Þróun hágæða, flytjanlegra og smækkaðra gasskynjara vekur aukna athygli á sviði umhverfisvöktunar, öryggis, læknisfræðilegrar greiningar og landbúnaðar.Meðal ýmissa uppgötvunartækja eru málm-oxíð-hálfleiðara (MOS) efnaviðnámsgasskynjarar vinsælasti kosturinn fyrir viðskiptalega notkun vegna mikils stöðugleika, lágs kostnaðar og mikils næmis.Ein mikilvægasta aðferðin til að bæta enn frekar afköst skynjarans er að búa til nanóstærð MOS-undirstaða heterojunctions (hetero-nanostructured MOS) úr MOS nanóefnum.Hins vegar er skynjunarbúnaður misskipturs MOS skynjara ólíkur eins MOS gasskynjara, þar sem hann er nokkuð flókinn.Afköst skynjara eru fyrir áhrifum af ýmsum breytum, þar á meðal eðlisfræðilegum og efnafræðilegum eiginleikum viðkvæma efnisins (svo sem kornastærð, gallaþéttleiki og súrefnislausn efnis), rekstrarhitastig og uppbygging tækis.Í þessari umfjöllun eru kynntar nokkrar hugmyndir til að hanna hágæða gasskynjara með því að greina skynjunarkerfi misleitra nanóskipaðra MOS skynjara.Að auki er fjallað um áhrif rúmfræðilegrar uppbyggingar tækisins, sem ákvarðast af tengslum viðkvæma efnisins og vinnurafskautsins.Til að rannsaka hegðun skynjara kerfisbundið, kynnir og fjallar þessi grein um almenna skynjunaraðferð þriggja dæmigerðra rúmfræðilegra uppbygginga tækja sem byggjast á ýmsum heteronanostructured efni.Þetta yfirlit mun þjóna sem leiðarvísir fyrir framtíðarlesendur sem rannsaka viðkvæma aðferð gasskynjara og þróa hágæða gasskynjara.
Loftmengun er sífellt alvarlegra vandamál og alvarlegt alþjóðlegt umhverfisvandamál sem ógnar velferð fólks og lífvera.Innöndun loftkenndra mengunarefna getur valdið mörgum heilsufarsvandamálum eins og öndunarfærasjúkdómum, lungnakrabbameini, hvítblæði og jafnvel ótímabærum dauða1,2,3,4.Frá 2012 til 2016 var tilkynnt um að milljónir manna hefðu látist af völdum loftmengunar og á hverju ári urðu milljarðar manna fyrir slæmum loftgæðum5.Þess vegna er mikilvægt að þróa flytjanlega og smækkaða gasskynjara sem geta veitt rauntíma endurgjöf og mikla skynjunarafköst (td næmni, sértækni, stöðugleika og viðbragðs- og batatíma).Auk umhverfisvöktunar gegna gasskynjarar mikilvægu hlutverki á sviði öryggis6,7,8, læknisfræðilegrar greiningar9,10, fiskeldis11 og annarra sviða12.
Hingað til hafa nokkrir flytjanlegir gasskynjarar sem byggjast á mismunandi skynjunarbúnaði verið kynntir, eins og optical13,14,15,16,17,18, electrochemical19,20,21,22 og efnaviðnámsskynjarar23,24.Meðal þeirra eru málm-oxíð-hálfleiðara (MOS) efnaviðnámsskynjarar vinsælastir í viðskiptalegum notum vegna mikils stöðugleika og lágs kostnaðar25,26.Hægt er að ákvarða styrk mengunarefna einfaldlega með því að greina breytinguna á MOS viðnámi.Snemma á sjöunda áratugnum var greint frá fyrstu efnaviðnámsgasnemanum sem byggðir voru á ZnO þunnum filmum, sem vakti mikinn áhuga á sviði gasgreiningar27,28.Í dag eru mörg mismunandi MOS notuð sem gasviðkvæm efni og má skipta þeim í tvo flokka eftir eðliseiginleikum þeirra: n-gerð MOS með rafeindir sem meirihluta hleðslubera og p-gerð MOS með holum sem meirihluta hleðslubera.hleðsluaðila.Almennt séð er p-gerð MOS minna vinsæl en n-gerð MOS vegna þess að inductive svörun p-gerð MOS (Sp) er í réttu hlutfalli við kvaðratrót af n-gerð MOS (\(S_p = \sqrt { S_n}\ ) ) við sömu forsendur (til dæmis sömu formgerð og sömu breytingu á beygju böndanna í loftinu) 29,30.Hins vegar standa MOS skynjarar á einum grunni enn frammi fyrir vandamálum eins og ófullnægjandi greiningarmörkum, lágt næmi og sértækni í hagnýtum forritum.Hægt er að bregðast við sértæknivandamálum að vissu marki með því að búa til fylki skynjara (kallað „rafræn nef“) og innlima reiknirit reikniritgreininga eins og þjálfunarvigurmælingu (LVQ), aðalhlutagreiningu (PCA) og greiningu á minnstu ferningum að hluta (PLS)31 , 32, 33, 34, 35. Að auki er framleiðsla á lágvíddar MOS32,36,37,38,39 (td einvídd (1D), 0D og 2D nanóefni), auk notkunar annarra nanóefna ( td MOS40,41,42, eðalmálm nanóagnir (NPs))43,44, kolefni nanóefni45,46 og leiðandi fjölliður47,48) til að búa til heterojunctions á nanóskala (þ.e. heteronanostructured MOS) eru aðrar ákjósanlegar aðferðir til að leysa ofangreind vandamál.Í samanburði við hefðbundnar þykkar MOS-filmur, getur lágvídd MOS með mikið sérstakt yfirborðsflatarmál veitt virkari aðsogsstaði og auðveldað gasdreifingu36,37,49.Að auki getur hönnun MOS-undirstaða heteronanostructures stillt flutning burðarefna frekar við heterointerface, sem leiðir til mikilla breytinga á viðnám vegna mismunandi rekstraraðgerða50,51,52.Að auki geta sum efnafræðileg áhrif (td hvatavirkni og samverkandi yfirborðsviðbrögð) sem eiga sér stað við hönnun MOS heteronanostructures einnig bætt afköst skynjara.50,53,54 Þó að hanna og búa til MOS heteronanostructures væri vænleg nálgun til að bæta afköst skynjara, nútíma efnaviðnámsskynjarar nota venjulega prufa og villa, sem er tímafrekt og óhagkvæmt.Þess vegna er mikilvægt að skilja skynjunarkerfi gasskynjara sem byggja á MOS þar sem það getur leiðbeint hönnun hágæða stefnuskynjara.
Á undanförnum árum hafa MOS gasskynjarar þróast hratt og sumar skýrslur hafa verið gefnar út um MOS nanóbyggingar55,56,57, stofuhita gasskynjara58,59, sérstök MOS skynjaraefni60,61,62 og sérstaka gasskynjara63.Yfirlitsgrein í Other Reviews beinist að því að útskýra skynjunarkerfi gasskynjara sem byggir á eðlisfræðilegum og efnafræðilegum eiginleikum MOS, þar á meðal hlutverki súrefnislausra 64, hlutverk heteronanostructures 55, 65 og hleðsluflutnings við heterointerfaces 66. Auk þess , margar aðrar breytur hafa áhrif á afköst skynjara, þar á meðal misskipting, kornastærð, vinnsluhitastig, gallaþéttleiki, súrefnislausn og jafnvel opin kristalflöt viðkvæma efnisins25,67,68,69,70,71.72, 73. Hins vegar hefur (sjaldan nefnd) rúmfræðileg uppbygging tækisins, ákvörðuð af tengslum milli skynjunarefnisins og vinnurafskautsins, einnig veruleg áhrif á næmni skynjarans74,75,76 (sjá kafla 3 fyrir frekari upplýsingar) .Til dæmis, Kumar o.fl.77 tilkynntu um tvo gasskynjara byggða á sama efni (td tveggja laga gasskynjara byggðir á TiO2@NiO og NiO@TiO2) og sáu mismunandi breytingar á NH3 gasþoli vegna mismunandi rúmfræði tækja.Þess vegna er mikilvægt að taka tillit til uppbyggingar tækisins við greiningu á gasskynjunarbúnaði.Í þessari umfjöllun einblína höfundar á MOS-undirstaða uppgötvunaraðferðir fyrir ýmsar ólíkar nanóbyggingar og tækjabyggingar.Við teljum að þessi endurskoðun geti þjónað sem leiðarvísir fyrir lesendur sem vilja skilja og greina gasgreiningaraðferðir og geta stuðlað að þróun framtíðar hágæða gasskynjara.
Á mynd.1a sýnir grunnlíkan gasskynjunarbúnaðar sem byggir á einum MOS.Þegar hitastigið hækkar mun frásog súrefnis (O2) sameinda á yfirborði MOS draga að sér rafeindir frá MOS og mynda anjónískar tegundir (eins og O2- og O-).Þá myndast rafeindaeyðingarlag (EDL) fyrir n-gerð MOS eða holusöfnunarlag (HAL) fyrir p-gerð MOS á yfirborði MOS 15, 23, 78. Samspil O2 og MOS veldur því að leiðniband yfirborðs MOS beygist upp og myndar hugsanlega hindrun.Í kjölfarið, þegar skynjarinn verður fyrir markgasinu, bregst gasið sem aðsogast á yfirborði MOS við jónandi súrefnistegundir, annað hvort dregur að sér rafeindir (oxandi gas) eða gefur rafeindir (afoxandi gas).Rafeindaflutningur milli markgassins og MOS getur stillt breidd EDL eða HAL30,81 sem leiðir til breytinga á heildarviðnámi MOS skynjarans.Til dæmis, fyrir afoxandi gas, verða rafeindir fluttar frá afoxunargasinu yfir í n-gerð MOS, sem leiðir til lægri EDL og minni viðnám, sem er vísað til sem n-gerð skynjarahegðun.Aftur á móti, þegar p-gerð MOS er útsett fyrir afoxandi gasi sem ákvarðar p-gerð næmni hegðun, minnkar HAL og viðnám eykst vegna rafeindagjafar.Fyrir oxandi lofttegundir er skynjarasvörunin öfug við að draga úr lofttegundum.
Grunngreiningaraðferðir fyrir n-gerð og p-gerð MOS til að draga úr og oxa lofttegundir b Lykilþættir og eðlis-efnafræðilegir eða efniseiginleikar sem taka þátt í hálfleiðara gasskynjara 89
Burtséð frá grunnskynjunarbúnaðinum eru gasgreiningaraðferðirnar sem notaðar eru í hagnýtum gasskynjurum nokkuð flóknar.Til dæmis þarf raunveruleg notkun gasskynjara að uppfylla margar kröfur (svo sem næmni, sértækni og stöðugleika) eftir þörfum notandans.Þessar kröfur eru nátengdar eðlis- og efnafræðilegum eiginleikum viðkvæma efnisins.Til dæmis sýndu Xu et al.71 fram á að SnO2 byggðir skynjarar ná hæsta næmni þegar kristalþvermál (d) er jafnt eða minna en tvöföld Debye lengd (λD) af SnO271.Þegar d ≤ 2λD er SnO2 alveg uppurið eftir aðsog O2 sameinda og svörun skynjarans við afoxunargasinu er hámark.Að auki geta ýmsar aðrar breytur haft áhrif á afköst skynjara, þar á meðal rekstrarhitastig, kristalgalla og jafnvel óvarinn kristalflöt skynjunarefnisins.Sérstaklega skýrast áhrif rekstrarhitastigs af hugsanlegri samkeppni milli hraða aðsogs og frásogs markgassins, sem og yfirborðs hvarfgirni milli aðsogaðra gassameinda og súrefnisagna4,82.Áhrif kristalgalla eru mjög tengd innihaldi súrefnislausna [83, 84].Rekstur skynjarans getur einnig haft áhrif á mismunandi hvarfgirni opinna kristalflata67,85,86,87.Opin kristalflöt með minni þéttleika sýna ósamhæfðari málmkatjónir með hærri orku, sem stuðla að yfirborðsásog og hvarfvirkni88.Í töflu 1 eru taldir upp nokkrir lykilþættir og tilheyrandi bætt skynjunarkerfi þeirra.Þess vegna, með því að stilla þessar efnisbreytur, er hægt að bæta greiningarafköst og það er mikilvægt að ákvarða lykilþætti sem hafa áhrif á afköst skynjara.
Yamazoe89 og Shimanoe et al.68,71 framkvæmdu fjölda rannsókna á fræðilegu kerfi skynjunar skynjunar og lögðu til þrjá sjálfstæða lykilþætti sem hafa áhrif á frammistöðu skynjara, sérstaklega viðtakavirkni, virkni transducer og notagildi (mynd 1b)..Virkni viðtaka vísar til getu MOS yfirborðsins til að hafa samskipti við gassameindir.Þessi aðgerð er nátengd efnafræðilegum eiginleikum MOS og hægt er að bæta verulega með því að kynna erlenda viðtakendur (til dæmis málm NP og önnur MOS).Transducer aðgerðin vísar til hæfileikans til að umbreyta hvarfinu milli gassins og MOS yfirborðsins í rafmerki sem einkennist af kornamörkum MOS.Þannig hefur skynjun verulega áhrif á MOC kornastærð og þéttleika erlendra viðtaka.Katoch o.fl.90 greindu frá því að minnkun kornastærðar ZnO-SnO2 nanófíbrilla leiddi til myndunar fjölmargra heterojunctions og aukins skynjaranæmis, í samræmi við virkni transducer.Wang o.fl.91 báru saman ýmsar kornastærðir Zn2GeO4 og sýndu 6,5-falda aukningu á skynjaranæmi eftir innleiðingu á kornamörkum.Gagnsemi er annar lykilframmistöðuþáttur skynjara sem lýsir framboði á gasi fyrir innri MOS uppbyggingu.Ef gassameindir geta ekki komist í gegn og brugðist við innri MOS, mun næmi skynjarans minnka.Gagnsemin er nátengd dreifingardýpt tiltekins gass, sem fer eftir holastærð skynjunarefnisins.Sakai o.fl.92 mótaði næmni skynjarans fyrir útblásturslofttegundum og komst að því að bæði mólþungi gassins og svitaradíus skynjarahimnunnar hafa áhrif á næmni skynjarans á mismunandi gasdreifingardýpi í skynjarahimnunni.Umfjöllunin hér að ofan sýnir að hægt er að þróa hágæða gasskynjara með því að jafnvægi og fínstilla virkni viðtaka, virkni transducer og notagildi.
Ofangreind vinna skýrir grunn skynjunarkerfi eins MOS og fjallar um nokkra þætti sem hafa áhrif á frammistöðu MOS.Auk þessara þátta geta gasskynjarar sem byggjast á misskiptingum bætt enn frekar afköst skynjara með því að bæta verulega virkni skynjara og viðtaka.Að auki geta heteronanostructures bætt enn frekar afköst skynjara með því að auka hvarfahvörf, stjórna hleðsluflutningi og búa til fleiri aðsogsstaði.Hingað til hafa margir gasskynjarar sem byggjast á MOS heteronanostructures verið rannsakaðir til að ræða aðferðir fyrir aukna skynjun95,96,97.Miller o.fl.55 tók saman nokkra aðferðir sem eru líklegar til að bæta næmni heteronanostructures, þar á meðal yfirborðsháð, viðmótsháð og uppbyggingu háð.Þar á meðal er tengiháð mögnunarbúnaðurinn of flókinn til að ná yfir öll tengivíxlverkun í einni kenningu, þar sem hægt er að nota ýmsa skynjara sem byggja á heteronanostructured efni (td nn-heterojunction, pn-heterojunction, pp-heterojunction, osfrv.) .Schottky hnútur).Venjulega innihalda MOS-undirstaða heteronanostructured skynjara alltaf tvo eða fleiri háþróaða skynjarakerfi98,99,100.Samlegðaráhrif þessara mögnunarbúnaðar geta aukið móttöku og vinnslu skynjaramerkja.Þannig er mikilvægt að skilja hvernig skynjun skynjara er byggt á ólíkum nanóuppbyggðum efnum til að hjálpa vísindamönnum að þróa gasskynjara neðan frá í samræmi við þarfir þeirra.Að auki getur rúmfræðileg uppbygging tækisins einnig haft veruleg áhrif á næmni skynjarans 74, 75, 76. Til að greina kerfisbundið hegðun skynjarans verða skynjunarkerfi þriggja tækjabygginga sem byggjast á mismunandi heteronanostructured efni kynnt. og fjallað er um hér að neðan.
Með hraðri þróun MOS-undirstaða gasskynjara hefur verið lagt til ýmis heteró-nanostructured MOS.Hleðsluflutningurinn við heteróviðmótið fer eftir mismunandi Fermi stigum (Ef) íhlutanna.Við heteróviðmótið færast rafeindir frá annarri hliðinni með stærra Ef yfir á hina hliðina með minna Ef þar til Fermi stig þeirra ná jafnvægi og holur, öfugt.Þá tæmast burðarefnin við heteróviðmótið og mynda tæmt lag.Þegar skynjarinn hefur verið útsettur fyrir markgasinu breytist styrkur MOS burðarefnisins sem er misskiptur, eins og hindrunarhæðin, og eykur þar með greiningarmerkið.Að auki leiða mismunandi aðferðir við að búa til heteronanostructures til mismunandi tengsla milli efna og rafskauta, sem leiðir til mismunandi rúmfræði tækja og mismunandi skynjunaraðferða.Í þessari umfjöllun leggjum við til þrjár rúmfræðilegar tækjabyggingar og ræðum skynjunarbúnaðinn fyrir hverja byggingu.
Þrátt fyrir að heterojunctions gegni mjög mikilvægu hlutverki í gasskynjunarafköstum, getur rúmfræði tækis alls skynjarans einnig haft veruleg áhrif á skynjunarhegðun, þar sem staðsetning leiðnirásar skynjarans er mjög háð rúmfræði tækisins.Hér er fjallað um þrjár dæmigerðar rúmfræði heterojunction MOS tækja, eins og sýnt er á mynd 2. Í fyrri gerðinni er tveimur MOS tengingum dreift af handahófi á milli tveggja rafskauta og staðsetning leiðandi rásarinnar ræðst af aðal MOS, sú seinni er myndun misleitra nanóbygginga frá mismunandi MOS, á meðan aðeins einn MOS er tengdur við rafskautið.rafskaut er tengt, þá er leiðandi rásin venjulega staðsett inni í MOS og er beintengd við rafskautið.Í þriðju gerðinni eru tvö efni fest við tvö rafskaut sérstaklega og leiða tækið í gegnum misskipting sem myndast á milli efnanna tveggja.
Bandstrik á milli efnasambanda (td „SnO2-NiO“) gefur til kynna að hlutunum tveimur sé einfaldlega blandað saman (gerð I).„@“ merki á milli tveggja tenginga (td „SnO2@NiO“) gefur til kynna að vinnupallinn (NiO) sé skreyttur með SnO2 fyrir skynjara af gerð II.Skurstrik (td „NiO/SnO2“) gefur til kynna skynjarahönnun af gerð III.
Fyrir gasskynjara sem byggja á MOS samsettum efnum er tveimur MOS frumefnum dreift af handahófi á milli rafskautanna.Fjölmargar framleiðsluaðferðir hafa verið þróaðar til að undirbúa MOS samsett efni, þar á meðal sól-hlaup, samútfellingu, vatnshita, rafspuna og vélrænar blöndunaraðferðir98,102,103,104.Nýlega hafa málmlífrænar rammar (MOFs), flokkur gljúps kristallaðra uppbyggðra efna sem samanstendur af málmmiðstöðvum og lífrænum tengingum, verið notaðar sem sniðmát til að búa til gljúp MOS samsett efni105,106,107,108.Rétt er að taka fram að þó að hlutfall MOS samsettra efna sé það sama geta næmiseinkennin verið mjög mismunandi þegar mismunandi framleiðsluferli eru notuð.109,110 Til dæmis framleiddu Gao et al.109 tvo skynjara byggða á MoO3±SnO2 samsettum efnum með sama atómhlutfalli. (Mo:Sn = 1:1,9) og komst að því að mismunandi framleiðsluaðferðir leiða til mismunandi næmis.Shaposhnik o.fl.110 greint frá því að efnahvarf samútfellds SnO2-TiO2 við loftkennt H2 væri frábrugðið efnahvarfi vélrænt blandaðs, jafnvel við sama Sn/Ti hlutfall.Þessi munur kemur til vegna þess að sambandið milli MOP og MOP kristallastærðar er breytilegt eftir mismunandi myndun aðferða109,110.Þegar kornastærð og lögun eru í samræmi hvað varðar þéttleika gjafa og gerð hálfleiðara, ætti svörunin að vera sú sama ef snertirúmfræði breytist ekki 110 .Staerz o.fl.111 greindi frá því að greiningareiginleikar SnO2-Cr2O3 kjarna-slíðurs (CSN) nanófrefja og malaðra SnO2-Cr2O3 CSNs væru næstum eins, sem bendir til þess að formgerð nanófrefja hafi ekki neinn kost.
Til viðbótar við mismunandi framleiðsluaðferðir hafa hálfleiðaragerðir tveggja mismunandi MOSFETs einnig áhrif á næmni skynjarans.Hægt er að skipta því frekar í tvo flokka eftir því hvort MOSFETarnir tveir eru af sömu gerð af hálfleiðurum (nn eða pp tengi) eða mismunandi gerðum (pn tengi).Þegar gasskynjarar eru byggðir á MOS samsettum efnum af sömu gerð, með því að breyta mólhlutfalli þessara tveggja MOS, helst næmni svörunareiginleikinn óbreyttur og næmi skynjarans er breytilegt eftir fjölda nn- eða pp-heterómóta.Þegar einn þáttur er ríkjandi í samsettu efninu (td 0,9 ZnO-0,1 SnO2 eða 0,1 ZnO-0,9 SnO2), er leiðnirásin ákvörðuð af ríkjandi MOS, sem kallast homojunction leiðunarrás 92 .Þegar hlutföll þessara tveggja þátta eru sambærileg er gert ráð fyrir að leiðnirásin einkennist af heterojunction98,102.Yamazoe o.fl.112.113 greint frá því að heterocontact svæði íhlutanna tveggja geti bætt næmni skynjarans til muna vegna þess að heterojunction hindrunin sem myndast vegna mismunandi rekstraraðgerða íhlutanna getur í raun stjórnað rekhreyfanleika skynjarans sem verður fyrir rafeindum.Ýmsar lofttegundir í umhverfinu 112.113.Á mynd.Mynd 3a sýnir að skynjarar sem byggja á SnO2-ZnO trefjastigveldisbyggingum með mismunandi ZnO innihald (frá 0 til 10 mól% Zn) geta valið greint etanól.Þar á meðal sýndi skynjari byggður á SnO2-ZnO trefjum (7 mól.% Zn) mesta næmni vegna myndunar á miklum fjölda heterojunctions og aukningar á tilteknu yfirborði, sem jók virkni breytisins og bætti næmi 90 Hins vegar, með frekari aukningu á ZnO-innihaldi í 10 mól.%, getur smábyggingin SnO2-ZnO samsett efni umvafið yfirborðsvirkjunarsvæði og dregið úr skynjaranæmi85.Svipuð þróun sést einnig fyrir skynjara sem byggja á NiO-NiFe2O4 pp heterojunction samsettum með mismunandi Fe/Ni hlutföllum (mynd 3b)114.
SEM myndir af SnO2-ZnO trefjum (7 mól.% Zn) og skynjarasvörun við ýmsum lofttegundum með styrkleika 100 ppm við 260 °C;54b Svörun skynjara byggt á hreinu NiO og NiO-NiFe2O4 samsettum efnum við 50 ppm af ýmsum lofttegundum, 260 °C;114 (c) Skýringarmynd af fjölda hnúta í xSnO2-(1-x)Co3O4 samsetningunni og samsvarandi viðnáms- og næmisviðbrögðum xSnO2-(1-x)Co3O4 samsetningarinnar á 10 ppm CO, asetón, C6H6 og SO2 gas við 350 °C með því að breyta mólhlutfalli Sn/Co 98
Pn-MOS samsett efni sýna mismunandi næmni hegðun eftir atómhlutfalli MOS115.Almennt séð er skynhegðun MOS samsettra efna mjög háð því hvaða MOS virkar sem aðalleiðnirás fyrir skynjarann.Þess vegna er mjög mikilvægt að einkenna prósentusamsetningu og nanóbyggingu samsettra efna.Kim o.fl.98 staðfestu þessa niðurstöðu með því að búa til röð af xSnO2 ± (1-x)Co3O4 samsettum nanófrefjum með rafspuna og rannsaka eiginleika skynjara þeirra.Þeir tóku eftir því að hegðun SnO2-Co3O4 samsetta skynjarans skipti úr n-gerð í p-gerð með því að minnka hlutfall SnO2 (mynd 3c)98.Auk þess sýndu skynjarar sem ráða af heterojunction (byggt á 0,5 SnO2-0,5 Co3O4) hæsta sendingarhraða fyrir C6H6 samanborið við homojunction-ráðandi skynjara (td hátt SnO2 eða Co3O4 skynjara).Innbyggt hár viðnám 0,5 SnO2-0,5 Co3O4 byggða skynjarans og meiri hæfni hans til að stilla heildarviðnám skynjarans stuðla að mestu næmi hans fyrir C6H6.Að auki geta gallar í grindarmisræmi sem koma frá SnO2-Co3O4 heteróviðmótum búið til aðsogsstaði ívilnandi fyrir gassameindir og þar með aukið skynjarasvörun109,116.
Til viðbótar við hálfleiðaragerð MOS er einnig hægt að aðlaga snertihegðun MOS samsettra efna með því að nota efnafræði MOS-117.Huo et al.117 notuðu einfalda bleyti-bökunaraðferð til að útbúa Co3O4-SnO2 samsett efni og komust að því að við Co/Sn mólhlutfall upp á 10% sýndi skynjarinn p-gerð greiningarsvörun við H2 og n-gerð næmi fyrir H2.svar.Svör skynjara við CO, H2S og NH3 lofttegundum eru sýnd á mynd 4a117.Við lágt Co/Sn hlutfall myndast margar samtengingar við SnO2±SnO2 nanókornamörk og sýna n-gerð skynjara viðbrögð við H2 (Mynd. 4b,c)115.Með aukningu á Co/Sn hlutfalli upp í 10 mól.%, í stað SnO2-SnO2 homojunctions mynduðust mörg Co3O4-SnO2 heterojunctions samtímis (mynd 4d).Þar sem Co3O4 er óvirkt með tilliti til H2, og SnO2 hvarfast kröftuglega við H2, eiga sér stað hvarf H2 við jónísk súrefnistegundir aðallega á yfirborði SnO2117.Þess vegna færast rafeindir til SnO2 og Ef SnO2 færist yfir á leiðnisviðið, en Ef Co3O4 helst óbreytt.Fyrir vikið eykst viðnám skynjarans, sem gefur til kynna að efni með hátt Co/Sn hlutfall sýna p-gerð skynjunarhegðun (Mynd 4e).Aftur á móti hvarfast CO, H2S og NH3 lofttegundir við jónandi súrefnistegundir á SnO2 og Co3O4 yfirborðinu og rafeindir flytjast frá gasinu til skynjarans, sem leiðir til lækkunar á hindrunarhæð og n-gerð næmi (mynd 4f)..Þessi mismunandi hegðun skynjara er vegna mismunandi hvarfgirni Co3O4 við mismunandi lofttegundir, sem var enn frekar staðfest af Yin o.fl.118 .Á sama hátt, Katoch o.fl.119 sýndi fram á að SnO2-ZnO samsett efni hafa góða sértækni og mikið næmi fyrir H2.Þessi hegðun á sér stað vegna þess að H atóm geta auðveldlega aðsogast í O stöður ZnO vegna sterkrar blendingar milli s-svigrúms H og p-svigrúms O, sem leiðir til málmmyndunar á ZnO120,121.
a Co/Sn-10% kraftmikil viðnámsferill fyrir dæmigerðar afoxandi lofttegundir eins og H2, CO, NH3 og H2S, b, c Co3O4/SnO2 samsettur skynjunarmynd fyrir H2 við lágt % m.Co/Sn, df Co3O4 Mechanism uppgötvun H2 og CO, H2S og NH3 með háu Co/Sn/SnO2 samsettu efni
Þess vegna getum við bætt næmni I-gerð skynjarans með því að velja viðeigandi framleiðsluaðferðir, minnka kornastærð samsettra efna og fínstilla mólhlutfall MOS samsettra efna.Að auki getur djúpur skilningur á efnafræði viðkvæma efnisins aukið enn frekar valhæfni skynjarans.
Tegund II skynjarabyggingar eru önnur vinsæl skynjarabygging sem getur notað margs konar ólík nanóuppbyggingu efni, þar á meðal eitt „meistara“ nanóefni og annað eða jafnvel þriðja nanóefni.Til dæmis eru einvídd eða tvívídd efni skreytt með nanóögnum, kjarnaskel (CS) og marglaga heteronanostructured efni almennt notuð í skynjara af gerð II og verður fjallað ítarlega um það hér að neðan.
Fyrir fyrsta heteronanostructure efni (skreytt heteronanostructure), eins og sýnt er á mynd 2b(1), eru leiðandi rásir skynjarans tengdar með grunnefni.Vegna myndun heterojunctions geta breyttar nanóagnir veitt fleiri hvarfgjörn staði fyrir gas aðsog eða frásog, og geta einnig virkað sem hvatar til að bæta skynjunarafköst109,122,123,124.Yuan o.fl.41 benti á að skreyting WO3 nanóvíra með CeO2 nanodotum getur veitt fleiri aðsogsstaði á CeO2@WO3 heteróviðmótinu og CeO2 yfirborðinu og myndað fleiri efnasogaðar súrefnistegundir til hvarf við asetón.Gunawan o.fl.125. Mælt hefur verið með ofurnæmum asetónskynjara sem byggir á einvíða Au@α-Fe2O3 og hefur komið fram að næmi skynjarans er stjórnað með virkjun O2 sameinda sem súrefnisgjafa.Tilvist Au NPs getur virkað sem hvati sem stuðlar að sundrun súrefnissameinda í grindarsúrefni fyrir oxun asetóns.Svipaðar niðurstöður fengu Choi o.fl.9 þar sem Pt hvati var notaður til að sundra aðsogaðar súrefnissameindir í jónaðar súrefnistegundir og auka viðkvæm svörun við asetoni.Árið 2017 sýndi sama rannsóknarteymi fram á að tvímálmi nanóagnir eru mun skilvirkari í hvata en stakar nanóagnir úr eðalmálmi, eins og sýnt er á mynd 5126. 5a er skýringarmynd af framleiðsluferlinu fyrir platínu-undirstaða tvímálms (PtM) NP sem nota apóferritín frumur með meðalstærð minni en 3 nm.Síðan, með því að nota rafspunaaðferðina, voru PtM@WO3 nanófrefjar fengnar til að auka næmi og sértækni fyrir asetoni eða H2S (mynd 5b-g).Nýlega hafa stakir atóm hvatar (SAC) sýnt framúrskarandi hvatavirkni á sviði hvata og gasgreiningar vegna hámarks skilvirkni notkunar atóma og stillt rafeindamannvirki127,128.Shin o.fl.129 notuðu Pt-SA fest kolnítríð (MCN), SnCl2 og PVP nanóblöð sem efnagjafa til að undirbúa Pt@MCN@SnO2 innbyggðar trefjar fyrir gasgreiningu.Þrátt fyrir mjög lágt innihald Pt@MCN (frá 0,13 wt.% til 0,68 wt.%) er greiningargeta loftkennds formaldehýðs Pt@MCN@SnO2 betri en önnur viðmiðunarsýni (hreint SnO2, MCN@SnO2 og Pt NPs@) SnO2)..Þessa frábæra greiningargetu má rekja til hámarks lotuvirkni Pt SA hvatans og lágmarksþekju SnO2129 virkra staða.
Apoferritin-hlaðinn hjúpunaraðferð til að fá PtM-apo (PtPd, PtRh, PtNi) nanóagnir;kraftmikla gasnæma eiginleika bd óspilltra WO3, PtPd@WO3, PtRn@WO3 og Pt-NiO@WO3 nanófrefja;byggt til dæmis á sértæknieiginleikum PtPd@WO3, PtRn@WO3 og Pt-NiO@WO3 nanófrefjaskynjara upp í 1 ppm af truflunargasi 126
Að auki geta heterojunctions sem myndast milli vinnupallaefna og nanóagna einnig á áhrifaríkan hátt stýrt leiðslurásum í gegnum geislamyndaðan mótunarbúnað til að bæta afköst skynjara130,131,132.Á mynd.Mynd 6a sýnir skynjarareiginleika hreinna SnO2 og Cr2O3@SnO2 nanóvíra til að draga úr og oxa lofttegundir og samsvarandi skynjarakerfi131.Í samanburði við hreina SnO2 nanóvíra er svörun Cr2O3@SnO2 nanóvíra við afoxandi lofttegundum aukin til muna, á meðan viðbrögð við oxandi lofttegundum versna.Þessi fyrirbæri eru nátengd staðbundinni hraðaminnkun á leiðnirásum SnO2 nanóvíra í geislalaga stefnu myndaðs pn heterojunction.Hægt er að stilla skynjaraviðnámið einfaldlega með því að breyta EDL breidd á yfirborði hreinna SnO2 nanóvíra eftir útsetningu fyrir afoxandi og oxandi lofttegundum.Hins vegar, fyrir Cr2O3@SnO2 nanóvíra, eykst upphaflegt DEL SnO2 nanóvíra í lofti samanborið við hreina SnO2 nanóvíra, og leiðnirásin er bæld vegna myndunar á heterojunction.Þess vegna, þegar skynjarinn verður fyrir afoxandi gasi, losnar fastar rafeindir inn í SnO2 nanóvírana og EDL minnkar verulega, sem leiðir til hærra næmis en hreinir SnO2 nanóvírar.Aftur á móti, þegar skipt er yfir í oxandi gas, er DEL stækkun takmörkuð, sem leiðir til lágs næmis.Svipaðar niðurstöður úr skynsvörun komu fram af Choi o.fl., 133 þar sem SnO2 nanóvírar skreyttir með p-gerð WO3 nanóögnum sýndu marktækt betri skynsvörun við minnkandi lofttegundum, en n-skreyttir SnO2 skynjarar höfðu bætt næmni fyrir oxandi lofttegundum.TiO2 nanóagnir (Mynd 6b) 133. Þessi niðurstaða er aðallega vegna mismunandi vinnuaðgerða SnO2 og MOS (TiO2 eða WO3) nanóagna.Í nanóögnum af p-gerð (n-gerð) stækkar (eða dregst saman) leiðnirás rammaefnisins (SnO2) í geislastefnu og síðan, undir áhrifum minnkunar (eða oxunar), frekari þenslu (eða styttingar) af leiðslurás SnO2 – rif) gassins (mynd 6b).
Geislamyndað mótunarkerfi framkallað af breyttu LF MOS.Samantekt á viðbrögðum gass við 10 ppm afoxandi og oxandi lofttegundum byggt á hreinum SnO2 og Cr2O3@SnO2 nanóvírum og samsvarandi skýringarmyndum fyrir skynjunarkerfi;og samsvarandi kerfi WO3@SnO2 nanorods og uppgötvunarkerfi133
Í tví- og fjöllaga ólíkum tækjum er leiðslurás tækisins einkennist af laginu (venjulega neðsta lagið) sem er í beinni snertingu við rafskautin og misskiptingin sem myndast við tengi laganna tveggja getur stjórnað leiðni botnlagsins. .Þess vegna, þegar lofttegundir hafa samskipti við efsta lagið, geta þær haft veruleg áhrif á leiðslurásir neðsta lagsins og viðnám 134 tækisins.Til dæmis, Kumar o.fl.77 greint frá gagnstæðri hegðun TiO2@NiO og NiO@TiO2 tvöföld lög fyrir NH3.Þessi munur verður til vegna þess að leiðnirásir skynjaranna tveggja ráða í lögum af mismunandi efnum (NiO og TiO2, í sömu röð) og þá eru breytileikar í undirliggjandi leiðslurásum mismunandi77.
Tvílaga eða marglaga heterónóbyggingar eru almennt framleiddar með sputtering, atómlagsútfellingu (ALD) og skilvindu56,70,134,135,136.Hægt er að stjórna filmuþykktinni og snertiflötur efnanna tveggja vel.Myndir 7a og b sýna NiO@SnO2 og Ga2O3@WO3 nanófilmur fengnar með sputtering fyrir etanólgreiningu135,137.Hins vegar framleiða þessar aðferðir almennt flatar filmur og þessar flatu filmur eru minna viðkvæmar en 3D nanóskipulagt efni vegna lágs tiltekins yfirborðs þeirra og loftgegndræpi.Þess vegna hefur vökvafasa stefna til að búa til tveggja laga kvikmyndir með mismunandi stigveldi einnig verið lögð til til að bæta skynjunarafköst með því að auka tiltekið yfirborðsflatarmál41,52,138.Zhu et al139 sameinuðu sputtering og vatnshitatækni til að framleiða mjög skipaða ZnO nanóvíra yfir SnO2 nanóvíra (ZnO@SnO2 nanóvíra) fyrir H2S uppgötvun (Mynd 7c).Svörun hans við 1 ppm H2S er 1,6 sinnum hærri en skynjari sem byggir á sputtered ZnO@SnO2 nanófilmum.Liu o.fl.52 greint frá afkastamikilli H2S skynjara sem notar tveggja þrepa efnafræðilega útfellingaraðferð á staðnum til að búa til stigveldiskerfi SnO2@NiO nanóbygginga fylgt eftir með hitauppstreymi (mynd 10d).Í samanburði við hefðbundnar sputtered SnO2@NiO tvílaga filmur, er næmni frammistöðu SnO2@NiO stigveldis tvílagsbyggingarinnar verulega bætt vegna aukningar á tilteknu yfirborði52.137.
Tvöfaldur gasskynjari byggður á MOS.NiO@SnO2 nanófilma til að greina etanól;137b Ga2O3@WO3 nanófilma til að greina etanól;135c mjög skipulögð SnO2@ZnO tvílaga stigveldisuppbygging fyrir H2S uppgötvun;139d SnO2@NiO tvílaga stigveldisskipulag til að greina H2S52.
Í tækjum af gerð II sem byggjast á kjarna-skel heteronanostructures (CSHNs), er skynjunarbúnaðurinn flóknari, þar sem leiðnirásirnar eru ekki takmarkaðar við innri skelina.Bæði framleiðsluleiðin og þykktin (hs) pakkans geta ákvarðað staðsetningu leiðandi rásanna.Til dæmis, þegar notast er við botn-upp nýmyndunaraðferðir, eru leiðslurásir venjulega takmarkaðar við innri kjarna, sem er svipaður að uppbyggingu og tveggja laga eða fjöllaga tækjabyggingar (Mynd 2b(3)) 123, 140, 141, 142, 143. Xu o.fl.144 greint frá botn-upp nálgun til að fá CSHN NiO@α-Fe2O3 og CuO@α-Fe2O3 með því að setja lag af NiO eða CuO NPs á α-Fe2O3 nanorods þar sem leiðslurásin var takmörkuð af miðhlutanum.(nanorods α-Fe2O3).Liu o.fl.142 tókst einnig að takmarka leiðslurásina við meginhluta CSHN TiO2 @ Si með því að setja TiO2 á tilbúnar fylki kísil nanóvíra.Þess vegna fer skynjunarhegðun þess (p-gerð eða n-gerð) aðeins eftir hálfleiðaragerð kísilnanovírsins.
Hins vegar voru flestir skráðir CSHN-undirstaða skynjarar (mynd 2b (4)) framleiddir með því að flytja duft úr tilbúnu CS efninu á flögur.Í þessu tilviki hefur þykkt hússins (hs) áhrif á leiðni leið skynjarans.Hópur Kim rannsakaði áhrif hs á gasgreiningargetu og lagði til mögulegan greiningarbúnað 100,112,145,146,147,148. Talið er að tveir þættir stuðli að skynjunarkerfi þessarar uppbyggingar: (1) geislamótun EDL skeljarins og (2) rafsviðssmearáhrifin (mynd 8) 145. Rannsakendur nefndu að leiðnirásin burðarefna er að mestu bundin við skellag þegar hs > λD skellagsins145. Talið er að tveir þættir stuðli að skynjunarkerfi þessarar uppbyggingar: (1) geislamótun EDL skeljarins og (2) rafsviðssmearáhrifin (mynd 8) 145. Rannsakendur nefndu að leiðnirásin burðarefna er að mestu bundin við skellag þegar hs > λD skellagsins145. 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. Talið er að tveir þættir eigi þátt í skynjunarferli þessarar byggingar: (1) geislamyndað mótun EDL skeljar og (2) áhrif þess að rafsviðið verði óskýrt (mynd 8) 145. Rannsakendur tóku fram að burðarleiðnirásin er aðallega bundin við skelina þegar hs > λD skeljar145.Talið er að tveir þættir stuðli að greiningarkerfi þessarar mannvirkis: (1) geislamótun á DEL skeljarins og (2) áhrif rafsviðssmárunar (mynd 8) 145.研究人员提到传导通道当壳层的hs > λD145 时，载流子的数量主要局限于倳局限于倳局 > λD145 时，载流子的数量主要局限于壳层。 Исследователи отметили, что канал проводимости Исследователи отметили, что канал проводимости Исследователи отметили, что канал проводимости Когда hs > λD145 оболочки, количество носителелей в оснг. Rannsakendur tóku fram að leiðni rás Þegar hs > λD145 af skelinni, er fjöldi burðarefna aðallega takmarkaður af skelinni.Þess vegna, í viðnámsmótun skynjarans sem byggir á CSHN, er geislamyndað mótun klæðningarinnar DEL ríkjandi (mynd 8a).Hins vegar, við hs ≤ λD í skelinni, eru súrefnisagnir sem aðsogast af skelinni og heterómótin sem myndast við CS heterojunction algjörlega tæmd af rafeindum. Þess vegna er leiðnirásin ekki aðeins staðsett inni í skellaginu heldur einnig að hluta til í kjarnahlutanum, sérstaklega þegar hs < λD skellagsins. Þess vegna er leiðnirásin ekki aðeins staðsett inni í skellaginu heldur einnig að hluta til í kjarnahlutanum, sérstaklega þegar hs < λD skellagsins. Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочечного слоя, но и частично в сердинце. Þess vegna er leiðslurásin ekki aðeins staðsett inni í skellaginu heldur einnig að hluta í kjarnahlutanum, sérstaklega við hs < λD skellagsins.因此，传导通道不仅位于壳层内部，而且部分位于芯部，尤其是当壳层层的 hs < λD 时. Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочки, но и частично в сердцевине, сочно. Þess vegna er leiðnirásin ekki aðeins staðsett inni í skelinni, heldur einnig að hluta til í kjarnanum, sérstaklega við hs < λD í skelinni.Í þessu tilviki hjálpa bæði rafeindaskel sem er að fullu tæmd og kjarnalagið að hluta til að móta viðnám alls CSHN, sem leiðir til rafsviðs halaáhrifa (mynd 8b).Sumar aðrar rannsóknir hafa notað EDL rúmmálsbrotshugtakið í stað rafsviðshala til að greina hs áhrifin100.148.Að teknu tilliti til þessara tveggja framlaga nær heildarmótun CSHN viðnámsins hæsta gildi sínu þegar hs er sambærilegt við slíðið λD, eins og sýnt er á mynd 8c.Þess vegna getur ákjósanlegur hs fyrir CSHN verið nálægt skelinni λD, sem er í samræmi við tilraunaathuganir99,144,145,146,149.Nokkrar rannsóknir hafa sýnt að hs getur einnig haft áhrif á næmni CSHN-undirstaða pn-heterojunction skynjara40,148.Li o.fl.148 og Bai o.fl.40 rannsakað kerfisbundið áhrif hs á frammistöðu pn-heterojunction CSHN skynjara, eins og TiO2@CuO og ZnO@NiO, með því að breyta klæðningar ALD hringrásinni.Fyrir vikið breyttist skynhegðun úr p-gerð í n-gerð með vaxandi hs40,148.Þessi hegðun stafar af þeirri staðreynd að í fyrstu (með takmörkuðum fjölda ALD hringrása) er hægt að líta á heterostructures sem breytta heteronanostructures.Þannig er leiðnirásin takmörkuð af kjarnalaginu (p-gerð MOSFET) og skynjarinn sýnir p-gerð uppgötvunarhegðun.Þegar fjöldi ALD hringrása eykst verður klæðningarlagið (n-gerð MOSFET) hálfsamfellt og virkar sem leiðnirás, sem leiðir til næmni af n-gerð.Tilkynnt hefur verið um svipaða skynjunarhegðun fyrir pn greinótta heterónóbyggingar 150,151.Zhou o.fl.150 rannsökuðu næmni Zn2SnO4@Mn3O4 greinóttra heterónóbygginga með því að stjórna Zn2SnO4 innihaldi á yfirborði Mn3O4 nanóvíra.Þegar Zn2SnO4 kjarnar mynduðust á Mn3O4 yfirborðinu kom fram næmi af p-gerð.Með frekari aukningu á Zn2SnO4 innihaldi skiptir skynjari sem byggir á greinóttum Zn2SnO4@Mn3O4 heteronanostructures yfir í n-gerð skynjarahegðun.
Hugmyndaleg lýsing á tveggja virka skynjarabúnaði CS nanóvíra er sýnd.a Viðnámsmótun vegna geislamótunar rafeindaþurrðar skeljar, b Neikvæð áhrif smearing á mótstöðumótun og c Heildarviðnámsmótun CS nanóvíra vegna samsetningar beggja áhrifa 40
Að lokum, tegund II skynjarar innihalda margar mismunandi stigveldi nanóbyggingar og afköst skynjara eru mjög háð fyrirkomulagi leiðandi rásanna.Þess vegna er mikilvægt að stjórna staðsetningu leiðslurásar skynjarans og nota viðeigandi misskipt MOS líkan til að rannsaka útbreiddan skynjunarbúnað tegund II skynjara.
Tegund III skynjarabyggingar eru ekki mjög algengar og leiðnirásin byggir á misskiptingum sem myndast á milli tveggja hálfleiðara sem eru tengdir tveimur rafskautum, í sömu röð.Einstök uppbygging tækja er venjulega fengin með örvinnslutækni og skynjunarkerfi þeirra eru mjög frábrugðin fyrri tveimur skynjarabyggingum.IV ferill tegund III skynjara sýnir venjulega dæmigerða leiðréttingareiginleika vegna heterojunction myndunar48,152,153.I–V einkennisferil ákjósanlegs heterojunctions má lýsa með varmakerfi rafeindalosunar yfir hæð heterojunction hindrunnar152,154,155.
þar sem Va er forspenna, A er flatarmál tækisins, k er Boltzmann-fasti, T er alger hitastig, q er burðarhleðsla, Jn og Jp eru holu- og rafeindadreifingarstraumþéttleiki, í sömu röð.IS táknar andstæða mettunarstrauminn, skilgreindan sem: 152.154.155
Þess vegna er heildarstraumur pn heterómótanna háður breytingu á styrk hleðslubera og breytingu á hæð hindrunar heterómótsins, eins og sýnt er í jöfnum (3) og (4) 156
þar sem nn0 og pp0 eru styrkur rafeinda (gata) í n-gerð (p-gerð) MOS, \(V_{bi}^0\) er innbyggður möguleiki, Dp (Dn) er dreifingarstuðull rafeindir (göt), Ln (Lp ) er dreifingarlengd rafeinda (gata), ΔEv (ΔEc) er orkubreyting gildisbandsins (leiðnisviðs) á heterojunction.Þótt straumþéttleiki sé í réttu hlutfalli við burðarþéttleika er hann veldisvísis öfugu hlutfalli við \(V_{bi}^0\).Þess vegna fer heildarbreytingin á straumþéttleika mjög eftir mótun hæðar heterojunction hindrunarinnar.
Eins og getið er hér að ofan getur sköpun heteró-nanostructured MOSFETs (til dæmis tegund I og tegund II tæki) verulega bætt afköst skynjarans, frekar en einstakra íhluta.Og fyrir tæki af gerð III, getur heteronanostructure svarið verið hærra en tveir þættir48.153 eða hærri en einn hluti76, allt eftir efnasamsetningu efnisins.Nokkrar skýrslur hafa sýnt að svörun heteronanostructures er mun hærri en eins efnisþáttar þegar einn af íhlutunum er ónæmur fyrir markgasinu48,75,76,153.Í þessu tilviki mun markgasið aðeins hafa samskipti við viðkvæma lagið og valda breytingu Ef á viðkvæma lagið og breytingu á hæð heterojunction hindrunar.Þá mun heildarstraumur tækisins breytast verulega þar sem hann er í öfugu hlutfalli við hæð heterojunction hindrunarinnar samkvæmt jöfnunni.(3) og (4) 48,76,153.Hins vegar, þegar bæði n-gerð og p-gerð íhlutir eru viðkvæmir fyrir markgasinu, getur greiningarafköst verið einhvers staðar þar á milli.José o.fl.76 framleiddu gljúpan NiO/SnO2 filmu NO2 skynjara með sputtering og komust að því að skynjarinn var aðeins hærri en NiO byggt skynjari, en lægri en SnO2 byggt skynjara.skynjari.Þetta fyrirbæri stafar af því að SnO2 og NiO sýna andstæð viðbrögð við NO276.Einnig, vegna þess að íhlutirnir tveir hafa mismunandi gasnæmi, geta þeir haft sömu tilhneigingu til að greina oxandi og afoxandi lofttegundir.Til dæmis, Kwon o.fl.157 lagði til NiO/SnO2 pn-heterojunction gasskynjara með skásputting, eins og sýnt er á mynd 9a.Athyglisvert er að NiO/SnO2 pn-heterojunction skynjarinn sýndi sömu næmniþróun fyrir H2 og NO2 (mynd 9a).Til að leysa þessa niðurstöðu, Kwon o.fl.157 rannsakað kerfisbundið hvernig NO2 og H2 breyta styrkleika burðarefnis og stillt \(V_{bi}^0\) beggja efna með því að nota IV-eiginleika og tölvuhermun (Mynd 9bd).Myndir 9b og c sýna getu H2 og NO2 til að breyta burðarþéttleika skynjara byggt á p-NiO (pp0) og n-SnO2 (nn0), í sömu röð.Þeir sýndu að pp0 af p-gerð NiO breyttist lítillega í NO2 umhverfinu, en það breyttist verulega í H2 umhverfinu (Mynd 9b).Hins vegar, fyrir n-gerð SnO2, hegðar nn0 sér á öfugan hátt (mynd 9c).Byggt á þessum niðurstöðum komust höfundar að þeirri niðurstöðu að þegar H2 var borið á skynjarann byggt á NiO/SnO2 pn heterojunction, leiddi aukning á nn0 til hækkunar á Jn og \(V_{bi}^0\) leiddi til a lækkun á svörun (mynd 9d).Eftir útsetningu fyrir NO2 leiða bæði mikil lækkun á nn0 í SnO2 og lítil aukning á pp0 í NiO til mikillar lækkunar á \(V_{bi}^0\), sem tryggir aukningu á skynsvörun (Mynd 9d) ) 157 Að endingu leiða breytingar á styrk burðarefna og \(V_{bi}^0\) til breytinga á heildarstraumi, sem hefur enn frekar áhrif á greiningargetuna.
Skynjunarbúnaður gasskynjarans er byggður á uppbyggingu gerð III tækisins.Skanna rafeindasmásjá (SEM) þversniðsmyndir, p-NiO/n-SnO2 nanóspólubúnaður og skynjaraeiginleikar p-NiO/n-SnO2 nanóspólu heterojunction skynjara við 200°C fyrir H2 og NO2;b , þversniðs SEM c-tækis, og hermi niðurstöður tækis með p-NiO b-lagi og n-SnO2 c-lagi.b p-NiO skynjarinn og c n-SnO2 skynjarinn mæla og passa við I–V eiginleika í þurru lofti og eftir útsetningu fyrir H2 og NO2.Tvívítt kort af b-holuþéttleika í p-NiO og kort af c-rafeindum í n-SnO2 laginu með litakvarða voru mótuð með því að nota Sentaurus TCAD hugbúnaðinn.d Niðurstöður hermis sem sýna þrívíddarkort af p-NiO/n-SnO2 í þurru lofti, H2 og NO2157 í umhverfinu.
Til viðbótar við efnafræðilega eiginleika efnisins sjálfs sýnir uppbygging gerð III tækisins möguleikann á að búa til sjálfknúna gasskynjara, sem er ekki mögulegt með gerð I og Type II tæki.Vegna eðlis rafsviðs þeirra (BEF), eru pn heterojunction díóðabyggingar almennt notaðar til að byggja ljós rafhlöðutæki og sýna möguleika á að búa til sjálfknúna ljósafmagnsgasskynjara við stofuhita undir lýsingu74,158,159,160,161.BEF við heteróviðmótið, sem stafar af mismun á Fermi-gildum efnanna, stuðlar einnig að aðskilnaði rafeindaholapöra.Kosturinn við sjálfknúna gasskynjara er lítil orkunotkun þar sem hann getur tekið í sig orku ljóssins og síðan stjórnað sjálfum sér eða öðrum smátækjum án þess að þurfa utanaðkomandi aflgjafa.Til dæmis hafa Tanuma og Sugiyama162 búið til NiO/ZnO pn heterojunctions sem sólarsellur til að virkja SnO2-byggða fjölkristallaða CO2 skynjara.Gad o.fl.74 greindi frá sjálfknúnum gasskynjara sem byggir á Si/ZnO@CdS pn heterojunction, eins og sýnt er á mynd 10a.Lóðrétt stilltir ZnO nanóvírar voru ræktaðir beint á p-gerð sílikon hvarfefni til að mynda Si/ZnO pn heterojunctions.Síðan var CdS nanóögnum breytt á yfirborði ZnO nanóvíra með efnafræðilegum yfirborðsbreytingum.Á mynd.10a sýnir ótengdan Si/ZnO@CdS skynjara svörunarniðurstöður fyrir O2 og etanól.Undir lýsingu eykst opið spenna (Voc) vegna aðskilnaðar rafeindaholapöra við BEP við Si/ZnO heteróviðmótið línulega með fjölda tengdra díóða74.161.Voc er hægt að tákna með jöfnu.(5) 156,
þar sem ND, NA og Ni eru styrkur gjafa, viðtakenda og innri burðarefna, í sömu röð, og k, T og q eru sömu breytur og í fyrri jöfnunni.Þegar þeir verða fyrir oxandi lofttegundum draga þeir út rafeindir úr ZnO nanóvírum, sem leiðir til minnkunar á \(N_D^{ZnO}\) og Voc.Aftur á móti leiddi gaslækkun til aukningar á Voc (mynd 10a).Þegar ZnO er skreytt með CdS nanóögnum eru ljósspenntar rafeindir í CdS nanóögnum sprautað inn í leiðniband ZnO og hafa samskipti við aðsogað gas og þar með aukið skynjunarskilvirkni74.160.Sambærilegur sjálfknúinn ljósgasskynjari byggður á Si/ZnO var tilkynnt af Hoffmann o.fl.160, 161 (mynd 10b).Hægt er að útbúa þennan skynjara með því að nota línu af amínvirkuðum ZnO nanóögnum ([3-(2-amínóetýlamínó)própýl]trímetoxýsílan) (amínóvirkt-SAM) og þíól ((3-merkaptóprópýl)-virkt, til að stilla vinnuaðgerðina af markgasinu til sértækrar greiningar á NO2 (trímetoxýsílani) (þíólvirkjað-SAM)) (mynd 10b) 74.161.
Sjálfknúinn ljósafmagnsgasskynjari byggður á byggingu búnaðar af gerð III.sjálfknúinn ljósgeislunarskynjari byggður á Si/ZnO@CdS, sjálfknúnum skynjunarbúnaði og skynjaraviðbrögðum við oxuðum (O2) og minnkaðri (1000 ppm etanóli) lofttegundum undir sólarljósi;74b Sjálfknúinn ljósgeislunarskynjari byggður á Si ZnO/ZnO skynjara og skynjaraviðbrögðum við ýmsum lofttegundum eftir virkni ZnO SAM með endaamínum og þíólum 161
Þess vegna, þegar rætt er um viðkvæman vélbúnað tegund III skynjara, er mikilvægt að ákvarða breytingu á hæð heterojunction hindrunar og getu gassins til að hafa áhrif á styrk burðarefnisins.Að auki getur lýsing myndað ljósmyndaða burðarefni sem hvarfast við lofttegundir, sem lofar góðu fyrir sjálfknúna gasgreiningu.
Eins og fjallað er um í þessari bókmenntarýni hafa margar mismunandi MOS heteronanostructures verið framleiddar til að bæta afköst skynjara.Leitað var í vísindavefgagnagrunninum að ýmsum leitarorðum (samsett efni úr málmoxíð, málmoxíð úr kjarna-slíðri, lagskipt málmoxíð og sjálfknúin gasgreiningartæki) sem og sérkennum (magn, næmi/sérval, orkuöflunarmöguleikar, framleiðsla) .Aðferð Eiginleikar þriggja af þessum þremur tækjum eru sýndir í töflu 2. Fjallað er um heildarhönnunarhugmyndina fyrir hágæða gasskynjara með því að greina þá þrjá lykilþætti sem Yamazoe lagði til.Aðferðir fyrir MOS ólíkar uppbyggingarskynjara Til að skilja þá þætti sem hafa áhrif á gasskynjara hafa ýmsar MOS breytur (td kornastærð, rekstrarhitastig, galla og súrefnisleysisþéttleiki, opin kristalplan) verið rannsakaðar vandlega.Uppbygging tækja, sem einnig er mikilvæg fyrir skynjunarhegðun skynjarans, hefur verið vanrækt og sjaldan rædd.Þessi úttekt fjallar um undirliggjandi kerfi til að greina þrjár dæmigerðar gerðir tækjabyggingar.
Uppbygging kornastærðar, framleiðsluaðferð og fjöldi misskiptinga skynjunarefnisins í skynjara af gerð I geta haft mikil áhrif á næmni skynjarans.Að auki hefur hegðun skynjarans einnig áhrif á mólhlutfall íhlutanna.Tegund II tækjabyggingar (skreytingar heteronanostructures, tví- eða fjöllaga kvikmyndir, HSSNs) eru vinsælustu tækjabyggingarnar sem samanstanda af tveimur eða fleiri íhlutum og aðeins einn íhlutur er tengdur við rafskautið.Fyrir þessa tækjauppbyggingu er mikilvægt að ákvarða staðsetningu leiðslurásanna og hlutfallslegar breytingar þeirra við rannsókn á skynjunarferli.Vegna þess að tæki af tegund II innihalda margar mismunandi stigskipt heteronanostructures, hafa margar mismunandi skynjunaraðferðir verið lagðar til.Í skynbyggingu af gerð III einkennist leiðslurásin af heterojunction sem myndast við heterojunction og skynjunarkerfið er allt öðruvísi.Þess vegna er mikilvægt að ákvarða breytingu á hæð heterojunction hindrunar eftir útsetningu markgassins fyrir gerð III skynjara.Með þessari hönnun er hægt að búa til sjálfknúna ljósgasskynjara til að draga úr orkunotkun.Hins vegar, þar sem núverandi framleiðsluferli er frekar flókið og næmni er mun lægri en hefðbundnir MOS-undirstaða efnaviðnámsgasskynjara, eru enn miklar framfarir í rannsóknum á sjálfknúnum gasskynjurum.
Helstu kostir gas MOS skynjara með stigveldi heteronanostructures eru hraði og meiri næmi.Hins vegar eru nokkur lykilvandamál MOS gasskynjara (td hár vinnsluhiti, langtímastöðugleiki, lélegur sértækni og endurgerðanleiki, rakaáhrif osfrv.) enn til staðar og þarf að taka á þeim áður en hægt er að nota þá í hagnýtum forritum.Nútíma MOS gasskynjarar starfa venjulega við háan hita og eyða miklu afli, sem hefur áhrif á langtímastöðugleika skynjarans.Það eru tvær algengar aðferðir til að leysa þetta vandamál: (1) þróun lágstyrks skynjaraflaga;(2) þróun nýrra viðkvæmra efna sem geta starfað við lágt hitastig eða jafnvel við stofuhita.Ein aðferð við þróun lítilla aflskynjaraflaga er að lágmarka stærð skynjarans með því að búa til örhitunarplötur byggðar á keramik og sílikoni163.Örhitaplötur sem eru byggðar úr keramik eyða um það bil 50–70 mV á hvern skynjara, en bjartsýnir örhitaplötur sem eru byggðar á sílikon geta eytt allt að 2 mW á hvern skynjara þegar þær eru stöðugt í gangi við 300 °C163,164.Þróun nýrra skynjunarefna er áhrifarík leið til að draga úr orkunotkun með því að lækka hitastigið og getur einnig bætt stöðugleika skynjarans.Þar sem stærð MOS heldur áfram að minnka til að auka næmni skynjarans, verður hitastöðugleiki MOS meiri áskorun, sem getur leitt til reks í skynjaramerkinu165.Að auki stuðlar hár hiti að dreifingu efna við heteróviðmótið og myndun blönduðra fasa, sem hefur áhrif á rafeiginleika skynjarans.Rannsakendur segja að hægt sé að lækka ákjósanlegasta rekstrarhitastig skynjarans með því að velja viðeigandi skynjunarefni og þróa MOS heteronanostructures.Leitin að lághitaaðferð til að búa til mjög kristallaða MOS heteronanostructures er önnur efnileg aðferð til að bæta stöðugleika.
Sértækni MOS skynjara er annað hagnýtt mál þar sem mismunandi lofttegundir eru samhliða markgasinu, á meðan MOS skynjarar eru oft viðkvæmir fyrir fleiri en einni gasi og sýna oft krossnæmi.Þess vegna er mikilvægt fyrir hagnýt notkun að auka sértækni skynjarans gagnvart markgasinu sem og öðrum lofttegundum.Undanfarna áratugi hefur valinu verið tekið að hluta til með því að byggja upp fylki gasskynjara sem kallast „rafræn nef (E-nef)“ ásamt reikniritum reikniritgreininga eins og þjálfunarvigrarkvantunar (LVQ), aðalhlutagreiningar (PCA), osfrv e.Kynferðisleg vandamál.Minnstu ferningar að hluta (PLS) o.s.frv. 31, 32, 33, 34. Tveir meginþættir (fjöldi skynjara, sem eru nátengdir tegund skynjunarefnis, og reiknigreining) eru mikilvægir til að bæta getu rafrænna nefa. til að bera kennsl á lofttegundir169.Hins vegar þarf að fjölga skynjurum venjulega margra flókinna framleiðsluferla, svo það er mikilvægt að finna einfalda aðferð til að bæta afköst rafrænna nefa.Að auki getur breyting á MOS með öðrum efnum einnig aukið sértækni skynjarans.Til dæmis er hægt að ná fram sértækri uppgötvun H2 vegna góðrar hvatavirkni MOS sem er breytt með NP Pd.Á undanförnum árum hafa sumir vísindamenn húðað MOS MOF yfirborðið til að bæta val skynjara með stærðarútilokun171.172.Innblásin af þessu verki gæti efnisvirkni á einhvern hátt leyst vandamálið varðandi sértækni.Hins vegar er enn mikið verk óunnið við að velja rétta efnið.
Endurtekningarhæfni eiginleika skynjara sem framleiddir eru við sömu aðstæður og aðferðir er önnur mikilvæg krafa fyrir stórframleiðslu og hagnýt notkun.Venjulega eru skilvindu- og dýfingaraðferðir ódýrar aðferðir til að búa til gasskynjara með miklum afköstum.Hins vegar, meðan á þessum ferlum stendur, hefur viðkvæma efnið tilhneigingu til að safnast saman og sambandið milli viðkvæma efnisins og undirlagsins verður veikt68, 138, 168. Fyrir vikið versnar næmni og stöðugleiki skynjarans verulega og frammistaðan verður endurskapanleg.Aðrar framleiðsluaðferðir eins og sputtering, ALD, pulsed laser deposition (PLD) og Physical Vapor Deposition (PVD) leyfa framleiðslu á tví- eða fjöllaga MOS kvikmyndum beint á mynstrað sílikon- eða súráls hvarfefni.Þessar aðferðir forðast uppsöfnun viðkvæmra efna, tryggja endurgerðanleika skynjara og sýna fram á hagkvæmni í stórum stíl framleiðslu á planum þunnfilmuskynjurum.Hins vegar er næmi þessara flatu filma almennt mun lægra en 3D nanóuppbyggingarefna vegna lítils sérstaks yfirborðs þeirra og lágs gegndræpi fyrir gas41,174.Nýjar aðferðir til að vaxa MOS heteronanostructures á tilteknum stöðum á skipulögðum örfylkingum og nákvæmlega stjórna stærð, þykkt og formgerð viðkvæmra efna eru mikilvægar fyrir ódýra framleiðslu á skífustigsskynjurum með mikilli endurgerðanleika og næmni.Til dæmis, Liu o.fl.174 lagði til sameinaða topp-niður og botn-upp stefnu til að búa til kristallít með miklum afköstum með því að vaxa á staðnum Ni(OH)2 nanóveggi á tilteknum stöðum..Diskar fyrir örbrennara.
Að auki er einnig mikilvægt að huga að áhrifum raka á skynjarann í hagnýtum notkunum.Vatnssameindir geta keppt við súrefnissameindir um aðsogsstaði í skynjaraefnum og haft áhrif á ábyrgð skynjarans á markgasinu.Eins og súrefni, virkar vatn sem sameind með líkamlegri frásog og getur einnig verið til í formi hýdroxýlróteinda eða hýdroxýlhópa á ýmsum oxunarstöðvum með efnasog.Þar að auki, vegna mikils og breytilegs raka umhverfisins, er áreiðanlegt svar skynjarans við markgasið stórt vandamál.Nokkrar aðferðir hafa verið þróaðar til að takast á við þetta vandamál, svo sem gasforþéttni177, rakajöfnun og krossviðbragðsgrindaraðferðir178, auk þurrkunaraðferða179,180.Hins vegar eru þessar aðferðir dýrar, flóknar og draga úr næmni skynjarans.Nokkrar ódýrar aðferðir hafa verið lagðar fram til að bæla niður áhrif raka.Til dæmis, að skreyta SnO2 með Pd nanóögnum getur stuðlað að umbreytingu aðsogaðs súrefnis í anjónískar agnir, á sama tíma og virkni SnO2 með efnum með mikla sækni í vatnssameindir, eins og NiO og CuO, eru tvær leiðir til að koma í veg fyrir rakaháð vatnssameindum..Skynjarar 181, 182, 183. Auk þess er einnig hægt að draga úr áhrifum raka með því að nota vatnsfælin efni til að mynda vatnsfælin yfirborð36,138,184,185.Þróun rakaþolinna gasskynjara er hins vegar enn á frumstigi og þörf er á fullkomnari aðferðum til að taka á þessum málum.
Að lokum, endurbætur á uppgötvunarframmistöðu (td næmni, sértækni, lágt kjörhitastig) hefur verið náð með því að búa til MOS heteronanostructures, og ýmsar betri greiningaraðferðir hafa verið lagðar til.Þegar rannsakað er skynjunarkerfi tiltekins skynjara verður einnig að taka tillit til rúmfræðilegrar uppbyggingar tækisins.Rannsóknir á nýjum skynjunarefnum og rannsóknir á háþróaðri framleiðsluaðferðum verða nauðsynlegar til að bæta enn frekar afköst gasskynjara og takast á við áskoranir sem eftir eru í framtíðinni.Fyrir stýrða stillingu skynjaraeiginleika er nauðsynlegt að byggja kerfisbundið upp sambandið milli gerviaðferðar skynjaraefna og virkni heteronanostructures.Að auki getur rannsókn á yfirborðsviðbrögðum og breytingum á heteróviðmótum með því að nota nútíma lýsingaraðferðir hjálpað til við að skýra skynjun þeirra og veita ráðleggingar um þróun skynjara sem byggjast á heteronanostructured efni.Að lokum, rannsókn á nútíma aðferðum til að framleiða skynjara getur gert kleift að búa til smærri gasskynjara á oblátastigi fyrir iðnaðarnotkun þeirra.
Genzel, NN o.fl.Langtímarannsókn á styrk niturdíoxíðs innandyra og öndunarfæraeinkennum hjá börnum með astma í þéttbýli.hverfi.Heilsusjónarmið.116, 1428–1432 (2008).
Pósttími: Nóv-04-2022
