Усиление характеристик обнаружения аммиака за счет модуляции несущей, индуцированной затвором, в Cur

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8159 (2023) Цитировать эту статью

216 Доступов

Подробности о метриках

Неконтролируемая человеческая и промышленная деятельность приводит к увеличению спроса на селективные газовые датчики для обнаружения ядовитых газов в окружающей среде. Обычные резистивные газовые датчики имеют заранее заданную чувствительность и плохую селективность по газам. В этой статье демонстрируется полевой транзистор из оксида графена и шелка с пониженным содержанием куркумина для селективного и чувствительного обнаружения аммиака в воздухе. Чувствительный слой был охарактеризован методами рентгеновской дифракции, FESEM и HRTEM для подтверждения его структурных и морфологических особенностей. Рамановская спектроскопия, инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия были проведены для анализа функциональных фрагментов, присутствующих в чувствительном слое. Оксид графена, восстановленный куркумином, вводит достаточное количество гидроксильных групп в чувствительный слой, чтобы обеспечить высокую степень селективности по отношению к парам аммиака. Работоспособность сенсорного устройства оценивалась при положительном, отрицательном и нулевом напряжении на затворе. Модуляция носителей в канале посредством электростатики затвора показала, что неосновные носители (электроны) в восстановленном оксиде графена p-типа играют ключевую роль в повышении чувствительности сенсорного устройства. Отклик датчика был увеличен до 634% для 50 частей на миллион аммиака при напряжении затвора 0,6 В по сравнению с 23,2% и 39,3% при 0 В и -3 В соответственно. Датчик показал более быстрый отклик и восстановление при напряжении 0,6 В благодаря более высокой подвижности электронов и быстрому механизму переноса заряда. Датчик показал удовлетворительные характеристики влагостойкости и высокую стабильность. Следовательно, полевой транзистор на основе оксида графена и шелка с пониженным содержанием куркумина с правильным смещением затвора обеспечивает превосходное обнаружение аммиака и может быть потенциальным кандидатом на будущую портативную систему обнаружения газа с низким энергопотреблением при комнатной температуре.

В связи с ростом активности в химической, пищевой и автомобильной промышленности существует значительный спрос на разработку ручных и аккумуляторных1 детекторов газа. Эти требования требуют интенсивных исследований в области производства миниатюрных газовых датчиков комнатной температуры и малой мощности. В связи с этим широко исследуются чувствительные слои на основе металлооксидных полупроводников (ZnO, TiO2, SnO2, WO3 и др.2,3,4,5). Эти чувствительные слои очень привлекательны из-за своей огромной чувствительности, но их функционирование требует высоких рабочих температур (обычно в диапазоне 200–450 °C). Высокая мощность оксидов металлов ограничивает их использование в портативных системах обнаружения газов при комнатной температуре. Например, коммерчески доступные датчики Taguchi на основе SnO2 (Фигаро, Япония) потребляют мощность 200 мВт. Следовательно, необходимы усилия по разработке датчиков малой мощности для комнатной температуры. В этом отношении существует несколько попыток6,7,8,9, целью которых является интеграция датчиков с развитой платформой CMOS. Некоторые газы, такие как аммиак и сероводород, имеют низкую температуру воспламенения и легко воспламеняются. Поэтому исследователи сосредоточились на синтезе функционализированных наноматериалов, которые работают при комнатных температурах. К таким материалам относятся двумерные наноматериалы (графен), дихалькогениды переходных металлов (MoS2, WS2), черный фосфор, металлоорганические каркасы и др.

Графен, двумерный наноматериал, привлек значительное внимание благодаря своей огромной площади поверхности, термической и механической стабильности, высокой подвижности и гибкости10. Установлено, что графен очень чувствителен к различным газовым аналитам. Двумерная сотовая структура вместе с одним слоем атомов углерода обеспечивает более высокую чувствительность к различным аналитам. Чистый графен, не имеющий дефектов, имеет низкую энергию адсорбции по отношению к различным газам. Введение дефектов и легирующих добавок в графеновую матрицу должно повысить уровень энергии адсорбции и способствовать лучшему переносу заряда между целевыми аналитами и графеновой матрицей. Химическое расслоение графена приводит к образованию оксида графена, который при восстановлении образует восстановленный оксид графена (RGO). Восстановленный оксид графена состоит из нескольких дефектных участков и различных функциональных фрагментов, что приводит к появлению нескольких активных центров адсорбции целевых газов. Самым большим преимуществом RGO является его способность обнаруживать следы газов даже при комнатной температуре. Это делает RGO идеальным кандидатом для использования в портативных газовых датчиках с низким энергопотреблением будущего поколения.

350 ppm)11,12. In case of prolonged exposure, severe health issues are observed in human beings, including death. According to OSHA (Occupational safety and health administration), 15–28% ammonia concentration by volume in air is considered highly dangerous to health13. The flammable nature of ammonia demands fabrication of sensors that must operate at room temperature. Few chemo-resistive ammonia sensors based on graphene are developed11,14,15,16,17,18,19,20,21, however their performances are not satisfactory. RGO based sensors that are previously reported, suffer from large response and recovery, baseline drift, poor recoverability, and unsatisfactory selectivity. Earlier reports on graphene-based gas sensors lack analysis under humidity environments. In case of resistive sensors, once the sensing layer gets deposited, it cannot be further tuned or modulated. These factors boost the motivation towards development of Field effect transistor (FET) based gas sensors, where the channel can be modulated even after the sensor is fabricated. This strategy might facilitate "sensitivity enhancement" by controlling the number of effective carriers in the channel region22./p> type silicon wafer having resistivity 4–20 Ω-cm. A 200 nm thermal oxide (dry–wet-dry) was grown over silicon to achieve proper insulation. Deposition of 50 nm aluminum layer was carried out by thermal evaporation, which acted as the gate electrode. Dielectric layer of 200 nm silk solution was spin coated over the aluminum film. Source and drain electrodes were fabricated using DC sputtering, 20 nm titanium (Ti) adhesive layer was deposited followed by 100 nm gold (Au) through a shadow mask. Interdigit gap of 200 μm was achieved between the fingers. The width of the electrodes was 500 μm. The sensing material (Cur-rGO) was deposited onto the gaps by simple drop casting technique. The schematic of the fabricated Silk-FET device is depicted in Fig. 9./p>