Ang pagbuo ng mataas na pagganap, portable at miniaturized na mga sensor ng gas ay nakakakuha ng pagtaas ng pansin sa mga larangan ng pagsubaybay sa kapaligiran, seguridad, medikal na diagnostic at agrikultura.Sa iba't ibang tool sa pag-detect, ang metal-oxide-semiconductor (MOS) chemo-resistive gas sensor ay ang pinakasikat na pagpipilian para sa mga komersyal na aplikasyon dahil sa kanilang mataas na katatagan, mababang gastos, at mataas na sensitivity.Ang isa sa mga pinakamahalagang diskarte upang higit pang mapabuti ang pagganap ng sensor ay ang paglikha ng nanosized MOS-based heterojunctions (hetero-nanostructured MOS) mula sa MOS nanomaterials.Gayunpaman, ang mekanismo ng sensing ng isang heteronanostructured MOS sensor ay iba sa isang solong MOS gas sensor, dahil ito ay medyo kumplikado.Naaapektuhan ang performance ng sensor ng iba't ibang parameter, kabilang ang mga pisikal at kemikal na katangian ng sensitibong materyal (gaya ng laki ng butil, density ng depekto, at mga bakanteng materyal na oxygen), temperatura ng pagpapatakbo, at istraktura ng device.Ang pagsusuri na ito ay nagpapakita ng ilang mga konsepto para sa pagdidisenyo ng mga high performance na gas sensor sa pamamagitan ng pagsusuri sa sensing mechanism ng heterogenous nanostructured MOS sensors.Bilang karagdagan, ang impluwensya ng geometric na istraktura ng aparato, na tinutukoy ng relasyon sa pagitan ng sensitibong materyal at ang gumaganang elektrod, ay tinalakay.Upang sistematikong pag-aralan ang pag-uugali ng sensor, ipinakilala at tinatalakay ng artikulong ito ang pangkalahatang mekanismo ng perception ng tatlong tipikal na geometric na istruktura ng mga device batay sa iba't ibang heteronanostructured na materyales.Ang pangkalahatang-ideya na ito ay magsisilbing gabay para sa mga susunod na mambabasa na nag-aaral ng mga sensitibong mekanismo ng mga gas sensor at bumuo ng mga high performance na gas sensor.
Ang polusyon sa hangin ay isang lalong seryosong problema at isang seryosong pandaigdigang problema sa kapaligiran na nagbabanta sa kapakanan ng mga tao at mga nabubuhay na nilalang.Ang paglanghap ng mga gas na pollutant ay maaaring magdulot ng maraming problema sa kalusugan tulad ng sakit sa paghinga, kanser sa baga, leukemia at maging ang maagang pagkamatay1,2,3,4.Mula 2012 hanggang 2016, milyon-milyong tao ang iniulat na namatay dahil sa polusyon sa hangin, at bawat taon, bilyun-bilyong tao ang nalantad sa mahinang kalidad ng hangin5.Samakatuwid, mahalagang bumuo ng mga portable at miniaturized na gas sensor na makakapagbigay ng real-time na feedback at mataas na performance ng detection (hal., sensitivity, selectivity, stability, at mga oras ng pagtugon at pagbawi).Bilang karagdagan sa pagsubaybay sa kapaligiran, ang mga sensor ng gas ay may mahalagang papel sa kaligtasan6,7,8, mga medikal na diagnostic9,10, aquaculture11 at iba pang larangan12.
Sa ngayon, maraming mga portable na sensor ng gas na batay sa iba't ibang mga mekanismo ng sensing ang ipinakilala, tulad ng optical13,14,15,16,17,18, electrochemical19,20,21,22 at mga chemical resistive sensors23,24.Kabilang sa mga ito, ang metal-oxide-semiconductor (MOS) chemical resistive sensor ay ang pinakasikat sa mga komersyal na aplikasyon dahil sa kanilang mataas na katatagan at mababang gastos25,26.Ang contaminant concentration ay maaaring matukoy sa pamamagitan lamang ng pag-detect ng pagbabago sa MOS resistance.Noong unang bahagi ng 1960s, ang unang chemo-resistive gas sensors batay sa ZnO thin films ay iniulat, na nagdudulot ng malaking interes sa larangan ng gas detection27,28.Sa ngayon, maraming iba't ibang MOS ang ginagamit bilang gas sensitive na materyales, at maaari silang hatiin sa dalawang kategorya batay sa kanilang mga pisikal na katangian: n-type na MOS na may mga electron bilang karamihan sa mga carrier ng singil at p-type na MOS na may mga butas bilang karamihan sa mga carrier ng singil.mga tagadala ng bayad.Sa pangkalahatan, ang p-type na MOS ay hindi gaanong popular kaysa sa n-type na MOS dahil ang inductive na tugon ng p-type na MOS (Sp) ay proporsyonal sa square root ng n-type na MOS (\(S_p = \sqrt { S_n}\ ) ) sa parehong mga pagpapalagay (halimbawa, ang parehong morphological na istraktura at ang parehong pagbabago sa baluktot ng mga banda sa hangin) 29,30.Gayunpaman, ang mga single-base na MOS sensor ay nahaharap pa rin sa mga problema tulad ng hindi sapat na limitasyon sa pagtuklas, mababang sensitivity at selectivity sa mga praktikal na aplikasyon.Ang mga isyu sa selectivity ay maaaring matugunan sa ilang lawak sa pamamagitan ng paglikha ng mga arrays ng mga sensor (tinatawag na "electronic noses") at pagsasama ng mga computational analysis algorithm tulad ng training vector quantization (LVQ), principal component analysis (PCA), at partial least squares (PLS) analysis31 , 32, 33, 34, 35. Bilang karagdagan, ang produksyon ng mababang-dimensional na MOS32,36,37,38,39 (hal. one-dimensional (1D), 0D at 2D nanomaterials), pati na rin ang paggamit ng iba pang nanomaterial ( hal MOS40,41,42 , noble metal nanoparticles (NPs))43,44, carbon nanomaterials45,46 at conductive polymers47,48) upang lumikha ng nanoscale heterojunctions (ibig sabihin, heteronanostructured MOS) ay iba pang ginustong diskarte upang malutas ang mga problema sa itaas.Kung ikukumpara sa mga tradisyunal na makapal na MOS na pelikula, ang low-dimensional na MOS na may mataas na partikular na surface area ay maaaring magbigay ng mas aktibong mga site para sa gas adsorption at mapadali ang gas diffusion36,37,49.Bilang karagdagan, ang disenyo ng mga heteronanostructure na nakabatay sa MOS ay maaaring higit pang ibagay ang transportasyon ng carrier sa heterointerface, na nagreresulta sa malalaking pagbabago sa paglaban dahil sa iba't ibang mga function ng operating50,51,52.Bilang karagdagan, ang ilan sa mga kemikal na epekto (hal., catalytic na aktibidad at synergistic na mga reaksyon sa ibabaw) na nagaganap sa disenyo ng mga heteronanostructure ng MOS ay maaari ding mapabuti ang pagganap ng sensor.50,53,54 Bagama't ang pagdidisenyo at paggawa ng mga heteronanostructure ng MOS ay magiging isang promising na diskarte upang mapabuti. pagganap ng sensor, ang mga modernong chemo-resistive sensor ay karaniwang gumagamit ng trial at error, na nakakaubos ng oras at hindi epektibo.Samakatuwid, mahalagang maunawaan ang mekanismo ng sensing ng mga sensor ng gas na nakabatay sa MOS dahil maaari nitong gabayan ang disenyo ng mga sensor ng direksyon na may mataas na pagganap.
Sa nakalipas na mga taon, mabilis na umunlad ang mga sensor ng MOS gas at nai-publish ang ilang mga ulat sa mga nanostructure ng MOS55,56,57, mga sensor ng gas sa temperatura ng silid58,59, mga espesyal na materyales ng sensor ng MOS60,61,62 at mga espesyal na sensor ng gas63.Ang isang papel sa pagsusuri sa Iba Pang Mga Pagsusuri ay nakatuon sa pagpapaliwanag ng mekanismo ng sensing ng mga sensor ng gas batay sa mga likas na pisikal at kemikal na katangian ng MOS, kabilang ang papel na ginagampanan ng mga bakanteng oxygen 64 , ang papel na ginagampanan ng mga heteronanostructure 55, 65 at paglipat ng singil sa mga heterointerface 66. Bilang karagdagan , maraming iba pang mga parameter ang nakakaapekto sa pagganap ng sensor, kabilang ang heterostructure, laki ng butil, temperatura ng pagpapatakbo, density ng depekto, mga bakanteng oxygen, at maging ang mga bukas na kristal na eroplano ng sensitibong materyal25,67,68,69,70,71.72, 73. Gayunpaman, ang (bihirang binanggit) na geometriko na istraktura ng aparato, na tinutukoy ng ugnayan sa pagitan ng sensing material at ng gumaganang electrode, ay makabuluhang nakakaapekto sa sensitivity ng sensor74,75,76 (tingnan ang seksyon 3 para sa higit pang mga detalye) .Halimbawa, si Kumar et al.77 ay nag-ulat ng dalawang gas sensor batay sa parehong materyal (hal., dalawang-layer na gas sensor batay sa TiO2@NiO at NiO@TiO2) at naobserbahan ang iba't ibang pagbabago sa NH3 na resistensya ng gas dahil sa magkakaibang geometries ng device.Samakatuwid, kapag pinag-aaralan ang isang mekanismo ng gas-sensing, mahalagang isaalang-alang ang istraktura ng aparato.Sa pagsusuring ito, nakatuon ang mga may-akda sa mga mekanismo ng pagtuklas na nakabatay sa MOS para sa iba't ibang mga heterogenous na nanostructure at istruktura ng device.Naniniwala kami na ang pagsusuring ito ay maaaring magsilbing gabay para sa mga mambabasa na gustong maunawaan at suriin ang mga mekanismo ng pagtuklas ng gas at maaaring mag-ambag sa pagbuo ng mga high performance na sensor ng gas sa hinaharap.
Sa fig.Ipinapakita ng 1a ang pangunahing modelo ng mekanismo ng pag-sensing ng gas batay sa isang solong MOS.Habang tumataas ang temperatura, ang adsorption ng oxygen (O2) molecules sa ibabaw ng MOS ay makakaakit ng mga electron mula sa MOS at bubuo ng anionic species (tulad ng O2- at O-).Pagkatapos, ang isang electron depletion layer (EDL) para sa isang n-type na MOS o isang hole accumulation layer (HAL) para sa isang p-type na MOS ay nabuo sa ibabaw ng MOS 15, 23, 78. Ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng O2 at ng Ang MOS ay nagiging sanhi ng conduction band ng surface MOS na yumuko paitaas at bumubuo ng isang potensyal na hadlang.Kasunod nito, kapag ang sensor ay nalantad sa target na gas, ang gas na na-adsorb sa ibabaw ng MOS ay tumutugon sa ionic oxygen species, alinman sa pag-akit ng mga electron (oxidizing gas) o pagbibigay ng mga electron (pagbabawas ng gas).Ang paglipat ng elektron sa pagitan ng target na gas at ng MOS ay maaaring ayusin ang lapad ng EDL o HAL30,81 na nagreresulta sa pagbabago sa pangkalahatang pagtutol ng MOS sensor.Halimbawa, para sa isang nagpapababang gas, ang mga electron ay ililipat mula sa nagpapababang gas patungo sa isang n-type na MOS, na nagreresulta sa isang mas mababang EDL at mas mababang resistensya, na tinutukoy bilang pag-uugali ng n-type na sensor.Sa kabaligtaran, kapag ang isang p-type na MOS ay nalantad sa isang pagbabawas ng gas na tumutukoy sa p-type na sensitivity na pag-uugali, ang HAL ay lumiliit at ang resistensya ay tumataas dahil sa donasyon ng elektron.Para sa mga oxidizing gas, ang tugon ng sensor ay kabaligtaran sa para sa pagbabawas ng mga gas.
Mga pangunahing mekanismo ng pagtuklas para sa n-type at p-type na MOS para sa pagbabawas at pag-oxidize ng mga gas b Mga pangunahing salik at physico-chemical o materyal na katangian na kasangkot sa mga semiconductor gas sensor 89
Bukod sa pangunahing mekanismo ng pagtuklas, ang mga mekanismo ng pagtuklas ng gas na ginagamit sa mga praktikal na sensor ng gas ay medyo kumplikado.Halimbawa, ang aktwal na paggamit ng gas sensor ay dapat matugunan ang maraming kinakailangan (tulad ng sensitivity, selectivity, at stability) depende sa mga pangangailangan ng user.Ang mga kinakailangang ito ay malapit na nauugnay sa pisikal at kemikal na mga katangian ng sensitibong materyal.Halimbawa, ipinakita ng Xu et al.71 na ang mga sensor na nakabatay sa SnO2 ay nakakamit ang pinakamataas na sensitivity kapag ang diameter ng kristal (d) ay katumbas o mas mababa sa dalawang beses ang haba ng Debye (λD) ng SnO271.Kapag d ≤ 2λD, ang SnO2 ay ganap na naubos pagkatapos ng adsorption ng O2 molecules, at ang tugon ng sensor sa pagbabawas ng gas ay pinakamataas.Bilang karagdagan, ang iba't ibang mga parameter ay maaaring makaapekto sa pagganap ng sensor, kabilang ang temperatura ng pagpapatakbo, mga depekto sa kristal, at kahit na nakalantad na mga kristal na eroplano ng materyal na pandama.Sa partikular, ang impluwensya ng temperatura ng pagpapatakbo ay ipinaliwanag ng posibleng kumpetisyon sa pagitan ng mga rate ng adsorption at desorption ng target na gas, pati na rin ang reaktibiti sa ibabaw sa pagitan ng mga adsorbed na molekula ng gas at mga particle ng oxygen4,82.Ang epekto ng mga depekto sa kristal ay malakas na nauugnay sa nilalaman ng mga bakanteng oxygen [83, 84].Ang operasyon ng sensor ay maaari ding maapektuhan ng iba't ibang reaktibiti ng mga bukas na kristal na mukha67,85,86,87.Ang mga bukas na eroplanong kristal na may mas mababang densidad ay nagpapakita ng higit pang mga uncoordinated na metal cation na may mas mataas na enerhiya, na nagtataguyod ng adsorption at reaktibiti sa ibabaw88.Ang talahanayan 1 ay naglilista ng ilang pangunahing mga kadahilanan at ang kanilang nauugnay na pinabuting mga mekanismo ng perceptual.Samakatuwid, sa pamamagitan ng pagsasaayos ng mga parameter ng materyal na ito, maaaring mapabuti ang pagganap ng pagtuklas, at kritikal na matukoy ang mga pangunahing salik na nakakaapekto sa pagganap ng sensor.
Sina Yamazoe89 at Shimanoe et al.68,71 ay nagsagawa ng isang bilang ng mga pag-aaral sa teoretikal na mekanismo ng sensor perception at iminungkahi ang tatlong independiyenteng mga salik na nakakaimpluwensya sa pagganap ng sensor, partikular na ang pag-andar ng receptor, pag-andar ng transduser, at utilidad (Fig. 1b)..Ang pag-andar ng receptor ay tumutukoy sa kakayahan ng ibabaw ng MOS na makipag-ugnayan sa mga molekula ng gas.Ang function na ito ay malapit na nauugnay sa mga kemikal na katangian ng MOS at maaaring makabuluhang mapabuti sa pamamagitan ng pagpapakilala ng mga dayuhang tumatanggap (halimbawa, mga metal na NP at iba pang MOS).Ang transducer function ay tumutukoy sa kakayahang i-convert ang reaksyon sa pagitan ng gas at ng ibabaw ng MOS sa isang electrical signal na pinangungunahan ng mga hangganan ng butil ng MOS.Kaya, ang sensory function ay makabuluhang apektado ng laki ng particle ng MOC at density ng mga dayuhang receptor.Iniulat ng Katoch et al.90 na ang pagbabawas ng laki ng butil ng ZnO-SnO2 nanofibrils ay nagresulta sa pagbuo ng maraming heterojunction at pagtaas ng sensitivity ng sensor, na naaayon sa paggana ng transducer.Inihambing ni Wang et al.91 ang iba't ibang laki ng butil ng Zn2GeO4 at nagpakita ng 6.5-tiklop na pagtaas sa sensitivity ng sensor pagkatapos ipasok ang mga hangganan ng butil.Ang utility ay isa pang pangunahing salik sa pagganap ng sensor na naglalarawan sa pagkakaroon ng gas sa panloob na istraktura ng MOS.Kung ang mga molekula ng gas ay hindi maaaring tumagos at tumugon sa panloob na MOS, mababawasan ang sensitivity ng sensor.Ang pagiging kapaki-pakinabang ay malapit na nauugnay sa diffusion depth ng isang partikular na gas, na depende sa laki ng butas ng sensing material.Sakai et al.92 ay nagmodelo ng sensitivity ng sensor sa mga flue gas at natagpuan na ang parehong molekular na timbang ng gas at ang pore radius ng sensor membrane ay nakakaapekto sa sensitivity ng sensor sa iba't ibang lalim ng diffusion ng gas sa sensor membrane.Ipinapakita ng talakayan sa itaas na ang mga sensor ng gas na may mataas na performance ay maaaring mabuo sa pamamagitan ng pagbabalanse at pag-optimize ng function ng receptor, function ng transducer, at utility.
Ang gawain sa itaas ay nililinaw ang pangunahing mekanismo ng pang-unawa ng isang solong MOS at tinatalakay ang ilang mga kadahilanan na nakakaapekto sa pagganap ng isang MOS.Bilang karagdagan sa mga salik na ito, ang mga sensor ng gas na batay sa heterostructure ay maaaring higit pang mapabuti ang pagganap ng sensor sa pamamagitan ng makabuluhang pagpapabuti ng mga function ng sensor at receptor.Bilang karagdagan, ang mga heteronanostructure ay maaaring higit na mapabuti ang pagganap ng sensor sa pamamagitan ng pagpapahusay ng mga catalytic na reaksyon, pag-regulate ng paglilipat ng singil, at paglikha ng higit pang mga adsorption site.Sa ngayon, maraming mga sensor ng gas batay sa mga heteronanostructure ng MOS ang pinag-aralan upang talakayin ang mga mekanismo para sa pinahusay na sensing95,96,97.Miller et al.55 ay nagbubuod ng ilang mga mekanismo na malamang na mapabuti ang sensitivity ng heteronanostructures, kabilang ang surface-dependent, interface-dependent, at structure-dependent.Kabilang sa mga ito, ang mekanismo ng amplification na umaasa sa interface ay masyadong kumplikado upang masakop ang lahat ng mga pakikipag-ugnayan ng interface sa isang teorya, dahil ang iba't ibang mga sensor batay sa mga heteronanostructured na materyales (halimbawa, nn-heterojunction, pn-heterojunction, pp-heterojunction, atbp.) ay maaaring gamitin. .Schottky knot).Karaniwan, ang mga sensor na heteronanostructured na nakabatay sa MOS ay laging may kasamang dalawa o higit pang advanced na mekanismo ng sensor98,99,100.Ang synergistic na epekto ng mga mekanismo ng amplification na ito ay maaaring mapahusay ang pagtanggap at pagproseso ng mga signal ng sensor.Kaya, ang pag-unawa sa mekanismo ng pang-unawa ng mga sensor batay sa mga heterogenous na nanostructured na materyales ay napakahalaga upang matulungan ang mga mananaliksik na bumuo ng mga bottom-up na gas sensor alinsunod sa kanilang mga pangangailangan.Bilang karagdagan, ang geometric na istraktura ng aparato ay maaari ring makabuluhang makaapekto sa sensitivity ng sensor 74, 75, 76. Upang sistematikong pag-aralan ang pag-uugali ng sensor, ang mga mekanismo ng sensing ng tatlong istruktura ng aparato batay sa iba't ibang mga heteronanostructured na materyales ay ipapakita. at tinalakay sa ibaba.
Sa mabilis na pag-unlad ng MOS based gas sensors, ang iba't ibang hetero-nanostructured na MOS ay iminungkahi.Ang paglipat ng singil sa heterointerface ay nakasalalay sa iba't ibang antas ng Fermi (Ef) ng mga bahagi.Sa heterointerface, ang mga electron ay gumagalaw mula sa isang panig na may mas malaking Ef patungo sa kabilang panig na may mas maliit na Ef hanggang sa maabot ng kanilang mga antas ng Fermi ang ekwilibriyo, at mga butas, vice versa.Pagkatapos ang mga carrier sa heterointerface ay maubos at bumubuo ng isang naubos na layer.Kapag ang sensor ay nalantad sa target na gas, ang heteronanostructured na konsentrasyon ng carrier ng MOS ay nagbabago, gayundin ang taas ng hadlang, at sa gayon ay pinapahusay ang signal ng pagtuklas.Bilang karagdagan, ang iba't ibang mga pamamaraan ng paggawa ng mga heteronanostructure ay humahantong sa iba't ibang mga relasyon sa pagitan ng mga materyales at mga electrodes, na humahantong sa iba't ibang mga geometries ng aparato at iba't ibang mga mekanismo ng sensing.Sa pagsusuring ito, nagmumungkahi kami ng tatlong geometric na istruktura ng aparato at tinatalakay ang mekanismo ng sensing para sa bawat istraktura.
Bagama't ang mga heterojunction ay gumaganap ng napakahalagang papel sa pagganap ng pag-detect ng gas, ang geometry ng device ng buong sensor ay maaari ding makabuluhang makaimpluwensya sa pag-uugali ng pagtuklas, dahil ang lokasyon ng channel ng pagpapadaloy ng sensor ay lubos na nakadepende sa geometry ng device.Tatlong tipikal na geometry ng heterojunction MOS device ang tinalakay dito, tulad ng ipinapakita sa Figure 2. Sa unang uri, dalawang koneksyon ng MOS ang random na ipinamamahagi sa pagitan ng dalawang electrodes, at ang lokasyon ng conductive channel ay tinutukoy ng pangunahing MOS, ang pangalawa ay ang pagbuo ng mga heterogenous na nanostructure mula sa iba't ibang MOS, habang isang MOS lamang ang konektado sa elektrod.Ang elektrod ay konektado, pagkatapos ay ang conductive channel ay karaniwang matatagpuan sa loob ng MOS at direktang konektado sa elektrod.Sa ikatlong uri, dalawang materyales ang nakakabit sa dalawang electrodes nang hiwalay, na ginagabayan ang aparato sa pamamagitan ng isang heterojunction na nabuo sa pagitan ng dalawang materyales.
Ang isang gitling sa pagitan ng mga compound (hal. "SnO2-NiO") ay nagpapahiwatig na ang dalawang bahagi ay pinaghalo lamang (uri I).Ang isang “@” sign sa pagitan ng dalawang koneksyon (hal. “SnO2@NiO”) ay nagpapahiwatig na ang scaffold material (NiO) ay pinalamutian ng SnO2 para sa isang type II sensor structure.Ang slash (hal. “NiO/SnO2”) ay nagpapahiwatig ng type III na disenyo ng sensor .
Para sa mga sensor ng gas batay sa mga composite ng MOS, dalawang elemento ng MOS ang random na ipinamamahagi sa pagitan ng mga electrodes.Maraming mga paraan ng paggawa ang binuo upang maghanda ng mga MOS composite, kabilang ang sol-gel, coprecipitation, hydrothermal, electrospinning, at mekanikal na mga pamamaraan ng paghahalo98,102,103,104.Kamakailan, ginamit ang mga metal-organic frameworks (MOFs), isang klase ng mga porous crystalline structured na materyales na binubuo ng mga metal center at organic linker, bilang mga template para sa paggawa ng mga porous na MOS composites105,106,107,108.Kapansin-pansin na bagama't pareho ang porsyento ng mga composite ng MOS, maaaring mag-iba nang malaki ang mga katangian ng sensitivity kapag gumagamit ng iba't ibang proseso ng pagmamanupaktura.109,110 Halimbawa, gumawa si Gao et al.109 ng dalawang sensor batay sa mga composite ng MoO3±SnO2 na may parehong atomic ratio. ( Mo:Sn = 1:1.9) at nalaman na ang iba't ibang paraan ng paggawa ay humahantong sa iba't ibang pagkasensitibo.Shaposhnik et al.Iniulat ng 110 na ang reaksyon ng co-precipitated SnO2-TiO2 sa gaseous H2 ay naiiba sa mga mekanikal na halo-halong materyales, kahit na sa parehong ratio ng Sn/Ti.Ang pagkakaibang ito ay lumitaw dahil ang ugnayan sa pagitan ng MOP at MOP crystallite size ay nag-iiba sa iba't ibang pamamaraan ng synthesis109,110.Kapag ang laki at hugis ng butil ay pare-pareho sa mga tuntunin ng densidad ng donor at uri ng semiconductor, dapat manatiling pareho ang tugon kung hindi magbabago ang geometry ng contact 110 .Staerz et al.Iniulat ng 111 na ang mga katangian ng pagtuklas ng SnO2-Cr2O3 core-sheath (CSN) nanofibers at ground SnO2-Cr2O3 CSNs ay halos magkapareho, na nagmumungkahi na ang nanofiber morphology ay hindi nag-aalok ng anumang kalamangan.
Bilang karagdagan sa iba't ibang mga pamamaraan ng katha, ang mga uri ng semiconductor ng dalawang magkaibang MOSFET ay nakakaapekto rin sa sensitivity ng sensor.Maaari pa itong hatiin sa dalawang kategorya depende kung ang dalawang MOSFET ay magkaparehong uri ng semiconductor (nn o pp junction) o magkaibang uri (pn junction).Kapag ang mga sensor ng gas ay batay sa mga pinagsama-samang MOS ng parehong uri, sa pamamagitan ng pagpapalit ng molar ratio ng dalawang MOS, ang katangian ng pagtugon sa pagiging sensitibo ay nananatiling hindi nagbabago, at ang sensitivity ng sensor ay nag-iiba depende sa bilang ng mga nn- o pp-heterojunctions.Kapag ang isang bahagi ay nangingibabaw sa composite (hal. 0.9 ZnO-0.1 SnO2 o 0.1 ZnO-0.9 SnO2), ang conduction channel ay tinutukoy ng nangingibabaw na MOS, na tinatawag na homojunction conduction channel 92 .Kapag ang mga ratios ng dalawang bahagi ay maihahambing, ipinapalagay na ang conduction channel ay pinangungunahan ng heterojunction98,102.Yamazoe et al.Iniulat ng 112,113 na ang heterocontact na rehiyon ng dalawang bahagi ay maaaring lubos na mapabuti ang sensitivity ng sensor dahil ang heterojunction barrier na nabuo dahil sa iba't ibang mga operating function ng mga bahagi ay maaaring epektibong makontrol ang drift mobility ng sensor na nakalantad sa mga electron.Iba't ibang ambient gas 112,113.Sa fig.Ipinapakita ng Figure 3a na ang mga sensor na nakabatay sa SnO2-ZnO fibrous hierarchical na istruktura na may iba't ibang nilalaman ng ZnO (mula 0 hanggang 10 mol % Zn) ay maaaring pumili ng ethanol.Kabilang sa mga ito, ang isang sensor batay sa mga fibers ng SnO2-ZnO (7 mol.% Zn) ay nagpakita ng pinakamataas na sensitivity dahil sa pagbuo ng isang malaking bilang ng mga heterojunction at isang pagtaas sa tiyak na lugar sa ibabaw, na nagpapataas ng pag-andar ng converter at napabuti. sensitivity 90 Gayunpaman, sa karagdagang pagtaas sa nilalaman ng ZnO sa 10 mol.%, ang microstructure na SnO2-ZnO composite ay maaaring mag-wrap ng mga lugar ng pag-activate sa ibabaw at mabawasan ang sensitivity ng sensor85.Ang isang katulad na trend ay sinusunod din para sa mga sensor batay sa NiO-NiFe2O4 pp heterojunction composites na may iba't ibang Fe/Ni ratios (Fig. 3b)114.
Mga imahe ng SEM ng SnO2-ZnO fibers (7 mol.% Zn) at tugon ng sensor sa iba't ibang gas na may konsentrasyon na 100 ppm sa 260 °C;54b Mga tugon ng mga sensor batay sa purong NiO at NiO-NiFe2O4 composites sa 50 ppm ng iba't ibang gas, 260 °C;114 ( c) Schematic diagram ng bilang ng mga node sa xSnO2-(1-x)Co3O4 composition at ang katumbas na resistance at sensitivity reactions ng xSnO2-(1-x)Co3O4 na komposisyon sa bawat 10 ppm CO, acetone, C6H6 at SO2 gas sa 350 °C sa pamamagitan ng pagbabago ng molar ratio ng Sn/Co 98
Ang mga composite ng pn-MOS ay nagpapakita ng iba't ibang pag-uugali ng pagiging sensitibo depende sa atomic ratio ng MOS115.Sa pangkalahatan, ang sensory behavior ng MOS composites ay lubos na nakadepende kung aling MOS ang gumaganap bilang pangunahing conduction channel para sa sensor.Samakatuwid, napakahalaga na makilala ang porsyento ng komposisyon at nanostructure ng mga composite.Kinumpirma ni Kim et al.98 ang konklusyong ito sa pamamagitan ng pag-synthesize ng serye ng xSnO2 ± (1-x)Co3O4 composite nanofibers sa pamamagitan ng electrospinning at pag-aaral ng kanilang mga katangian ng sensor.Naobserbahan nila na ang pag-uugali ng SnO2-Co3O4 composite sensor ay lumipat mula sa n-type patungo sa p-type sa pamamagitan ng pagbabawas ng porsyento ng SnO2 (Fig. 3c)98.Bilang karagdagan, ang mga sensor na pinangungunahan ng heterojunction (batay sa 0.5 SnO2-0.5 Co3O4) ay nagpakita ng pinakamataas na rate ng paghahatid para sa C6H6 kumpara sa mga sensor na nangingibabaw sa homojunction (hal., mataas na mga sensor ng SnO2 o Co3O4).Ang likas na mataas na resistensya ng 0.5 SnO2-0.5 Co3O4 na nakabatay sa sensor at ang higit na kakayahang baguhin ang pangkalahatang resistensya ng sensor ay nakakatulong sa pinakamataas na sensitivity nito sa C6H6.Bilang karagdagan, ang mga depekto sa mismatch ng sala-sala na nagmumula sa mga heterointerface ng SnO2-Co3O4 ay maaaring lumikha ng kagustuhan na mga site ng adsorption para sa mga molekula ng gas, at sa gayon ay mapahusay ang tugon ng sensor109,116.
Bilang karagdagan sa semiconductor-type na MOS, ang touch behavior ng MOS composites ay maaari ding i-customize gamit ang chemistry ng MOS-117.Gumamit si Huo et al.117 ng simpleng paraan ng pagbabad-bake upang maghanda ng mga komposisyon ng Co3O4-SnO2 at nalaman na sa ratio ng Co/Sn molar na 10%, ang sensor ay nagpakita ng p-type na pagtugon sa pagtuklas sa H2 at isang n-type na sensitivity sa H2.tugon.Ang mga tugon ng sensor sa mga gas na CO, H2S at NH3 ay ipinapakita sa Figure 4a117.Sa mababang ratio ng Co/Sn, maraming homojunction ang nabubuo sa mga hangganan ng nanograin ng SnO2±SnO2 at nagpapakita ng mga tugon ng n-type na sensor sa H2 (Fig. 4b,c)115.Sa pagtaas ng ratio ng Co/Sn hanggang 10 mol.%, sa halip na SnO2-SnO2 homojunctions, maraming Co3O4-SnO2 heterojunction ang sabay-sabay na nabuo (Fig. 4d).Dahil ang Co3O4 ay hindi aktibo sa H2, at ang SnO2 ay malakas na tumutugon sa H2, ang reaksyon ng H2 na may ionic oxygen species ay pangunahing nangyayari sa ibabaw ng SnO2117.Samakatuwid, ang mga electron ay lumipat sa SnO2 at ang Ef SnO2 ay lumilipat sa conduction band, habang ang Ef Co3O4 ay nananatiling hindi nagbabago.Bilang isang resulta, ang paglaban ng sensor ay tumataas, na nagpapahiwatig na ang mga materyales na may mataas na Co/Sn ratio ay nagpapakita ng p-type sensing behavior (Fig. 4e).Sa kabaligtaran, ang CO, H2S, at NH3 na mga gas ay tumutugon sa ionic oxygen species sa mga ibabaw ng SnO2 at Co3O4, at ang mga electron ay lumilipat mula sa gas patungo sa sensor, na nagreresulta sa pagbaba sa taas ng barrier at n-type na sensitivity (Fig. 4f)..Ang magkakaibang pag-uugali ng sensor na ito ay dahil sa iba't ibang reaktibiti ng Co3O4 na may iba't ibang mga gas, na higit na nakumpirma ni Yin et al.118 .Katulad nito, Katoch et al.Ipinakita ng 119 na ang mga composite ng SnO2-ZnO ay may magandang selectivity at mataas na sensitivity sa H2.Ang pag-uugali na ito ay nangyayari dahil ang H atoms ay madaling ma-adsorbed sa mga O posisyon ng ZnO dahil sa malakas na hybridization sa pagitan ng s-orbital ng H at ang p-orbital ng O, na humahantong sa metallization ng ZnO120,121.
a Co/Sn-10% dynamic resistance curves para sa mga tipikal na nagpapababa ng gas gaya ng H2, CO, NH3 at H2S, b, c Co3O4/SnO2 composite sensing mechanism diagram para sa H2 sa mababang % m.Co/Sn, df Co3O4 Mechanism detection ng H2 at CO, H2S at NH3 na may mataas na Co/Sn/SnO2 composite
Samakatuwid, maaari nating pagbutihin ang sensitivity ng I-type na sensor sa pamamagitan ng pagpili ng naaangkop na mga pamamaraan ng katha, pagbabawas ng laki ng butil ng mga composite, at pag-optimize ng molar ratio ng mga MOS composites.Bilang karagdagan, ang isang malalim na pag-unawa sa kimika ng sensitibong materyal ay maaaring higit pang mapahusay ang pagpili ng sensor.
Ang mga istruktura ng sensor ng Type II ay isa pang sikat na istraktura ng sensor na maaaring gumamit ng iba't ibang mga heterogenous na nanostructured na materyales, kabilang ang isang "master" nanomaterial at isang pangalawa o kahit pangatlong nanomaterial.Halimbawa, ang mga one-dimensional o two-dimensional na materyales na pinalamutian ng mga nanoparticle, core-shell (CS) at multilayer na heteronanostructured na materyales ay karaniwang ginagamit sa mga istruktura ng sensor ng type II at tatalakayin nang detalyado sa ibaba.
Para sa unang materyal na heteronanostructure (pinlamutian na heteronanostructure), tulad ng ipinapakita sa Fig. 2b(1), ang mga conductive channel ng sensor ay konektado ng isang base na materyal.Dahil sa pagbuo ng mga heterojunction, ang binagong nanoparticle ay maaaring magbigay ng mas reaktibong mga site para sa gas adsorption o desorption, at maaari ring kumilos bilang mga catalyst upang mapabuti ang sensing performance109,122,123,124.Nabanggit ni Yuan et al.41 na ang pagdekorasyon ng mga WO3 nanowires na may CeO2 nanodots ay maaaring magbigay ng mas maraming adsorption site sa CeO2@WO3 heterointerface at sa ibabaw ng CeO2 at makabuo ng mas maraming chemisorbed oxygen species para sa reaksyon sa acetone.Gunawan et al.125. Ang isang ultra-high sensitivity acetone sensor batay sa one-dimensional na Au@α-Fe2O3 ay iminungkahi at naobserbahan na ang sensitivity ng sensor ay kinokontrol ng activation ng O2 molecules bilang isang oxygen source.Ang pagkakaroon ng Au NPs ay maaaring kumilos bilang isang katalista na nagsusulong ng dissociation ng mga molekula ng oxygen sa lattice oxygen para sa oksihenasyon ng acetone.Ang mga katulad na resulta ay nakuha ni Choi et al.9 kung saan ginamit ang isang Pt catalyst upang i-dissociate ang mga adsorbed oxygen molecule sa ionized oxygen species at mapahusay ang sensitibong tugon sa acetone.Noong 2017, ipinakita ng parehong pangkat ng pananaliksik na ang bimetallic nanoparticle ay mas mahusay sa catalysis kaysa sa single noble metal nanoparticle, tulad ng ipinapakita sa Figure 5126. Ang 5a ay isang eskematiko ng proseso ng pagmamanupaktura para sa mga platinum-based na bimetallic (PtM) NP gamit ang apoferritin cells na may isang average na laki na mas mababa sa 3 nm.Pagkatapos, gamit ang electrospinning method, nakuha ang PtM@WO3 nanofibers upang mapataas ang sensitivity at selectivity sa acetone o H2S (Fig. 5b–g).Kamakailan lamang, ang mga single atom catalysts (SACs) ay nagpakita ng mahusay na catalytic performance sa larangan ng catalysis at gas analysis dahil sa maximum na kahusayan ng paggamit ng mga atoms at nakatutok na electronic structures127,128.Shin et al.Ginamit ng 129 ang Pt-SA na naka-angkla ng carbon nitride (MCN), SnCl2 at PVP nanosheet bilang mga kemikal na pinagmumulan upang ihanda ang mga inline na fiber ng Pt@MCN@SnO2 para sa pagtuklas ng gas.Sa kabila ng napakababang nilalaman ng Pt@MCN (mula sa 0.13 wt.% hanggang 0.68 wt.%), ang pagganap ng pagtuklas ng gaseous formaldehyde na Pt@MCN@SnO2 ay higit na nakahihigit sa ibang mga reference na sample (pure SnO2, MCN@SnO2 at Pt NPs@ SnO2)..Ang mahusay na pagganap ng pagtuklas na ito ay maaaring maiugnay sa pinakamataas na atomic na kahusayan ng katalista ng Pt SA at ang pinakamababang saklaw ng mga aktibong site ng SnO2129.
Apoferritin-loaded encapsulation method para makakuha ng PtM-apo (PtPd, PtRh, PtNi) nanoparticle;dynamic na gas sensitive properties ng bd pristine WO3, PtPd@WO3, PtRn@WO3, at Pt-NiO@WO3 nanofibers;batay, halimbawa, sa mga katangian ng selectivity ng PtPd@WO3, PtRn@WO3 at Pt-NiO@WO3 nanofiber sensor sa 1 ppm ng nakakasagabal na gas 126
Bilang karagdagan, ang mga heterojunction na nabuo sa pagitan ng mga materyales ng scaffold at nanoparticle ay maaari ding epektibong mag-modulate ng mga channel ng pagpapadaloy sa pamamagitan ng isang mekanismo ng radial modulation upang mapabuti ang pagganap ng sensor130,131,132.Sa fig.Ipinapakita ng Figure 6a ang mga katangian ng sensor ng purong SnO2 at Cr2O3@SnO2 nanowires para sa pagbabawas at pag-oxidize ng mga gas at ang kaukulang mga mekanismo ng sensor131.Kung ikukumpara sa mga purong SnO2 nanowires, ang tugon ng Cr2O3@SnO2 nanowires sa pagbabawas ng mga gas ay lubhang pinahusay, habang ang tugon sa oxidizing gases ay lumalala.Ang mga phenomena na ito ay malapit na nauugnay sa lokal na deceleration ng mga conduction channel ng SnO2 nanowires sa radial na direksyon ng nabuo na pn heterojunction.Ang resistensya ng sensor ay maaaring i-tune lang sa pamamagitan ng pagpapalit ng EDL width sa ibabaw ng purong SnO2 nanowires pagkatapos ng exposure sa pagbabawas at pag-oxidize ng mga gas.Gayunpaman, para sa Cr2O3@SnO2 nanowires, ang paunang DEL ng SnO2 nanowires sa hangin ay nadagdagan kumpara sa purong SnO2 nanowires, at ang conduction channel ay pinigilan dahil sa pagbuo ng isang heterojunction.Samakatuwid, kapag ang sensor ay nalantad sa isang pagbabawas ng gas, ang mga nakulong na electron ay inilabas sa mga SnO2 nanowires at ang EDL ay lubhang nababawasan, na nagreresulta sa mas mataas na sensitivity kaysa sa mga purong SnO2 nanowires.Sa kabaligtaran, kapag lumipat sa isang oxidizing gas, ang pagpapalawak ng DEL ay limitado, na nagreresulta sa mababang sensitivity.Ang mga katulad na resulta ng sensory response ay naobserbahan ng Choi et al., 133 kung saan ang mga SnO2 nanowires na pinalamutian ng p-type na WO3 nanoparticle ay nagpakita ng makabuluhang pinabuting sensory response sa pagbabawas ng mga gas, habang ang n-decorated SnO2 sensors ay nagpabuti ng sensitivity sa oxidizing gases.TiO2 nanoparticle (Fig. 6b) 133. Ang resultang ito ay higit sa lahat dahil sa iba't ibang mga function ng trabaho ng SnO2 at MOS (TiO2 o WO3) nanoparticle.Sa p-type (n-type) nanoparticle, ang conduction channel ng framework material (SnO2) ay lumalawak (o nagkontrata) sa radial na direksyon, at pagkatapos, sa ilalim ng pagkilos ng pagbawas (o oksihenasyon), karagdagang pagpapalawak (o pagpapaikli) ng conduction channel ng SnO2 – rib ) ng gas (Fig. 6b).
Mekanismo ng radial modulation na dulot ng binagong LF MOS.isang Buod ng mga tugon ng gas sa 10 ppm na nagpapababa at nag-o-oxidize na mga gas batay sa purong SnO2 at Cr2O3@SnO2 nanowire at kaukulang sensing mechanism schematic diagram;at kaukulang mga scheme ng WO3@SnO2 nanorods at detection mechanism133
Sa bilayer at multilayer heterostructure device, ang conduction channel ng device ay pinangungunahan ng layer (kadalasan sa ilalim na layer) na direktang nakikipag-ugnayan sa mga electrodes, at ang heterojunction na nabuo sa interface ng dalawang layer ay maaaring makontrol ang conductivity ng ilalim na layer. .Samakatuwid, kapag ang mga gas ay nakikipag-ugnayan sa tuktok na layer, maaari silang makabuluhang makaapekto sa mga channel ng pagpapadaloy ng ilalim na layer at ang paglaban 134 ng aparato.Halimbawa, si Kumar et al.77 ay nag-ulat ng kabaligtaran na pag-uugali ng TiO @NiO at NiO @TiO2 double layer para sa NH3.Ang pagkakaibang ito ay lumitaw dahil ang mga channel ng pagpapadaloy ng dalawang sensor ay nangingibabaw sa mga layer ng iba't ibang mga materyales (NiO at TiO2, ayon sa pagkakabanggit), at pagkatapos ay ang mga pagkakaiba-iba sa pinagbabatayan na mga channel ng pagpapadaloy ay magkakaiba77.
Ang mga bilayer o multilayer na heteronanostructure ay karaniwang ginagawa sa pamamagitan ng sputtering, atomic layer deposition (ALD) at centrifugation56,70,134,135,136.Ang kapal ng pelikula at ang lugar ng pakikipag-ugnay ng dalawang materyales ay maaaring makontrol nang maayos.Ang mga figure 7a at b ay nagpapakita ng NiO@SnO2 at Ga2O3@WO3 nanofilms na nakuha sa pamamagitan ng sputtering para sa ethanol detection135,137.Gayunpaman, ang mga pamamaraang ito sa pangkalahatan ay gumagawa ng mga flat film, at ang mga flat film na ito ay hindi gaanong sensitibo kaysa sa 3D nanostructured na materyales dahil sa kanilang mababang partikular na surface area at gas permeability.Samakatuwid, iminungkahi din ang isang liquid-phase na diskarte para sa paggawa ng mga bilayer na pelikula na may iba't ibang hierarchy upang mapabuti ang perceptual na pagganap sa pamamagitan ng pagtaas ng partikular na surface area41,52,138.Pinagsama ng Zhu et al139 ang mga diskarte sa sputtering at hydrothermal upang makagawa ng mataas na order na ZnO nanowires sa mga SnO2 nanowires (ZnO@SnO2 nanowires) para sa H2S detection (Fig. 7c).Ang tugon nito sa 1 ppm H2S ay 1.6 beses na mas mataas kaysa sa isang sensor batay sa sputtered ZnO@SnO2 nanofilms.Liu et al.52 ay nag-ulat ng mataas na pagganap ng H2S sensor gamit ang isang two-step in situ chemical deposition method upang gumawa ng hierarchical na SnO2@NiO nanostructure na sinusundan ng thermal annealing (Fig. 10d).Kung ikukumpara sa conventional sputtered SnO2@NiO bilayer films, ang sensitivity performance ng SnO2@NiO hierarchical bilayer structure ay makabuluhang napabuti dahil sa pagtaas ng specific surface area52,137.
Double layer gas sensor batay sa MOS.NiO@SnO2 nanofilm para sa pagtuklas ng ethanol;137b Ga2O3@WO3 nanofilm para sa pagtuklas ng ethanol;135c mataas na iniutos SnO2@ZnO bilayer hierarchical istraktura para sa H2S detection;139d SnO2@NiO bilayer hierarchical na istraktura para sa pag-detect ng H2S52.
Sa mga uri ng II device batay sa core-shell heteronanostructures (CSHNs), ang mekanismo ng sensing ay mas kumplikado, dahil ang mga channel ng pagpapadaloy ay hindi limitado sa panloob na shell.Parehong ang ruta ng pagmamanupaktura at ang kapal (hs) ng pakete ay maaaring matukoy ang lokasyon ng mga conductive channel.Halimbawa, kapag gumagamit ng mga pamamaraan ng bottom-up synthesis, ang mga channel ng pagpapadaloy ay karaniwang limitado sa panloob na core, na katulad ng istraktura sa dalawang-layer o multilayer na istruktura ng aparato (Larawan 2b(3)) 123, 140, 141, 142, 143. Xu et al.144 ay nag-ulat ng isang bottom-up na diskarte sa pagkuha ng CSHN NiO@α-Fe2O3 at CuO@α-Fe2O3 sa pamamagitan ng pagdeposito ng isang layer ng NiO o CuO NPs sa α-Fe2O3 nanorods kung saan ang conduction channel ay limitado ng gitnang bahagi.(nanorods α-Fe2O3).Liu et al.Nagtagumpay din ang 142 sa paghihigpit sa conduction channel sa pangunahing bahagi ng CSHN TiO2 @ Si sa pamamagitan ng pagdedeposito ng TiO2 sa mga inihandang array ng silicon nanowires.Samakatuwid, ang sensing behavior nito (p-type o n-type) ay nakasalalay lamang sa semiconductor type ng silicon nanowire.
Gayunpaman, karamihan sa naiulat na mga sensor na nakabatay sa CSHN (Larawan 2b(4)) ay ginawa sa pamamagitan ng paglilipat ng mga pulbos ng synthesized na materyal na CS papunta sa mga chips.Sa kasong ito, ang landas ng pagpapadaloy ng sensor ay apektado ng kapal ng pabahay (hs).Inimbestigahan ng grupo ni Kim ang epekto ng hs sa pagganap ng pagtuklas ng gas at nagmungkahi ng posibleng mekanismo ng pagtuklas100,112,145,146,147,148. Ito ay pinaniniwalaan na dalawang salik ang nag-aambag sa mekanismo ng sensing ng istrukturang ito: (1) ang radial modulation ng EDL ng shell at (2) ang electric field smearing effect (Fig. 8) 145. Binanggit ng mga mananaliksik na ang conduction channel ng mga carrier ay kadalasang nakakulong sa shell layer kapag hs > λD ng shell layer145. Ito ay pinaniniwalaan na dalawang salik ang nag-aambag sa mekanismo ng sensing ng istrukturang ito: (1) ang radial modulation ng EDL ng shell at (2) ang electric field smearing effect (Fig. 8) 145. Binanggit ng mga mananaliksik na ang conduction channel ng mga carrier ay kadalasang nakakulong sa shell layer kapag hs > λD ng shell layer145. 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. Ito ay pinaniniwalaan na dalawang salik ang kasangkot sa mekanismo ng pagdama ng istrukturang ito: (1) radial modulation ng EDL ng shell at (2) ang epekto ng paglabo ng electric field (Fig. 8) 145. Nabanggit ng mga mananaliksik na ang carrier conduction channel ay pangunahing nakakulong sa shell kapag hs > λD shells145.Ito ay pinaniniwalaan na dalawang salik ang nag-aambag sa mekanismo ng pagtuklas ng istrukturang ito: (1) ang radial modulation ng DEL ng shell at (2) ang epekto ng electric field 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壳层。 > 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 носителей в основночочочом Napansin ng mga mananaliksik na ang conduction channel Kapag hs > λD145 ng shell, ang bilang ng mga carrier ay higit na limitado ng shell.Samakatuwid, sa resistive modulation ng sensor batay sa CSHN, nangingibabaw ang radial modulation ng cladding DEL (Fig. 8a).Gayunpaman, sa hs ≤ λD ng shell, ang mga particle ng oxygen na na-adsorbed ng shell at ang heterojunction na nabuo sa CS heterojunction ay ganap na naubos ng mga electron. Samakatuwid, ang channel ng pagpapadaloy ay hindi lamang matatagpuan sa loob ng layer ng shell kundi pati na rin bahagyang sa pangunahing bahagi, lalo na kapag hs <λD ng shell layer. Samakatuwid, ang channel ng pagpapadaloy ay hindi lamang matatagpuan sa loob ng layer ng shell kundi pati na rin bahagyang sa pangunahing bahagi, lalo na kapag hs <λD ng shell layer. Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочечного слоя, но и частично в сердцевингиноч не только внутри оболочечного слоя. Samakatuwid, ang channel ng pagpapadaloy ay matatagpuan hindi lamang sa loob ng layer ng shell, kundi pati na rin sa isang bahagi sa pangunahing bahagi, lalo na sa hs <λD ng shell layer.因此，传导通道不仅位于壳层内部，而且部分位于芯部，尤其是当壳层的hs < λD hs < λD 时。 Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочки, но и частично в сердцевине, особеночино особеночки Samakatuwid, ang conduction channel ay matatagpuan hindi lamang sa loob ng shell, kundi pati na rin sa isang bahagi sa core, lalo na sa hs <λD ng shell.Sa kasong ito, parehong ang ganap na naubos na shell ng elektron at ang bahagyang naubos na core layer ay nakakatulong na baguhin ang paglaban ng buong CSHN, na nagreresulta sa isang electric field tail effect (Fig. 8b).Ang ilang iba pang mga pag-aaral ay gumamit ng EDL volume fraction concept sa halip na isang electric field tail upang pag-aralan ang h effect100,148.Isinasaalang-alang ang dalawang kontribusyon na ito, ang kabuuang modulasyon ng paglaban ng CSHN ay umabot sa pinakamalaking halaga nito kapag ang hs ay maihahambing sa sheath λD, tulad ng ipinapakita sa Fig. 8c.Samakatuwid, ang pinakamainam na hs para sa CSHN ay maaaring malapit sa shell λD, na naaayon sa mga eksperimentong obserbasyon99,144,145,146,149.Ipinakita ng ilang pag-aaral na ang hs ay maaari ding makaapekto sa pagiging sensitibo ng mga sensor ng pn-heterojunction na nakabatay sa CSHN40,148.Li et al.148 at Bai et al.40 sistematikong sinisiyasat ang epekto ng hs sa pagganap ng pn-heterojunction CSHN sensor, tulad ng TiO2@CuO at ZnO@NiO, sa pamamagitan ng pagbabago ng cladding ALD cycle.Bilang resulta, ang pag-uugali ng pandama ay nagbago mula sa p-type hanggang sa n-type na may pagtaas ng hs40,148.Ang pag-uugali na ito ay dahil sa katotohanan na sa una (na may limitadong bilang ng mga ALD cycle) ang mga heterostructure ay maaaring ituring bilang binagong heteronanostructure.Kaya, ang conduction channel ay limitado ng core layer (p-type MOSFET), at ang sensor ay nagpapakita ng p-type detection behavior.Habang tumataas ang bilang ng mga ALD cycle, ang cladding layer (n-type na MOSFET) ay nagiging quasi-continuous at nagsisilbing conduction channel, na nagreresulta sa n-type sensitivity.Ang mga katulad na sensory transition behavior ay naiulat para sa pn branched heteronanostructures 150,151 .Zhou et al.Inimbestigahan ng 150 ang sensitivity ng Zn2SnO4@Mn3O4 branched heteronanostructures sa pamamagitan ng pagkontrol sa nilalaman ng Zn2SnO4 sa ibabaw ng Mn3O4 nanowires.Kapag nabuo ang Zn2SnO4 nuclei sa ibabaw ng Mn3O4, isang p-type na sensitivity ang naobserbahan.Sa karagdagang pagtaas sa nilalaman ng Zn2SnO4, ang sensor na nakabatay sa branched Zn2SnO4@Mn3O4 heteronanostructures ay lumipat sa n-type na sensor behavior.
Ang isang konseptong paglalarawan ng dalawang-functional na mekanismo ng sensor ng CS nanowires ay ipinapakita.a Resistance modulation dahil sa radial modulation ng electron-depleted shells, b Negatibong epekto ng smearing sa resistance modulation, at c Total resistance modulation ng CS nanowires dahil sa kumbinasyon ng parehong epekto 40
Sa konklusyon, ang mga type II sensor ay kinabibilangan ng maraming iba't ibang hierarchical nanostructure, at ang pagganap ng sensor ay lubos na nakasalalay sa pag-aayos ng mga conductive channel.Samakatuwid, kritikal na kontrolin ang posisyon ng conduction channel ng sensor at gumamit ng angkop na heteronanostructured na modelo ng MOS upang pag-aralan ang extended sensing mechanism ng type II sensors.
Ang mga istruktura ng sensor ng Type III ay hindi pangkaraniwan, at ang conduction channel ay batay sa isang heterojunction na nabuo sa pagitan ng dalawang semiconductors na konektado sa dalawang electrodes, ayon sa pagkakabanggit.Ang mga natatanging istruktura ng aparato ay karaniwang nakukuha sa pamamagitan ng mga pamamaraan ng micromachining at ang kanilang mga mekanismo ng sensing ay ibang-iba mula sa nakaraang dalawang istruktura ng sensor.Ang IV curve ng Type III sensor ay karaniwang nagpapakita ng mga tipikal na katangian ng pagwawasto dahil sa heterojunction formation48,152,153.Ang curve ng katangian ng I-V ng isang perpektong heterojunction ay maaaring ilarawan ng thermionic na mekanismo ng paglabas ng elektron sa taas ng heterojunction barrier152,154,155.
kung saan ang Va ay ang bias na boltahe, A ay ang lugar ng aparato, k ay ang Boltzmann constant, T ay ang ganap na temperatura, q ay ang carrier charge, Jn at Jp ay ang butas at electron diffusion kasalukuyang densidad, ayon sa pagkakabanggit.Kinakatawan ng IS ang reverse saturation current, na tinukoy bilang: 152,154,155
Samakatuwid, ang kabuuang kasalukuyang ng pn heterojunction ay nakasalalay sa pagbabago sa konsentrasyon ng mga carrier ng singil at ang pagbabago sa taas ng hadlang ng heterojunction, tulad ng ipinapakita sa mga equation (3) at (4) 156
kung saan ang nn0 at pp0 ay ang konsentrasyon ng mga electron (butas) sa isang n-type (p-type) na MOS, \(V_{bi}^0\) ay ang built-in na potensyal, ang Dp (Dn) ay ang diffusion coefficient ng mga electron (mga butas), ang Ln (Lp ) ay ang haba ng pagsasabog ng mga electron (mga butas), ang ΔEv (ΔEc) ay ang shift ng enerhiya ng valence band (conduction band) sa heterojunction.Bagama't ang kasalukuyang density ay proporsyonal sa density ng carrier, ito ay exponentially inversely proportional sa \(V_{bi}^0\).Samakatuwid, ang pangkalahatang pagbabago sa kasalukuyang density ay malakas na nakasalalay sa modulasyon ng taas ng heterojunction barrier.
Gaya ng nabanggit sa itaas, ang paglikha ng mga hetero-nanostructured na MOSFET (halimbawa, type I at type II na device) ay maaaring makabuluhang mapabuti ang pagganap ng sensor, sa halip na mga indibidwal na bahagi.At para sa mga uri ng III na aparato, ang tugon ng heteronanostructure ay maaaring mas mataas sa dalawang bahagi48,153 o mas mataas sa isang bahagi76, depende sa kemikal na komposisyon ng materyal.Ipinakita ng ilang mga ulat na ang tugon ng mga heteronanostructure ay mas mataas kaysa sa isang sangkap kapag ang isa sa mga bahagi ay hindi sensitibo sa target na gas48,75,76,153.Sa kasong ito, ang target na gas ay makikipag-ugnayan lamang sa sensitibong layer at magdudulot ng paglilipat ng Ef ng sensitibong layer at pagbabago sa taas ng heterojunction barrier.Pagkatapos ang kabuuang kasalukuyang ng aparato ay magbabago nang malaki, dahil ito ay inversely na nauugnay sa taas ng heterojunction barrier ayon sa equation.(3) at (4) 48,76,153.Gayunpaman, kapag ang parehong n-type at p-type na mga bahagi ay sensitibo sa target na gas, ang pagganap ng pagtuklas ay maaaring nasa pagitan.Si José et al.76 ay gumawa ng porous na NiO/SnO2 film NO2 sensor sa pamamagitan ng sputtering at nalaman na ang sensitivity ng sensor ay mas mataas lamang kaysa sa sensor na nakabatay sa NiO, ngunit mas mababa kaysa sa sensor na nakabatay sa SnO2.sensor.Ang kababalaghan na ito ay dahil sa ang katunayan na ang SnO2 at NiO ay nagpapakita ng magkasalungat na reaksyon sa NO276.Gayundin, dahil ang dalawang bahagi ay may magkaibang pagkasensitibo sa gas, maaari silang magkaroon ng parehong tendensya na makakita ng oxidizing at pagbabawas ng mga gas.Halimbawa, Kwon et al.157 iminungkahi ang isang NiO/SnO2 pn-heterojunction gas sensor sa pamamagitan ng oblique sputtering, tulad ng ipinapakita sa Fig. 9a.Kapansin-pansin, ang NiO/SnO2 pn-heterojunction sensor ay nagpakita ng parehong sensitivity trend para sa H2 at NO2 (Fig. 9a).Upang malutas ang resultang ito, Kwon et al.157 sistematikong sinisiyasat kung paano binabago ng NO2 at H2 ang mga konsentrasyon ng carrier at na-tune ang \(V_{bi}^0\) ng parehong materyales gamit ang IV-characteristics at computer simulation (Fig. 9bd).Ang mga figure 9b at c ay nagpapakita ng kakayahan ng H2 at NO2 na baguhin ang carrier density ng mga sensor batay sa p-NiO (pp0) at n-SnO2 (nn0), ayon sa pagkakabanggit.Ipinakita nila na ang pp0 ng p-type na NiO ay bahagyang nagbago sa kapaligiran ng NO2, habang ito ay nagbago nang malaki sa kapaligiran ng H2 (Larawan 9b).Gayunpaman, para sa n-type na SnO2, ang nn0 ay kumikilos sa kabaligtaran na paraan (Larawan 9c).Batay sa mga resultang ito, napagpasyahan ng mga may-akda na kapag ang H2 ay inilapat sa sensor batay sa NiO/SnO2 pn heterojunction, ang pagtaas ng nn0 ay humantong sa pagtaas ng Jn, at \(V_{bi}^0\) ay humantong sa isang pagbaba sa tugon (Larawan 9d).Pagkatapos ng pagkakalantad sa NO2, ang parehong malaking pagbaba sa nn0 sa SnO2 at isang maliit na pagtaas sa pp0 sa NiO ay humantong sa isang malaking pagbaba sa \(V_{bi}^0\), na nagsisiguro ng pagtaas sa sensory response (Fig. 9d ) 157 Sa konklusyon, ang mga pagbabago sa konsentrasyon ng mga carrier at \(V_{bi}^0\) ay humahantong sa mga pagbabago sa kabuuang kasalukuyang, na higit na nakakaapekto sa kakayahan sa pagtuklas.
Ang mekanismo ng sensing ng gas sensor ay batay sa istraktura ng Type III device.Pag-scan ng electron microscopy (SEM) cross-sectional na mga imahe, p-NiO/n-SnO2 nanocoil device at sensor properties ng p-NiO/n-SnO2 nanocoil heterojunction sensor sa 200°C para sa H2 at NO2;b , cross-sectional SEM ng isang c-device, at mga resulta ng simulation ng isang device na may p-NiO b-layer at n-SnO2 c-layer.Ang b p-NiO sensor at ang c n-SnO2 sensor ay sumusukat at tumutugma sa mga katangian ng I–V sa tuyong hangin at pagkatapos ng pagkakalantad sa H2 at NO2.Ang isang dalawang-dimensional na mapa ng b-hole density sa p-NiO at isang mapa ng c-electrons sa n-SnO2 layer na may sukat ng kulay ay namodelo gamit ang Sentaurus TCAD software.d Mga resulta ng simulation na nagpapakita ng 3D na mapa ng p-NiO/n-SnO2 sa tuyong hangin, H2 at NO2157 sa kapaligiran.
Bilang karagdagan sa mga kemikal na katangian ng materyal mismo, ang istraktura ng Type III na aparato ay nagpapakita ng posibilidad na lumikha ng mga self-powered gas sensor, na hindi posible sa Type I at Type II na mga device.Dahil sa kanilang likas na electric field (BEF), ang mga istruktura ng pn heterojunction diode ay karaniwang ginagamit upang bumuo ng mga photovoltaic device at nagpapakita ng potensyal para sa paggawa ng self-powered photoelectric gas sensor sa temperatura ng silid sa ilalim ng pag-iilaw74,158,159,160,161.Ang BEF sa heterointerface, na sanhi ng pagkakaiba sa mga antas ng Fermi ng mga materyales, ay nag-aambag din sa paghihiwalay ng mga pares ng electron-hole.Ang bentahe ng self-powered photovoltaic gas sensor ay ang mababang konsumo ng kuryente dahil maaari itong sumipsip ng enerhiya ng nag-iilaw na liwanag at pagkatapos ay kontrolin ang sarili o iba pang maliliit na aparato nang hindi nangangailangan ng panlabas na pinagmumulan ng kuryente.Halimbawa, ang Tanuma at Sugiyama162 ay gumawa ng NiO/ZnO pn heterojunctions bilang solar cells upang maisaaktibo ang SnO2-based na polycrystalline CO2 sensor.Gad et al.74 ay nag-ulat ng self-powered photovoltaic gas sensor batay sa isang Si/ZnO@CdS pn heterojunction, tulad ng ipinapakita sa Fig. 10a.Ang mga vertical na naka-orient na ZnO nanowires ay direktang lumago sa mga p-type na silicon na substrates upang bumuo ng Si/ZnO pn heterojunctions.Pagkatapos ang CdS nanoparticle ay binago sa ibabaw ng ZnO nanowires sa pamamagitan ng pagbabago sa ibabaw ng kemikal.Sa fig.Ang 10a ay nagpapakita ng off-line na Si/ZnO@CdS sensor na mga resulta ng pagtugon para sa O2 at ethanol.Sa ilalim ng pag-iilaw, ang open-circuit boltahe (Voc) dahil sa paghihiwalay ng mga pares ng electron-hole sa panahon ng BEP sa Si/ZnO heterointerface ay tumataas nang linearly sa bilang ng mga konektadong diodes74,161.Ang Voc ay maaaring katawanin ng isang equation.(5) 156,
kung saan ang ND, NA, at Ni ay ang mga konsentrasyon ng mga donor, acceptor, at intrinsic carrier, ayon sa pagkakabanggit, at ang k, T, at q ay parehong mga parameter tulad ng sa nakaraang equation.Kapag nalantad sa mga oxidizing gas, kinukuha nila ang mga electron mula sa ZnO nanowires, na humahantong sa pagbaba ng \(N_D^{ZnO}\) at Voc.Sa kabaligtaran, ang pagbabawas ng gas ay nagresulta sa pagtaas ng Voc (Fig. 10a).Kapag pinalamutian ang ZnO gamit ang CdS nanoparticle, ang mga photoexcited na electron sa CdS nanoparticle ay ini-inject sa conduction band ng ZnO at nakikipag-ugnayan sa adsorbed gas, at sa gayon ay nadaragdagan ang kahusayan ng perception74,160.Ang isang katulad na self-powered photovoltaic gas sensor batay sa Si/ZnO ay iniulat ni Hoffmann et al.160, 161 (Larawan 10b).Ang sensor na ito ay maaaring ihanda gamit ang isang linya ng amine-functionalized ZnO nanoparticles ([3-(2-aminoethylamino)propyl]trimethoxysilane) (amino-functionalized-SAM) at thiol ((3-mercaptopropyl)-functionalized, upang ayusin ang work function ng target na gas para sa selective detection ng NO2 (trimethoxysilane) (thiol-functionalized-SAM)) (Fig. 10b) 74,161.
Isang self-powered photoelectric gas sensor batay sa istraktura ng isang type III device.isang self-powered photovoltaic gas sensor batay sa Si/ZnO@CdS, self-powered sensing mechanism at sensor response sa oxidized (O2) at nabawasang (1000 ppm ethanol) na mga gas sa ilalim ng sikat ng araw;74b Self-powered photovoltaic gas sensor batay sa Si ZnO/ZnO sensors at sensor responses sa iba't ibang gas pagkatapos ng functionalization ng ZnO SAM na may terminal amines at thiols 161
Samakatuwid, kapag tinatalakay ang sensitibong mekanismo ng mga sensor ng uri III, mahalagang matukoy ang pagbabago sa taas ng heterojunction barrier at ang kakayahan ng gas na maimpluwensyahan ang konsentrasyon ng carrier.Bilang karagdagan, ang pag-iilaw ay maaaring makabuo ng mga photogenerated na carrier na tumutugon sa mga gas, na nangangako para sa self-powered gas detection.
Tulad ng tinalakay sa pagsusuri sa panitikan na ito, maraming iba't ibang mga heteronanostructure ng MOS ang ginawa upang mapabuti ang pagganap ng sensor.Ang Web of Science database ay hinanap para sa iba't ibang mga keyword (metal oxide composites, core-sheath metal oxides, layered metal oxides, at self-powered gas analyzer) pati na rin ang mga natatanging katangian (kasaganaan, sensitivity/selectivity, potensyal na pagbuo ng kuryente, pagmamanupaktura) .Paraan Ang mga katangian ng tatlo sa tatlong device na ito ay ipinapakita sa Talahanayan 2. Ang pangkalahatang konsepto ng disenyo para sa mga high performance na gas sensor ay tinatalakay sa pamamagitan ng pagsusuri sa tatlong pangunahing salik na iminungkahi ni Yamazoe.Mga Mekanismo para sa Mga Sensor ng Heterostructure ng MOS Upang maunawaan ang mga salik na nakakaimpluwensya sa mga sensor ng gas, ang iba't ibang mga parameter ng MOS (hal., laki ng butil, temperatura ng pagpapatakbo, depekto at density ng bakante ng oxygen, mga bukas na kristal na eroplano) ay maingat na pinag-aralan.Ang istraktura ng device, na kritikal din sa sensing behavior ng sensor, ay napabayaan at bihirang talakayin.Tinatalakay ng pagsusuring ito ang mga pinagbabatayan na mekanismo para sa pag-detect ng tatlong tipikal na uri ng istraktura ng device.
Ang istraktura ng laki ng butil, paraan ng pagmamanupaktura, at bilang ng mga heterojunction ng sensing material sa isang Type I sensor ay maaaring makaapekto nang malaki sa sensitivity ng sensor.Bilang karagdagan, ang pag-uugali ng sensor ay apektado din ng molar ratio ng mga bahagi.Ang Type II na istruktura ng device (decorative heteronanostructures, bilayer o multilayer films, HSSNs) ay ang pinakasikat na istruktura ng device na binubuo ng dalawa o higit pang mga bahagi, at isang bahagi lamang ang konektado sa electrode.Para sa istraktura ng aparatong ito, ang pagtukoy sa lokasyon ng mga channel ng pagpapadaloy at ang kanilang mga kamag-anak na pagbabago ay kritikal sa pag-aaral ng mekanismo ng pang-unawa.Dahil ang mga type II na device ay may kasamang maraming iba't ibang hierarchical heteronanostructure, maraming iba't ibang mekanismo ng sensing ang iminungkahi.Sa isang uri III na istraktura ng pandama, ang conduction channel ay pinangungunahan ng isang heterojunction na nabuo sa heterojunction, at ang mekanismo ng pang-unawa ay ganap na naiiba.Samakatuwid, mahalagang matukoy ang pagbabago sa taas ng heterojunction barrier pagkatapos ng pagkakalantad ng target na gas sa type III sensor.Sa disenyong ito, ang mga self-powered photovoltaic gas sensor ay maaaring gawin upang mabawasan ang pagkonsumo ng kuryente.Gayunpaman, dahil ang kasalukuyang proseso ng katha ay medyo kumplikado at ang sensitivity ay mas mababa kaysa sa tradisyonal na MOS-based chemo-resistive gas sensor, mayroon pa ring maraming pag-unlad sa pananaliksik ng self-powered gas sensors.
Ang mga pangunahing bentahe ng mga sensor ng MOS ng gas na may hierarchical heteronanostructure ay ang bilis at mas mataas na sensitivity.Gayunpaman, ang ilang mga pangunahing problema ng MOS gas sensors (hal., mataas na operating temperatura, pangmatagalang katatagan, mahinang pagpili at muling paggawa, mga epekto ng halumigmig, atbp.) ay umiiral pa rin at kailangang matugunan bago sila magamit sa mga praktikal na aplikasyon.Ang mga modernong MOS gas sensor ay karaniwang gumagana sa mataas na temperatura at kumonsumo ng maraming kapangyarihan, na nakakaapekto sa pangmatagalang katatagan ng sensor.Mayroong dalawang karaniwang mga diskarte sa paglutas ng problemang ito: (1) pagbuo ng mababang power sensor chips;(2) pagbuo ng mga bagong sensitibong materyales na maaaring gumana sa mababang temperatura o kahit sa temperatura ng silid.Ang isang diskarte sa pagbuo ng low-power sensor chips ay upang i-minimize ang laki ng sensor sa pamamagitan ng paggawa ng microheating plates batay sa ceramics at silicon163.Ang mga ceramic based micro heating plate ay kumokonsumo ng humigit-kumulang 50–70 mV bawat sensor, habang ang naka-optimize na silicon based na micro heating plate ay maaaring kumonsumo ng kasing liit ng 2 mW bawat sensor kapag patuloy na gumagana sa 300 °C163,164.Ang pagbuo ng mga bagong materyal sa sensing ay isang epektibong paraan upang bawasan ang pagkonsumo ng kuryente sa pamamagitan ng pagpapababa sa temperatura ng pagpapatakbo, at maaari ring mapabuti ang katatagan ng sensor.Habang ang laki ng MOS ay patuloy na binabawasan upang mapataas ang sensitivity ng sensor, ang thermal stability ng MOS ay nagiging mas isang hamon, na maaaring humantong sa drift sa signal ng sensor165.Bilang karagdagan, ang mataas na temperatura ay nagtataguyod ng pagsasabog ng mga materyales sa heterointerface at ang pagbuo ng mga halo-halong phase, na nakakaapekto sa mga elektronikong katangian ng sensor.Ang mga mananaliksik ay nag-ulat na ang pinakamabuting kalagayan na temperatura ng pagpapatakbo ng sensor ay maaaring bawasan sa pamamagitan ng pagpili ng mga angkop na materyales sa pag-sensing at pagbuo ng MOS heteronanostructure.Ang paghahanap para sa isang mababang-temperatura na pamamaraan para sa paggawa ng mataas na mala-kristal na MOS heteronanostructure ay isa pang promising na diskarte upang mapabuti ang katatagan.
Ang selectivity ng MOS sensors ay isa pang praktikal na isyu dahil magkakasamang nabubuhay ang iba't ibang gas sa target na gas, habang ang MOS sensors ay kadalasang sensitibo sa higit sa isang gas at kadalasang nagpapakita ng cross sensitivity.Samakatuwid, ang pagtaas ng selectivity ng sensor sa target na gas pati na rin sa iba pang mga gas ay kritikal para sa mga praktikal na aplikasyon.Sa nakalipas na ilang dekada, ang pagpili ay bahagyang natugunan sa pamamagitan ng pagbuo ng mga arrays ng mga sensor ng gas na tinatawag na "electronic noses (E-nose)" kasama ng mga computational analysis algorithm tulad ng training vector quantization (LVQ), principal component analysis (PCA), atbp. e.Mga problemang sekswal.Partial Least Squares (PLS), atbp. 31, 32, 33, 34. Dalawang pangunahing salik (ang bilang ng mga sensor, na malapit na nauugnay sa uri ng sensing material, at computational analysis) ay kritikal sa pagpapabuti ng kakayahan ng electronic noses upang makilala ang mga gas169.Gayunpaman, ang pagtaas ng bilang ng mga sensor ay karaniwang nangangailangan ng maraming kumplikadong proseso ng pagmamanupaktura, kaya kritikal na makahanap ng isang simpleng paraan upang mapabuti ang pagganap ng mga elektronikong ilong.Bilang karagdagan, ang pagbabago ng MOS sa iba pang mga materyales ay maaari ring tumaas ang selectivity ng sensor.Halimbawa, ang selective detection ng H2 ay maaaring makamit dahil sa magandang catalytic na aktibidad ng MOS na binago ng NP Pd.Sa mga nakalipas na taon, pinahiran ng ilang mananaliksik ang ibabaw ng MOS MOF upang mapabuti ang pagpili ng sensor sa pamamagitan ng pagbubukod ng laki171,172.Sa inspirasyon ng gawaing ito, maaaring malutas ng materyal na functionalization ang problema ng selectivity.Gayunpaman, mayroon pa ring maraming trabaho na dapat gawin sa pagpili ng tamang materyal.
Ang pag-uulit ng mga katangian ng mga sensor na ginawa sa ilalim ng parehong mga kondisyon at pamamaraan ay isa pang mahalagang kinakailangan para sa malakihang produksyon at praktikal na mga aplikasyon.Karaniwan, ang mga pamamaraan ng centrifugation at dipping ay mga murang paraan para sa paggawa ng mga high throughput na sensor ng gas.Gayunpaman, sa panahon ng mga prosesong ito, ang sensitibong materyal ay may posibilidad na magsama-sama at ang relasyon sa pagitan ng sensitibong materyal at ang substrate ay nagiging mahina68, 138, 168. Bilang resulta, ang sensitivity at katatagan ng sensor ay lumala nang malaki, at ang pagganap ay nagiging reproducible.Ang iba pang mga paraan ng paggawa gaya ng sputtering, ALD, pulsed laser deposition (PLD), at physical vapor deposition (PVD) ay nagbibigay-daan sa paggawa ng mga bilayer o multilayer na MOS na pelikula nang direkta sa may pattern na silicon o alumina na mga substrate.Iniiwasan ng mga diskarteng ito ang pagtatayo ng mga sensitibong materyales, tinitiyak ang muling paggawa ng sensor, at ipinapakita ang pagiging posible ng malakihang produksyon ng mga planar thin-film sensor.Gayunpaman, ang sensitivity ng mga flat film na ito sa pangkalahatan ay mas mababa kaysa sa mga 3D nanostructured na materyales dahil sa kanilang maliit na tiyak na lugar sa ibabaw at mababang gas permeability41,174.Ang mga bagong diskarte para sa pagpapalaki ng mga heteronanostructure ng MOS sa mga partikular na lokasyon sa mga structured na microarray at tumpak na pagkontrol sa laki, kapal, at morpolohiya ng mga sensitibong materyales ay kritikal para sa murang paggawa ng mga wafer-level na sensor na may mataas na reproducibility at sensitivity.Halimbawa, si Liu et al.174 ay nagmungkahi ng pinagsamang top-down at bottom-up na diskarte para sa paggawa ng mga high-throughput na crystallites sa pamamagitan ng paglaki sa situ Ni(OH)2 nanowalls sa mga partikular na lokasyon..Mga wafer para sa mga microburner.
Bilang karagdagan, mahalaga din na isaalang-alang ang epekto ng kahalumigmigan sa sensor sa mga praktikal na aplikasyon.Ang mga molekula ng tubig ay maaaring makipagkumpitensya sa mga molekula ng oxygen para sa mga site ng adsorption sa mga materyales ng sensor at makakaapekto sa responsibilidad ng sensor para sa target na gas.Tulad ng oxygen, ang tubig ay gumaganap bilang isang molekula sa pamamagitan ng pisikal na sorption, at maaari ding umiral sa anyo ng mga hydroxyl radical o hydroxyl group sa iba't ibang istasyon ng oksihenasyon sa pamamagitan ng chemisorption.Bilang karagdagan, dahil sa mataas na antas at variable na kahalumigmigan ng kapaligiran, ang isang maaasahang tugon ng sensor sa target na gas ay isang malaking problema.Ilang estratehiya ang binuo upang matugunan ang problemang ito, tulad ng gas preconcentration177, moisture compensation at cross-reactive lattice method178, pati na rin ang mga paraan ng pagpapatuyo179,180.Gayunpaman, ang mga pamamaraan na ito ay mahal, kumplikado, at binabawasan ang sensitivity ng sensor.Ilang murang estratehiya ang iminungkahi upang sugpuin ang mga epekto ng halumigmig.Halimbawa, ang dekorasyon ng SnO2 na may Pd nanoparticle ay maaaring magsulong ng conversion ng adsorbed oxygen sa anionic particle, habang ang paggana ng SnO2 na may mga materyales na may mataas na pagkakaugnay para sa mga molekula ng tubig, tulad ng NiO at CuO, ay dalawang paraan upang maiwasan ang moisture dependence sa mga molekula ng tubig..Mga Sensor 181, 182, 183. Bilang karagdagan, ang epekto ng halumigmig ay maaari ding mabawasan sa pamamagitan ng paggamit ng mga hydrophobic na materyales upang bumuo ng mga hydrophobic na ibabaw36,138,184,185.Gayunpaman, ang pagbuo ng mga sensor ng gas na lumalaban sa moisture ay nasa maagang yugto pa rin, at higit pang mga advanced na diskarte ang kinakailangan upang matugunan ang mga isyung ito.
Sa konklusyon, ang mga pagpapabuti sa pagganap ng pagtuklas (hal., sensitivity, selectivity, mababang pinakamainam na temperatura ng pagpapatakbo) ay nakamit sa pamamagitan ng paglikha ng mga heteronanostructure ng MOS, at iba't ibang mga pinahusay na mekanismo ng pagtuklas ay iminungkahi.Kapag pinag-aaralan ang mekanismo ng sensing ng isang partikular na sensor, dapat ding isaalang-alang ang geometric na istraktura ng device.Ang pagsasaliksik sa mga bagong materyal na pang-sensing at pagsasaliksik sa mga advanced na diskarte sa paggawa ay kinakailangan upang higit pang mapabuti ang pagganap ng mga sensor ng gas at matugunan ang mga natitirang hamon sa hinaharap.Para sa kinokontrol na pag-tune ng mga katangian ng sensor, kinakailangan na sistematikong bumuo ng ugnayan sa pagitan ng sintetikong pamamaraan ng mga materyales ng sensor at ang pag-andar ng mga heteronanostructure.Bilang karagdagan, ang pag-aaral ng mga reaksyon sa ibabaw at mga pagbabago sa mga heterointerface gamit ang mga modernong pamamaraan ng characterization ay maaaring makatulong na ipaliwanag ang mga mekanismo ng kanilang pang-unawa at magbigay ng mga rekomendasyon para sa pagbuo ng mga sensor batay sa mga heteronanostructured na materyales.Sa wakas, ang pag-aaral ng mga modernong diskarte sa paggawa ng sensor ay maaaring payagan ang paggawa ng mga miniature na sensor ng gas sa antas ng wafer para sa kanilang mga pang-industriyang aplikasyon.
Genzel, NN et al.Isang longhitudinal na pag-aaral ng panloob na antas ng nitrogen dioxide at mga sintomas ng paghinga sa mga batang may hika sa mga lunsod o bayan.kapitbahayan.Pananaw sa kalusugan.116, 1428–1432 (2008).
Oras ng post: Nob-04-2022
