è u sustrato diventa debule68, 138, 168. In u risultatu, a sensibilità è l'stabilità di u sensoru deteriorate significativamente, è u rendiment diventa riproducibile.Altri metudi di fabricazione cum'è sputtering, ALD, deposizione laser pulsata (PLD) è deposizione fisica di vapore (PVD) permettenu a produzzione di filmi MOS bistrati o multistrati direttamente nantu à sustrati di siliciu o allumina modellati.Queste tecniche evitanu l'accumulazione di materiali sensittivi, assicuranu a riproducibilità di i sensori, è dimustranu a fattibilità di a produzzione à grande scala di sensori planari di film sottile.Tuttavia, a sensibilità di sti filmi piani hè generalmente assai più bassu di quella di i materiali nanostrutturati 3D per via di a so piccula superficie specifica è di a bassa permeabilità di gas41,174.Nove strategie per a crescita di heteronanostrutture MOS in locu specifichi nantu à microarrays strutturati è cuntrullà precisamente a dimensione, u spessore è a morfologia di i materiali sensibili sò critichi per a fabricazione à pocu costu di sensori di livellu di wafer cù alta riproducibilità è sensibilità.Per esempiu, Liu et al.174 hà prupostu una strategia cumminata top-down è bottom-up per a fabricazione di cristalli di alta produzzione crescendu in situ Ni(OH)2 nanowalls in locu specifichi..Wafers per microbruciatori.
Inoltre, hè ancu impurtante di cunsiderà l'effettu di l'umidità nantu à u sensoru in applicazioni pratiche.E molécule d'acqua ponu cumpete cù molécule d'ossigenu per i siti di adsorption in materiali sensori è affettanu a rispunsabilità di u sensoru per u gasu di destinazione.Cum'è l'ossigenu, l'acqua agisce cum'è una molécula per l'absorzione fisica, è pò ancu esse in forma di radicali idrossilici o gruppi idrossilici in una varietà di stazioni d'ossidazione per via di a chimisorption.Inoltre, per via di l'altu livellu è l'umidità variabile di l'ambiente, una risposta affidabile di u sensoru à u gasu di destinazione hè un grande prublema.Diversi stratèggi sò stati sviluppati per affruntà stu prublema, cum'è a preconcentrazione di gas177, a compensazione di l'umidità è i metudi di lattice cross-reactive178, è ancu i metudi d'asciugatura179,180.Tuttavia, sti metudi sò caru, cumplessu, è riduce a sensibilità di u sensor.Diversi strategie di prezzu sò stati pruposti per suppressione l'effetti di l'umidità.Per esempiu, a decorazione di SnO2 cù nanoparticuli di Pd pò prumove a cunversione di l'ossigenu adsorbitu in particeddi anionici, mentre chì u funziunamentu di SnO2 cù materiali cù alta affinità per e molécule d'acqua, cum'è NiO è CuO, sò dui modi per prevene a dependenza di l'umidità nantu à e molécule d'acqua..Sensors 181, 182, 183. Inoltre, l'effettu di l'umidità pò ancu esse ridutta cù l'usu di materiali idrofobi per furmà superfici idrofobiche36,138,184,185.In ogni casu, u sviluppu di sensori di gas resistenti à l'umidità hè sempre in una fase iniziale, è strategie più avanzate sò richieste per affruntà questi prublemi.
In cunclusioni, migliuramentu in u rendiment di deteczione (per esempiu, sensibilità, selettività, bassa temperatura di u funziunamentu ottimale) sò stati ottenuti da a creazione di heteronanostrutture MOS, è sò stati pruposti varii meccanismi di rilevazione mejorati.Quandu studia u mecanismu di sensazione di un sensoru particulari, a struttura geomètrica di u dispusitivu deve ancu esse cunsideratu.A ricerca in novi materiali di rilevazione è a ricerca in strategie avanzate di fabricazione serà necessaria per migliurà ulteriormente u rendiment di i sensori di gas è affruntà e sfide rimanenti in u futuru.Per a sintonizazione cuntrullata di e caratteristiche di i sensori, hè necessariu di custruisce sistematicamente a relazione trà u metudu sinteticu di i materiali sensori è a funzione di heteronanostructures.Inoltre, u studiu di e reazzioni di a superficia è i cambiamenti in l'eterointerfaces cù i metudi di carattarizazione muderni ponu aiutà à elucidare i miccanismi di a so percepzione è furnisce cunsiglii per u sviluppu di sensori basati in materiali heteronanostrutturati.Infine, u studiu di e strategie di fabricazione di sensori muderni ponu permette a fabricazione di sensori di gas in miniatura à u livellu di wafer per e so applicazioni industriali.
Genzel, NN et al.Un studiu longitudinale di i livelli di diossidu di nitrogenu di l'internu è i sintomi respiratorii in i zitelli cù asma in i zoni urbani.quartiere.perspettiva di salute.116, 1428-1432 (2008).
Tempu di Postu: Nov-04-2022
