Trong nhà carbon monoxide carbon dioxide methane clo và thiết bị báo động máy dò khí đa thông số khác

Sự phát triển của cảm biến khí hiệu suất cao, di động và thu nhỏ đang ngày càng được chú ý trong các lĩnh vực giám sát môi trường, an ninh, chẩn đoán y tế và nông nghiệp.Tuy nhiên, cơ chế cảm biến của cảm biến MOS có cấu trúc dị hành khác với cơ chế cảm biến khí MOS đơn lẻ, vì nó khá phức tạp.Hiệu suất của cảm biến bị ảnh hưởng bởi các thông số khác nhau, bao gồm các đặc tính vật lý và hóa học của vật liệu nhạy cảm (chẳng hạn như kích thước hạt, mật độ khuyết tật và khoảng trống oxy của vật liệu), nhiệt độ hoạt động và cấu trúc thiết bị.Bài đánh giá này trình bày một số khái niệm để thiết kế cảm biến khí hiệu suất cao bằng cách phân tích cơ chế cảm biến của cảm biến MOS có cấu trúc nano không đồng nhất.Ngoài ra, ảnh hưởng của cấu trúc hình học của thiết bị, được xác định bởi mối quan hệ giữa vật liệu nhạy cảm và điện cực làm việc, được thảo luận.Để nghiên cứu hành vi của cảm biến một cách có hệ thống, bài viết này giới thiệu và thảo luận về cơ chế chung của nhận thức về ba cấu trúc hình học điển hình của các thiết bị dựa trên các vật liệu có cấu trúc dị hành khác nhau.Tổng quan này sẽ là hướng dẫn cho những độc giả trong tương lai, những người nghiên cứu các cơ chế nhạy cảm của cảm biến khí và phát triển cảm biến khí hiệu suất cao.
Ô nhiễm không khí là một vấn đề ngày càng nghiêm trọng và là một vấn đề môi trường toàn cầu nghiêm trọng đe dọa đến hạnh phúc của con người và chúng sinh.Hít phải các chất ô nhiễm dạng khí có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe như bệnh hô hấp, ung thư phổi, bệnh bạch cầu và thậm chí tử vong sớm1,2,3,4.Từ năm 2012 đến năm 2016, hàng triệu người đã chết vì ô nhiễm không khí và mỗi năm, hàng tỷ người tiếp xúc với chất lượng không khí kém5.Do đó, điều quan trọng là phải phát triển các cảm biến khí di động và thu nhỏ có thể cung cấp phản hồi thời gian thực và hiệu suất phát hiện cao (ví dụ: độ nhạy, độ chọn lọc, độ ổn định và thời gian phản hồi và phục hồi).Ngoài giám sát môi trường, cảm biến khí đóng một vai trò quan trọng trong an toàn 6,7,8, chẩn đoán y tế9,10, nuôi trồng thủy sản11 và các lĩnh vực khác12.
hạt mang điện.
72, 73. However, the (rarely mentioned) geometric structure of the device, determined by the relationship between the sensing material and the working electrode, also significantly affects the sensitivity of the sensor74,75,76 (see section 3 for more details) .Ví dụ, Kumar et al.Vì vậy, khi phân tích một cơ cấu cảm biến khí, điều quan trọng là phải tính đến cấu trúc của thiết bị.Trong bài tổng quan này, các tác giả tập trung vào các cơ chế phát hiện dựa trên MOS đối với các cấu trúc thiết bị và cấu trúc nano không đồng nhất khác nhau.
Trên hình.1A cho thấy mô hình cơ bản của cơ chế cảm biến khí dựa trên một MOS duy nhất.Then, an electron depletion layer (EDL) for an n-type MOS or a hole accumulation layer (HAL) for a p-type MOS is then formed on the surface of the MOS 15, 23, 78. The interaction between O2 and the MOS làm cho vùng dẫn của bề mặt MOS uốn cong lên trên và tạo thành một rào cản tiềm năng.Đối với khí oxy hóa, phản ứng của cảm biến ngược lại với phản ứng của khí khử.
Các cơ chế phát hiện cơ bản đối với MOS loại n và loại p để khử và oxy hóa khí b Các yếu tố chính và đặc tính lý hóa hoặc vật liệu liên quan đến cảm biến khí bán dẫn 89
Ngoài cơ chế phát hiện cơ bản, các cơ chế phát hiện khí được sử dụng trong các cảm biến khí thực tế khá phức tạp.Ví dụ, thực tế sử dụng cảm biến khí phải đáp ứng nhiều yêu cầu (như độ nhạy, độ chọn lọc, độ ổn định) tùy theo nhu cầu của người sử dụng.Những yêu cầu này có liên quan chặt chẽ đến các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu nhạy cảm.Ví dụ, Xu và cộng sự.71 đã chứng minh rằng cảm biến dựa trên SnO2 đạt được độ nhạy cao nhất khi đường kính tinh thể (d) bằng hoặc nhỏ hơn hai lần độ dài Debye (λD) của SnO271.Khi d ≤ 2λD, SnO2 hết hoàn toàn sau quá trình hấp phụ phân tử O2 và phản ứng của cảm biến với khí khử là cực đại.Ngoài ra, nhiều thông số khác có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến, bao gồm nhiệt độ hoạt động, khuyết tật tinh thể và thậm chí cả mặt phẳng tinh thể tiếp xúc của vật liệu cảm biến.Đặc biệt, ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt động được giải thích bởi sự cạnh tranh có thể xảy ra giữa tốc độ hấp phụ và giải hấp của khí mục tiêu, cũng như khả năng phản ứng bề mặt giữa các phân tử khí bị hấp phụ và các phần tử oxy4,82.Ảnh hưởng của các khiếm khuyết tinh thể có liên quan mạnh mẽ đến nội dung của vị trí tuyển dụng oxy [83, 84].Hoạt động của cảm biến cũng có thể bị ảnh hưởng bởi khả năng phản ứng khác nhau của khuôn mặt tinh thể mở67,85,86,87.Bảng 1 liệt kê một số yếu tố chính và các cơ chế nhận thức được cải thiện liên quan của chúng.
.Chức năng thụ thể đề cập đến khả năng bề mặt MOS tương tác với các phân tử khí.Do đó, chức năng cảm giác bị ảnh hưởng đáng kể bởi kích thước hạt MOC và mật độ của các thụ thể ngoại lai.Tiện ích là một hệ số hiệu suất cảm biến quan trọng khác mô tả sự sẵn có của khí đối với cấu trúc MOS bên trong.Nếu các phân tử khí không thể xâm nhập và phản ứng với MOS bên trong, độ nhạy của cảm biến sẽ giảm.Tính hữu dụng có liên quan chặt chẽ đến độ sâu khuếch tán của một loại khí cụ thể, phụ thuộc vào kích thước lỗ rỗng của vật liệu cảm biến.Sakai và cộng sự.92 đã mô hình hóa độ nhạy của cảm biến đối với khí thải và nhận thấy rằng cả trọng lượng phân tử của khí và bán kính lỗ của màng cảm biến đều ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến ở các độ sâu khuếch tán khí khác nhau trong màng cảm biến.Cuộc thảo luận ở trên cho thấy rằng các cảm biến khí hiệu suất cao có thể được phát triển bằng cách cân bằng và tối ưu hóa chức năng của bộ tiếp nhận, chức năng của bộ chuyển đổi và tiện ích.
55 đã tóm tắt một số cơ chế có khả năng cải thiện độ nhạy của các cấu trúc dị hành, bao gồm phụ thuộc bề mặt, phụ thuộc vào bề mặt và phụ thuộc vào cấu trúc.Trong số đó, cơ chế khuếch đại phụ thuộc vào giao diện quá phức tạp để có thể bao hàm tất cả các tương tác giao diện trong một lý thuyết, vì có thể sử dụng các cảm biến khác nhau dựa trên các vật liệu có cấu trúc dị hành (ví dụ: nn-heterojunction, pn-heterojunction, pp-heterojunction, v.v.) .Do đó, việc hiểu cơ chế nhận thức của cảm biến dựa trên vật liệu cấu trúc nano không đồng nhất là rất quan trọng để giúp các nhà nghiên cứu phát triển cảm biến khí từ dưới lên phù hợp với nhu cầu của họ.Ngoài ra, cấu trúc hình học của thiết bị cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ nhạy của cảm biến 74, 75, 76. Để phân tích một cách có hệ thống hoạt động của cảm biến, cơ chế cảm biến của ba cấu trúc thiết bị dựa trên các vật liệu có cấu trúc dị hành khác nhau sẽ được trình bày. and discussed below.
Với sự phát triển nhanh chóng của các cảm biến khí dựa trên MOS, các MOS cấu trúc nano khác nhau đã được đề xuất.Việc chuyển điện tích tại Heterulumface phụ thuộc vào các mức Fermi khác nhau (EF) của các thành phần.Tại mặt dị thể, các electron di chuyển từ phía này có Ef lớn hơn sang phía khác có Ef nhỏ hơn cho đến khi mức Fermi của chúng đạt trạng thái cân bằng, và các lỗ trống, ngược lại.Sau đó, các chất mang tại Heterulumface bị cạn kiệt và tạo thành một lớp đã cạn kiệt.Khi cảm biến tiếp xúc với khí mục tiêu, nồng độ sóng mang MOS có cấu trúc dị ứng thay đổi, cũng như chiều cao của rào cản, do đó tăng cường tín hiệu phát hiện.Trong tổng quan này, chúng tôi đề xuất ba cấu trúc thiết bị hình học và thảo luận về cơ chế cảm biến cho từng cấu trúc.
Mặc dù sự khác biệt đóng một vai trò rất quan trọng trong hiệu suất phát hiện khí, nhưng hình dạng thiết bị của toàn bộ cảm biến cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến hành vi phát hiện, vì vị trí của kênh dẫn cảm biến phụ thuộc nhiều vào hình dạng của thiết bị.Ba dạng hình học điển hình của các thiết bị MOS dị liên kết được thảo luận ở đây, như thể hiện trong Hình 2. Trong loại đầu tiên, hai kết nối MOS được phân bố ngẫu nhiên giữa hai điện cực và vị trí của kênh dẫn được xác định bởi MOS chính, loại thứ hai là Sự hình thành các cấu trúc nano không đồng nhất từ ​​các MOS khác nhau, trong khi chỉ có một MOS được kết nối với điện cực.Điện cực được kết nối, sau đó kênh dẫn điện thường được đặt bên trong MOS và được kết nối trực tiếp với điện cực.
Một dấu gạch nối giữa các hợp chất (ví dụ: SNO2-NIO) chỉ ra rằng hai thành phần chỉ đơn giản là trộn (loại I).Một dấu gạch chéo (ví dụ: NIO/SNO2,) cho biết thiết kế cảm biến loại III.
Đối với cảm biến khí dựa trên vật liệu tổng hợp MOS, hai phần tử MOS được phân phối ngẫu nhiên giữa các điện cực.It is worth noting that although the percentage of MOS composites is the same, the sensitivity characteristics can vary greatly when using different manufacturing processes.109,110 For example, Gao et al.109 fabricated two sensors based on MoO3±SnO2 composites with the same atomic ratio (Mo: Sn = 1: 1,9) và nhận thấy rằng các phương pháp chế tạo khác nhau dẫn đến độ nhạy khác nhau.Shaposhnik và cộng sự.110 báo cáo rằng phản ứng của SnO2-TiO2 đồng kết tủa với H2 ở thể khí khác với phản ứng của các vật liệu hỗn hợp cơ học, thậm chí ở cùng tỷ lệ Sn / Ti.Sự khác biệt này phát sinh do mối quan hệ giữa MOP và kích thước tinh thể MOP thay đổi theo các phương pháp tổng hợp khác nhau109,110.Khi kích thước và hình dạng hạt phù hợp về mật độ của chất cho và loại chất bán dẫn, phản ứng phải giữ nguyên nếu hình dạng tiếp xúc không thay đổi 110.Staerz và cộng sự.111 báo cáo rằng các đặc điểm phát hiện của sợi nano SnO2-Cr2O3 lõi-vỏ (CSN) và SnO2-Cr2O3 CSN được mài gần giống nhau, cho thấy rằng hình thái sợi nano không mang lại bất kỳ lợi thế nào.
Ngoài các phương pháp chế tạo khác nhau, loại bán dẫn của hai MOSFET khác nhau cũng ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến.Nó có thể được chia thành hai loại tùy thuộc vào việc hai MOSFET có cùng loại bán dẫn (tiếp giáp nn hoặc pp) hay khác loại (tiếp giáp pn).Khi cảm biến khí dựa trên vật liệu tổng hợp MOS cùng loại, bằng cách thay đổi tỷ lệ mol của hai MOS, đặc tính đáp ứng độ nhạy không thay đổi và độ nhạy của cảm biến thay đổi tùy thuộc vào số lượng dị giao nhau nn hoặc pp.Khi một thành phần chiếm ưu thế trong hỗn hợp (ví dụ 0,9 ZnO-0,1 SnO2 hoặc 0,1 ZnO-0,9 SnO2), kênh dẫn được xác định bởi MOS chiếm ưu thế, được gọi là kênh dẫn đồng thể 92.Khi tỷ lệ của hai thành phần có thể so sánh được, người ta cho rằng kênh dẫn bị chi phối bởi dị vòng98.102.Yamazoe và cộng sự.112.113 báo cáo rằng vùng dị liên kết của hai thành phần có thể cải thiện đáng kể độ nhạy của cảm biến vì rào cản dị liên kết được hình thành do các chức năng hoạt động khác nhau của các thành phần có thể kiểm soát hiệu quả tính linh động trôi của cảm biến tiếp xúc với các điện tử.Khí xung quanh khác nhau 112.113.Trên hình.Một xu hướng tương tự cũng được quan sát thấy đối với các cảm biến dựa trên các vật liệu tổng hợp dị vòng NiO-Nife2O4 PP với các tỷ lệ Fe/Ni khác nhau (Hình 3B) 114.
Ảnh SEM của sợi SnO2-ZnO (7 mol.% Zn) và phản ứng của cảm biến với các loại khí khác nhau với nồng độ 100 ppm ở 260 ° C;54b Phản ứng của cảm biến dựa trên vật liệu tổng hợp NiO và NiO-NiFe2O4 tinh khiết ở 50 ppm của các loại khí khác nhau, 260 ° C;114 ( c) Schematic diagram of the number of nodes in the xSnO2-(1-x)Co3O4 composition and the corresponding resistance and sensitivity reactions of the xSnO2-(1-x)Co3O4 composition per 10 ppm CO, acetone, C6H6 and SO2 khí ở 350 ° C bằng cách thay đổi tỷ lệ mol Sn / Co 98
Các vật liệu tổng hợp PN-MOS cho thấy hành vi độ nhạy khác nhau tùy thuộc vào tỷ lệ nguyên tử của MOS115.Nói chung, hành vi cảm giác của vật liệu tổng hợp MOS phụ thuộc rất nhiều vào MOS đóng vai trò là kênh dẫn chính cho cảm biến.Do đó, điều rất quan trọng là đặc trưng cho thành phần tỷ lệ phần trăm và cấu trúc nano của vật liệu tổng hợp.
Ngoài MOS loại bán dẫn, hành vi cảm ứng của vật liệu tổng hợp MOS cũng có thể được tùy chỉnh bằng cách sử dụng hóa học của MOS-117.Huo et al.117 used a simple soak-bake method to prepare Co3O4-SnO2 composites and found that at a Co/Sn molar ratio of 10%, the sensor exhibited a p-type detection response to H2 and an n-type sensitivity to H2.phản ứng.Các phản ứng của cảm biến đối với khí CO, H2S và NH3 được thể hiện trong Hình 4a117.Ở tỷ lệ CO/SN thấp, nhiều homojunions hình thành ở ranh giới nanograin SNO2 ± SNO2 và thể hiện các phản ứng cảm biến loại N với H2 (Hình 4B, C) 115.Với sự gia tăng tỷ lệ CO/SN lên đến 10 mol.%, thay vì các homojunters SNO2-SnO2, nhiều dị vòng CO3O4-SNO2 được hình thành đồng thời (Hình 4D).Do đó, các điện tử di chuyển đến SnO2 và Ef SnO2 chuyển sang vùng dẫn, trong khi Ef Co3O4 không thay đổi.Kết quả là, điện trở của cảm biến tăng, chỉ ra rằng các vật liệu có tỷ lệ CO/SN cao thể hiện hành vi cảm biến loại P (Hình 4E).Ngược lại, khí CO, H2S và NH3 phản ứng với các loại oxy ion trên bề mặt SNO2 và CO3O4, và các electron di chuyển từ khí sang cảm biến, dẫn đến giảm chiều cao hàng rào và độ nhạy loại N (Hình 4F)..Hành vi cảm biến khác nhau này là do khả năng phản ứng khác nhau của Co3O4 với các khí khác nhau, điều này đã được khẳng định thêm bởi Yin et al.118.Tương tự, Katoch et al.119 đã chứng minh rằng vật liệu tổng hợp SnO2-ZnO có tính chọn lọc tốt và độ nhạy cao với H2.Hành vi này xảy ra do các nguyên tử H có thể dễ dàng hấp phụ vào các vị trí O của ZnO do sự lai tạo mạnh giữa S-orbital của H và P-orbital của O, dẫn đến quá trình kim loại của ZnO120.121.
CO/SN, DF CO3O4 Phát hiện cơ chế H2 và CO, H2S và NH3 với tổng hợp CO/SN/SNO2 cao
Ngoài ra, sự hiểu biết sâu sắc về hóa học của vật liệu nhạy cảm có thể nâng cao hơn nữa tính chọn lọc của cảm biến.

Đối với vật liệu cấu trúc dị hành đầu tiên (cấu trúc dị hành được trang trí), như trong Hình 2b (1), các kênh dẫn điện của cảm biến được nối với nhau bằng vật liệu cơ bản.Do sự hình thành các dị liên kết, các hạt nano biến tính có thể cung cấp nhiều vị trí phản ứng hơn cho quá trình hấp phụ hoặc giải hấp khí và cũng có thể hoạt động như chất xúc tác để cải thiện hiệu suất cảm biến109,122,123,124.Yuan et al.41 lưu ý rằng việc trang trí các dây nano WO3 bằng các chấm nano CeO2 có thể cung cấp nhiều vị trí hấp phụ hơn tại bề mặt dị thể CeO2 @ WO3 và bề mặt CeO2 và tạo ra nhiều loại oxy được hấp thụ hóa học hơn cho phản ứng với axeton.125. Một cảm biến axeton có độ nhạy cực cao dựa trên Au @ α-Fe2O3 một chiều đã được đề xuất và người ta quan sát thấy rằng độ nhạy của cảm biến được điều khiển bằng cách kích hoạt các phân tử O2 như một nguồn oxy.Kết quả tương tự đã thu được bởi Choi et al.9 trong đó chất xúc tác Pt được sử dụng để phân ly các phân tử oxy bị hấp phụ thành các dạng oxy bị ion hóa và tăng cường phản ứng nhạy cảm với axeton.Vào năm 2017, cùng một nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng các hạt nano lưỡng kim có khả năng xúc tác hiệu quả hơn nhiều so với các hạt nano kim loại quý đơn lẻ, như thể hiện trong Hình 5126. 5a là sơ đồ của quy trình sản xuất NP lưỡng kim (PtM) dựa trên bạch kim sử dụng các tế bào apoferritin với Kích thước trung bình dưới 3nm..
Phương pháp đóng gói nạp Apoferritin để thu được các hạt nano PtM-apo (PtPd, PtRh, PtNi);Các đặc tính nhạy cảm khí động của BD nguyên sơ WO3, PTPD@WO3, PTRN@WO3 và PT-NIO@WO3 Nanofibers;Ví dụ, dựa trên các thuộc tính chọn lọc của ptpd@wo3, ptrn@wo3 và pt-Ni
Ngoài ra, các dị vòng được hình thành giữa các vật liệu giàn giáo và hạt nano cũng có thể điều chỉnh hiệu quả các kênh dẫn truyền thông qua cơ chế điều chế xuyên tâm để cải thiện hiệu suất cảm biến130.131.132.Trên hình.Hình 6A cho thấy các đặc tính cảm biến của dây nano SNO2 và CR2O3@SNO2 tinh khiết để giảm và oxy hóa khí và cơ chế cảm biến tương ứng131.So với dây nano SNO2 tinh khiết, phản ứng của dây nano CR2O3@SNO2 đối với việc giảm khí được tăng cường đáng kể, trong khi phản ứng với các khí oxy hóa bị xấu đi.Những hiện tượng này có liên quan chặt chẽ đến việc giảm tốc cục bộ các kênh dẫn của dây nano SNO2 theo hướng xuyên tâm của dị vòng PN được hình thành.Điện trở cảm biến có thể được điều chỉnh đơn giản bằng cách thay đổi chiều rộng EDL trên bề mặt của dây nano SNO2 tinh khiết sau khi tiếp xúc với việc khử và oxy hóa khí.Tuy nhiên, đối với các dây nano CR2O3@SNO2, các dây nano SNO2 ban đầu trong không khí được tăng lên so với các dây nano SNO2 tinh khiết và kênh dẫn bị triệt tiêu do sự hình thành của dị vòng.Do đó, khi cảm biến tiếp xúc với khí khử, các electron bị mắc kẹt được giải phóng vào dây nano SNO2 và EDL giảm mạnh, dẫn đến độ nhạy cao hơn so với dây nano SNO2 tinh khiết.Ngược lại, khi chuyển sang khí oxy hóa, sự giãn nở DEL bị hạn chế, dẫn đến độ nhạy thấp.Kết quả phản ứng cảm giác tương tự đã được quan sát bởi Choi và cộng sự, 133 trong đó các dây nano SnO2 được trang trí bằng các hạt nano WO3 loại p cho thấy phản ứng cảm giác được cải thiện đáng kể đối với các khí khử, trong khi cảm biến SnO2 được trang trí n đã cải thiện độ nhạy với các khí oxy hóa.Các hạt nano TiO2 (Hình 6b) 133. Kết quả này chủ yếu là do các chức năng làm việc khác nhau của các hạt nano SnO2 và MOS (TiO2 hoặc WO3).Trong các hạt nano loại p (loại n), kênh dẫn của vật liệu khung (SnO2) mở rộng (hoặc co lại) theo hướng xuyên tâm, và sau đó, dưới tác dụng của quá trình khử (hoặc quá trình oxy hóa), tiếp tục mở rộng (hoặc rút ngắn) của kênh dẫn SnO2 - sườn) của khí (Hình 6b).
Cơ chế điều chế xuyên tâm gây ra bởi LF MOS biến đổi.a Tóm tắt các phản ứng của khí đối với khí có tính khử và oxi hóa 10 ppm dựa trên dây nano SnO2 và Cr2O3 @ SnO2 tinh khiết và sơ đồ cơ chế cảm biến tương ứng;và các sơ đồ tương ứng của các nanorod và cơ chế phát hiện WO3@SNO2
In bilayer and multilayer heterostructure devices, the conduction channel of the device is dominated by the layer (usually the bottom layer) in direct contact with the electrodes, and the heterojunction formed at the interface of the two layers can control the conductivity of the bottom layer .Ví dụ, Kumar et al.77 đã báo cáo hành vi ngược lại của các lớp kép TiO2@NIO và NIO@TiO2 cho NH3.
Các cấu trúc dị vòng hai lớp hoặc đa lớp thường được sản xuất bằng cách phun, lắng đọng lớp nguyên tử (ALD) và ly tâm56,70,134,135,136.Có thể kiểm soát tốt độ dày màng và diện tích tiếp xúc của hai vật liệu.Hình 7a và b cho thấy các màng nano NiO @ SnO2 và Ga2O3 @ WO3 thu được bằng phương pháp phún xạ để phát hiện etanol .135,137.Tuy nhiên, các phương pháp này thường tạo ra các màng phẳng và các màng phẳng này ít nhạy cảm hơn các vật liệu cấu trúc nano 3D do diện tích bề mặt riêng và độ thấm khí đặc biệt thấp của chúng.Do đó, một chiến lược pha lỏng để chế tạo màng hai lớp với các phân cấp khác nhau cũng đã được đề xuất để cải thiện hiệu suất cảm nhận bằng cách tăng diện tích bề mặt cụ thể41,52,138.Zhu và cộng sự đã kết hợp kỹ thuật phún xạ và thủy nhiệt để tạo ra các dây nano ZnO có thứ tự cao trên dây nano SnO2 (dây nano ZnO @ SnO2) để phát hiện H2S (Hình 7c).Phản ứng của nó với 1 ppm H2S cao hơn 1,6 lần so với cảm biến dựa trên màng nano ZnO @ SnO2 rải rác.52 đã báo cáo một cảm biến H2S hiệu suất cao sử dụng phương pháp lắng đọng hóa học tại chỗ hai bước để chế tạo cấu trúc nano SnO2 @ NiO phân cấp, sau đó là ủ nhiệt (Hình 10d).So với màng kép SnO2 @ NiO rải rác thông thường, hiệu suất độ nhạy của cấu trúc hai lớp phân cấp SnO2 @ NiO được cải thiện đáng kể do sự gia tăng diện tích bề mặt cụ thể52.137.
Cảm biến khí hai lớp dựa trên MOS.Nio@SNO2 nanofilm để phát hiện ethanol;137b Ga2O3@WO3 Nanofilm để phát hiện ethanol;
Trong các thiết bị loại II dựa trên cấu trúc dị thể vỏ lõi (CSHN), cơ chế cảm biến phức tạp hơn, vì các kênh dẫn không giới hạn ở vỏ bên trong.Cả tuyến đường sản xuất và độ dày (hs) của gói có thể xác định vị trí của các kênh dẫn điện.Ví dụ, khi sử dụng các phương pháp tổng hợp từ dưới lên, các kênh dẫn thường bị giới hạn ở lõi bên trong, có cấu trúc tương tự như cấu trúc thiết bị hai lớp hoặc nhiều lớp (Hình 2B (3)) 123, 140, 141, 142, 143. Xu và cộng sự.144 đã báo cáo một cách tiếp cận từ dưới lên để có được CSHN NIO@α-FE2O3 và CuO@α-FE2O3 bằng cách gửi một lớp NP NIO hoặc CuO trên các nanorod α-FE2O3 trong đó kênh dẫn bị giới hạn bởi phần trung tâm.(thanh nano α-Fe2O3).142 cũng đã thành công trong việc hạn chế kênh dẫn đến phần chính của CSHN TiO2 @ Si bằng cách lắng đọng TiO2 trên các mảng dây nano silicon đã chuẩn bị.
It is believed that two factors contribute to the sensing mechanism of this structure: (1) the radial modulation of the EDL of the shell and (2) the electric field smearing effect (Fig. 8) 145. The researchers mentioned that the conduction channel của các hạt tải điện phần lớn giới hạn trong lớp vỏ khi hs> λD của lớp vỏ145. It is believed that two factors contribute to the sensing mechanism of this structure: (1) the radial modulation of the EDL of the shell and (2) the electric field smearing effect (Fig. 8) 145. The researchers mentioned that the conduction channel của các hạt tải điện phần lớn giới hạn trong lớp vỏ khi hs> λD của lớp vỏ145. 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. Người ta tin rằng hai yếu tố có liên quan đến cơ chế nhận thức của cấu trúc này: (1) điều biến xuyên tâm của EDL của vỏ và (2) hiệu ứng làm mờ điện trường (Hình 8) 145. Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng kênh dẫn sóng mang chủ yếu giới hạn trong shell khi hs> λD shell145.Người ta tin rằng hai yếu tố góp phần vào cơ chế phát hiện của cấu trúc này: (1) điều chế xuyên tâm của del của vỏ và (2) ảnh hưởng của việc bôi nhọ điện trường (Hình 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。 Đăng nhập Trong trường hợp này, cả lớp vỏ điện tử bị cạn kiệt hoàn toàn và lớp lõi bị cạn kiệt một phần đều giúp điều chỉnh điện trở của toàn bộ CSHN, dẫn đến hiệu ứng đuôi điện trường (Hình 8b).Có tính đến hai đóng góp này, tổng điều chế của điện trở CSHN đạt giá trị lớn nhất khi hs so sánh với vỏ bọc λD, như thể hiện trong Hình 8c.40 đã điều tra một cách có hệ thống ảnh hưởng của hs đến hiệu suất của các cảm biến CSHN dị liên kết pn, chẳng hạn như TiO2 @ CuO và ZnO @ NiO, bằng cách thay đổi chu kỳ ALD của lớp phủ.Hành vi này là do lúc đầu (với một số chu kỳ ALD hạn chế) các cấu trúc dị cấu trúc có thể được coi là cấu trúc dị hành đã sửa đổi.Khi số chu kỳ ALD tăng lên, lớp phủ (MOSFET loại n) trở nên bán liên tục và hoạt động như một kênh dẫn, dẫn đến độ nhạy loại n.150 đã khảo sát độ nhạy của cấu trúc dị hành phân nhánh Zn2SnO4 @ Mn3O4 bằng cách kiểm soát hàm lượng Zn2SnO4 trên bề mặt của dây nano Mn3O4.Với sự gia tăng hơn nữa hàm lượng Zn2SnO4, cảm biến dựa trên cấu trúc dị hành Zn2SnO4 @ Mn3O4 phân nhánh sẽ chuyển sang hành vi cảm biến loại n.



trong đó Va là điện áp phân cực, A là vùng thiết bị, k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối, q là điện tích hạt tải điện, Jn và Jp lần lượt là mật độ lỗ trống và dòng khuếch tán electron.
Do đó, tổng dòng điện của dị liên kết pn phụ thuộc vào sự thay đổi nồng độ của hạt tải điện và sự thay đổi chiều cao của rào cản của dị liên kết, như thể hiện trong phương trình (3) và (4) 156
trong đó nn0 và pp0 là nồng độ của các electron (lỗ trống) trong MOS loại n (loại p), \ (V_ {bi} ^ 0 \) là điện thế tích hợp, Dp (Dn) là hệ số khuếch tán của electron (lỗ trống), Ln (Lp) là chiều dài khuếch tán của electron (lỗ trống), ΔEv (ΔEc) là độ dịch chuyển năng lượng của vùng hóa trị (vùng dẫn) tại dị liên kết.
Tuy nhiên, khi cả thành phần loại n và loại p đều nhạy cảm với khí mục tiêu, hiệu suất phát hiện có thể nằm ở khoảng giữa.cảm biến.Hiện tượng này là do SnO2 và NiO có phản ứng ngược với NO276.Ngoài ra, bởi vì hai thành phần có độ nhạy khí khác nhau, chúng có thể có cùng xu hướng phát hiện khí oxy hóa và khí khử.157 đã đề xuất một cảm biến khí dị liên kết pn NiO / SnO2 bằng phún xạ xiên, như thể hiện trong Hình 9a.Điều thú vị là cảm biến dị liên kết pn NiO / SnO2 cho thấy xu hướng độ nhạy giống nhau đối với H2 và NO2 (Hình 9a).Để giải quyết kết quả này, Kwon et al.Họ chỉ ra rằng pp0 của NiO loại p thay đổi nhẹ trong môi trường NO2, trong khi nó thay đổi đáng kể trong môi trường H2 (Hình 9b).Tuy nhiên, đối với SnO2 loại n, nn0 hoạt động theo cách ngược lại (Hình 9c).Based on these results, the authors concluded that when H2 was applied to the sensor based on the NiO/SnO2 pn heterojunction, an increase in nn0 led to an increase in Jn, and \(V_{bi}^0\) led to a Giảm phản ứng (Hình 9D).
Quét hình ảnh mặt cắt ngang qua kính hiển vi điện tử (SEM), thiết bị nanocoil p-NiO / n-SnO2 và đặc tính cảm biến của cảm biến dị liên kết nano p-NiO / n-SnO2 ở 200 ° C đối với H2 và NO2;Một bản đồ hai chiều về mật độ lỗ trống b trong p-NiO và bản đồ các electron c trong lớp n-SnO2 với thang màu được lập mô hình bằng phần mềm Sentaurus TCAD.
Ngoài các đặc tính hóa học của bản thân vật liệu, cấu trúc của thiết bị Loại III thể hiện khả năng tạo ra các cảm biến khí tự cung cấp năng lượng, điều mà các thiết bị Loại I và Loại II không thể thực hiện được.Do điện trường vốn có của chúng (BEF), cấu trúc điốt dị liên kết pn thường được sử dụng để chế tạo thiết bị quang điện và cho thấy tiềm năng chế tạo cảm biến khí quang điện tự cung cấp năng lượng ở nhiệt độ phòng dưới ánh sáng 74,158,159,160,161.BEF ở bề mặt dị hình, gây ra bởi sự khác biệt về mức Fermi của các vật liệu, cũng góp phần vào sự phân tách các cặp electron-lỗ trống.Ưu điểm của cảm biến khí quang điện tự cấp nguồn là tiêu thụ điện năng thấp vì nó có thể hấp thụ năng lượng của ánh sáng chiếu vào rồi tự điều khiển hoặc các thiết bị thu nhỏ khác mà không cần nguồn điện bên ngoài.Ví dụ, Tanuma và Sugiyama162 đã chế tạo dị liên kết NiO / ZnO pn làm pin mặt trời để kích hoạt các cảm biến CO2 đa tinh thể dựa trên SnO2.Dưới ánh sáng, điện áp mạch hở (Voc) do sự phân tách của các cặp lỗ trống điện tử trong quá trình BEP tại mặt dị thể Si / ZnO tăng tuyến tính với số lượng điốt được kết nối 74,161.VOC có thể được đại diện bởi một phương trình.
Khi tiếp xúc với khí oxy hóa, chúng tách các electron từ dây nano ZnO, dẫn đến giảm \ (N_D ^ {ZnO} \) và Voc.Ngược lại, giảm khí dẫn đến tăng Voc (Hình 10a).Hoffmann et al.This sensor can be prepared using a line of amine-functionalized ZnO nanoparticles ([3-(2-aminoethylamino)propyl]trimethoxysilane) (amino-functionalized-SAM) and thiol ((3-mercaptopropyl)-functionalized, to adjust the work function của khí mục tiêu để phát hiện chọn lọc NO2 (trimethoxysilan) (thiol-chức năng hóa-SAM)) (Hình 10b) 74,161.
cảm biến khí quang điện tự cung cấp năng lượng dựa trên Si / ZnO @ CdS, cơ chế cảm biến tự cung cấp năng lượng và phản ứng của cảm biến đối với khí bị oxy hóa (O2) và khử (1000 ppm etanol) dưới ánh sáng mặt trời;74b Cảm biến khí quang điện tự cấp nguồn dựa trên cảm biến Si ZnO / ZnO và phản ứng của cảm biến với các loại khí khác nhau sau khi chức năng hóa ZnO SAM với các amin đầu cuối và thiols 161
Do đó, khi thảo luận về cơ chế nhạy cảm của cảm biến loại III, điều quan trọng là phải xác định sự thay đổi chiều cao của hàng rào dị liên kết và khả năng của khí ảnh hưởng đến nồng độ hạt tải điện.
Cơ sở dữ liệu Web of Science đã được tìm kiếm cho các từ khóa khác nhau (vật liệu tổng hợp oxit kim loại, oxit kim loại vỏ lõi, oxit kim loại phân lớp và máy phân tích khí tự cung cấp năng lượng) cũng như các đặc điểm khác biệt (độ phong phú, độ nhạy / tính chọn lọc, tiềm năng phát điện, sản xuất) .Phương pháp Đặc điểm của ba trong số ba thiết bị này được trình bày trong Bảng 2. Khái niệm thiết kế tổng thể cho cảm biến khí hiệu suất cao được thảo luận bằng cách phân tích ba yếu tố chính do Yamazoe đề xuất.Cơ chế cho cảm biến cấu trúc MOS Để hiểu các yếu tố ảnh hưởng đến cảm biến khí, các thông số MOS khác nhau (ví dụ: kích thước hạt, nhiệt độ hoạt động, khuyết tật và mật độ trống oxy, mặt phẳng tinh thể mở) đã được nghiên cứu cẩn thận.
Ngoài ra, hoạt động của cảm biến cũng bị ảnh hưởng bởi tỷ lệ mol của các thành phần.Bởi vì các thiết bị loại II bao gồm nhiều cấu trúc dị hành phân cấp khác nhau, nhiều cơ chế cảm biến khác nhau đã được đề xuất.Với thiết kế này, các cảm biến khí quang điện tự cấp có thể được chế tạo để giảm tiêu thụ điện năng.

Do đó, việc tăng độ chọn lọc của cảm biến đối với khí mục tiêu cũng như đối với các khí khác là rất quan trọng đối với các ứng dụng thực tế.Ngoài ra, việc sửa đổi MOS bằng các vật liệu khác cũng có thể làm tăng độ chọn lọc của cảm biến.Ví dụ, việc phát hiện chọn lọc H2 có thể đạt được do hoạt tính xúc tác tốt của MOS được biến tính với NP Pd.Trong những năm gần đây, một số nhà nghiên cứu đã phủ lên bề mặt MOS MOF để cải thiện độ chọn lọc của cảm biến thông qua loại trừ kích thước171,172.Lấy cảm hứng từ công việc này, chức năng hóa vật liệu bằng cách nào đó có thể giải quyết vấn đề về tính chọn lọc.Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều việc phải làm trong việc lựa chọn vật liệu phù hợp.
Thông thường, phương pháp ly tâm và phương pháp nhúng là những phương pháp chi phí thấp để chế tạo cảm biến khí thông lượng cao..
Ngoài ra, cũng cần quan tâm đến ảnh hưởng của độ ẩm đối với cảm biến trong các ứng dụng thực tế.Tuy nhiên, các phương pháp này tốn kém, phức tạp và làm giảm độ nhạy của cảm biến.Một số chiến lược rẻ tiền đã được đề xuất để ngăn chặn ảnh hưởng của độ ẩm..
Tóm lại, các cải tiến về hiệu suất phát hiện (ví dụ, độ nhạy, độ chọn lọc, nhiệt độ hoạt động tối ưu thấp) đã đạt được bằng cách tạo ra các cấu trúc dị hành MOS và các cơ chế phát hiện được cải tiến khác nhau đã được đề xuất.Nghiên cứu về vật liệu cảm biến mới và nghiên cứu các chiến lược chế tạo tiên tiến sẽ được yêu cầu để cải thiện hơn nữa hiệu suất của cảm biến khí và giải quyết những thách thức còn lại trong tương lai.Để điều chỉnh có kiểm soát các đặc tính của cảm biến, cần phải xây dựng một cách có hệ thống mối quan hệ giữa phương pháp tổng hợp của vật liệu cảm biến và chức năng của các cấu trúc dị ứng.
khu vực lân cận.