Ներքին ածխածնի երկօքսիդ ածխածնի երկօքսիդ մեթան քլոր և այլ բազմապարամետր գազի դետեկտորի ազդանշանային գործիք

Բարձր արդյունավետությամբ, շարժական և մանրացված գազի սենսորների մշակումը մեծ ուշադրություն է գրավում շրջակա միջավայրի մոնիտորինգի, անվտանգության, բժշկական ախտորոշման և գյուղատնտեսության ոլորտներում:Տարբեր հայտնաբերման գործիքներից մետաղ-օքսիդ-կիսահաղորդչային (MOS) քիմիակայուն գազի տվիչները ամենատարածված ընտրությունն են առևտրային կիրառումների համար՝ իրենց բարձր կայունության, ցածր գնի և բարձր զգայունության պատճառով:Սենսորի աշխատանքի հետագա բարելավման ամենակարևոր մոտեցումներից մեկը MOS-ի վրա հիմնված հետերեջանցումների (հետերո-նանոկառուցվածքային MOS) նանո չափերի ստեղծումն է MOS նանոնյութերից:Այնուամենայնիվ, հետերոնակառուցվածքային MOS սենսորի զգայական մեխանիզմը տարբերվում է մեկ MOS գազի սենսորից, քանի որ այն բավականին բարդ է:Սենսորների աշխատանքի վրա ազդում են տարբեր պարամետրեր, ներառյալ զգայուն նյութի ֆիզիկական և քիմիական հատկությունները (օրինակ՝ հատիկի չափը, արատների խտությունը և նյութի թթվածնի բացերը), աշխատանքային ջերմաստիճանը և սարքի կառուցվածքը:Այս վերանայումը ներկայացնում է մի քանի հայեցակարգեր բարձր արդյունավետությամբ գազի սենսորների նախագծման համար՝ վերլուծելով տարասեռ նանոկառուցվածքային MOS սենսորների զգայական մեխանիզմը:Բացի այդ, քննարկվում է սարքի երկրաչափական կառուցվածքի ազդեցությունը, որը որոշվում է զգայուն նյութի և աշխատանքային էլեկտրոդի փոխհարաբերությամբ:Սենսորների վարքագիծը համակարգված ուսումնասիրելու համար այս հոդվածը ներկայացնում և քննարկում է տարբեր հետերոնակառուցվածքային նյութերի վրա հիմնված սարքերի երեք բնորոշ երկրաչափական կառուցվածքների ընկալման ընդհանուր մեխանիզմը:Այս ակնարկը կծառայի որպես ուղեցույց ապագա ընթերցողների համար, ովքեր ուսումնասիրում են գազի սենսորների զգայուն մեխանիզմները և մշակում գազի բարձր արդյունավետության սենսորներ:
Օդի աղտոտվածությունը գնալով ավելի լուրջ խնդիր է և գլոբալ բնապահպանական լուրջ խնդիր, որը սպառնում է մարդկանց և կենդանի էակների բարեկեցությանը:Գազային աղտոտիչների ներշնչումը կարող է առաջացնել բազմաթիվ առողջական խնդիրներ, ինչպիսիք են շնչառական հիվանդությունները, թոքերի քաղցկեղը, լեյկոզը և նույնիսկ վաղաժամ մահը1,2,3,4:2012-ից մինչև 2016 թվականները միլիոնավոր մարդիկ են մահացել օդի աղտոտվածությունից, և ամեն տարի միլիարդավոր մարդիկ ենթարկվում են վատ որակի օդի5:Հետևաբար, կարևոր է զարգացնել շարժական և փոքրացված գազի տվիչներ, որոնք կարող են իրական ժամանակում ապահովել հետադարձ կապ և բարձր հայտնաբերման արդյունավետություն (օրինակ՝ զգայունություն, ընտրողականություն, կայունություն և արձագանքման և վերականգնման ժամանակներ):Ի հավելումն շրջակա միջավայրի մոնիտորինգի, գազի տվիչները կենսական դեր են խաղում անվտանգության6,7,8, բժշկական ախտորոշման9,10, ջրային կուլտուրա11 և այլ ոլորտներում12:
Մինչ օրս ներդրվել են տարբեր զգայական մեխանիզմների վրա հիմնված մի քանի շարժական գազի սենսորներ, ինչպիսիք են օպտիկական13,14,15,16,17,18, էլեկտրաքիմիական19,20,21,22 և քիմիական դիմադրողական սենսորները23,24:Դրանցից մետաղ-օքսիդ-կիսահաղորդչային (MOS) քիմիական դիմադրողական սենսորներն ամենահայտնին են առևտրային կիրառություններում՝ իրենց բարձր կայունության և ցածր գնի պատճառով25,26:Աղտոտիչների կոնցենտրացիան կարող է որոշվել պարզապես MOS-ի դիմադրության փոփոխությունը հայտնաբերելու միջոցով:1960-ականների սկզբին հաղորդվեցին ZnO-ի բարակ թաղանթների վրա հիմնված առաջին քիմիակայուն գազի սենսորները, որոնք մեծ հետաքրքրություն առաջացրին գազի հայտնաբերման ոլորտում27,28:Այսօր շատ տարբեր MOS օգտագործվում են որպես գազի զգայուն նյութեր, և դրանք կարելի է բաժանել երկու կատեգորիայի՝ ելնելով իրենց ֆիզիկական հատկություններից.լիցքակիրներ.Ընդհանուր առմամբ, p-տիպի MOS-ն ավելի քիչ տարածված է, քան n-տիպի MOS-ը, քանի որ p-տիպի MOS-ի (Sp) ինդուկտիվ արձագանքը համաչափ է n-տիպի MOS-ի քառակուսի արմատին (\(S_p = \sqrt { S_n}\ ) ) նույն ենթադրություններով (օրինակ՝ նույն մորֆոլոգիական կառուցվածքը և ժապավենների ճկման նույն փոփոխությունը օդում) 29,30.Այնուամենայնիվ, մեկ բազայի MOS սենսորները դեռևս բախվում են այնպիսի խնդիրների, ինչպիսիք են հայտնաբերման անբավարար սահմանաչափը, ցածր զգայունությունը և ընտրողականությունը գործնական կիրառություններում:Ընտրողականության խնդիրները կարող են որոշ չափով լուծվել՝ ստեղծելով սենսորների զանգվածներ (կոչվում են «էլեկտրոնային քթեր») և ներառելով հաշվողական վերլուծության ալգորիթմներ, ինչպիսիք են ուսումնական վեկտորի քվանտացումը (LVQ), հիմնական բաղադրիչի վերլուծությունը (PCA) և մասնակի նվազագույն քառակուսիների (PLS) վերլուծությունը31, 32, 33, 34, 35. Բացի այդ, ցածր չափերով MOS32,36,37,38,39 (օրինակ՝ միաչափ (1D), 0D և 2D նանոնյութերի արտադրությունը, ինչպես նաև այլ նանանյութերի օգտագործումը ( օրինակ՝ MOS40,41,42, ազնիվ մետաղի նանոմասնիկները (NPs))43,44, ածխածնային նանոնյութերը45,46 և հաղորդիչ պոլիմերները47,48)՝ նանոմաշտաբի հետերանջատումներ ստեղծելու համար (այսինքն՝ հետերոնակառուցվածքով MOS) վերը նշված խնդիրների լուծման այլ նախընտրելի մոտեցումներ են:Համեմատած ավանդական հաստ MOS թաղանթների հետ, ցածրաչափ MOS-ը՝ բարձր հատուկ մակերեսով, կարող է ապահովել ավելի ակտիվ տեղամասեր գազի կլանման համար և հեշտացնել գազի դիֆուզիան36,37,49:Բացի այդ, MOS-ի վրա հիմնված հետերոնանոկառուցվածքների նախագծումը կարող է հետագայում կարգավորել կրիչի փոխադրումը հետերոինտերֆեյսում, ինչը հանգեցնում է դիմադրության մեծ փոփոխությունների՝ տարբեր գործառնական գործառույթների պատճառով50,51,52:Բացի այդ, որոշ քիմիական էֆեկտներ (օրինակ՝ կատալիտիկ ակտիվություն և սիներգետիկ մակերևութային ռեակցիաներ), որոնք տեղի են ունենում MOS-ի հետերոնակառուցվածքների նախագծման ժամանակ, կարող են նաև բարելավել սենսորների աշխատանքը: սենսորների արդյունավետությունը, ժամանակակից քիմիակայուն սենսորները սովորաբար օգտագործում են փորձարկումներ և սխալներ, ինչը ժամանակատար և անարդյունավետ է:Հետևաբար, կարևոր է հասկանալ MOS-ի վրա հիմնված գազի սենսորների զգայական մեխանիզմը, քանի որ այն կարող է ուղղորդել բարձր արդյունավետությամբ ուղղորդող սենսորների նախագծումը:
Վերջին տարիներին MOS գազի տվիչները արագ զարգացել են, և որոշ զեկույցներ են հրապարակվել MOS նանոկառուցվածքների55,56,57, սենյակային ջերմաստիճանի գազի տվիչների58,59, հատուկ MOS սենսորային նյութերի60,61,62 և հատուկ գազի սենսորների վերաբերյալ63:«Այլ ակնարկներ»-ի վերանայման փաստաթուղթը կենտրոնանում է գազի սենսորների զգայական մեխանիզմի պարզաբանման վրա՝ հիմնված MOS-ի ներքին ֆիզիկական և քիմիական հատկությունների վրա, ներառյալ թթվածնի թափուր տեղերի դերը 64 , հետերոնակառուցվածքների դերը 55, 65 և լիցքի փոխանցումը հետերոմիջերեսներում 66: Շատ այլ պարամետրեր ազդում են սենսորի աշխատանքի վրա, ներառյալ հետերոկառուցվածքը, հատիկի չափը, աշխատանքային ջերմաստիճանը, արատների խտությունը, թթվածնի թափուր տեղերը և նույնիսկ զգայուն նյութի բաց բյուրեղային հարթությունները25,67,68,69,70,71:72, 73. Այնուամենայնիվ, սարքի (հազվադեպ նշված) երկրաչափական կառուցվածքը, որը որոշվում է զգայող նյութի և աշխատանքային էլեկտրոդի փոխհարաբերությամբ, նույնպես էականորեն ազդում է սենսորի զգայունության վրա74,75,76 (ավելի մանրամասն տե՛ս բաժին 3): .Օրինակ, Kumar et al.77-ը հաղորդում է նույն նյութի վրա հիմնված երկու գազի սենսորների մասին (օրինակ՝ երկշերտ գազի սենսորների հիման վրա TiO2@NiO և NiO@TiO2) և նկատվել են տարբեր փոփոխություններ NH3 գազի դիմադրության մեջ՝ պայմանավորված սարքի տարբեր երկրաչափություններով:Հետևաբար, գազի ընկալման մեխանիզմը վերլուծելիս կարևոր է հաշվի առնել սարքի կառուցվածքը:Այս վերանայման մեջ հեղինակները կենտրոնանում են տարբեր տարասեռ նանոկառուցվածքների և սարքի կառուցվածքների MOS-ի վրա հիմնված հայտնաբերման մեխանիզմների վրա:Մենք կարծում ենք, որ այս ակնարկը կարող է ուղեցույց ծառայել ընթերցողների համար, ովքեր ցանկանում են հասկանալ և վերլուծել գազի հայտնաբերման մեխանիզմները և կարող է նպաստել ապագա բարձր արդյունավետությամբ գազի սենսորների զարգացմանը:
Նկ.1a ցույց է տալիս գազի զգայական մեխանիզմի հիմնական մոդելը, որը հիմնված է մեկ MOS-ի վրա:Ջերմաստիճանի բարձրացմանը զուգընթաց, թթվածնի (O2) մոլեկուլների կլանումը MOS-ի մակերեսին կներգրավի էլեկտրոններ MOS-ից և կձևավորի անիոնային տեսակներ (օրինակ՝ O2- և O-):Այնուհետև MOS 15, 23, 78-ի մակերեսին ձևավորվում է էլեկտրոնների սպառման շերտ (EDL) n-տիպի MOS-ի համար կամ անցքի կուտակման շերտ (HAL) p-տիպի MOS-ի համար: Փոխազդեցությունը O2-ի և MOS-ը հանգեցնում է նրան, որ մակերևութային MOS-ի հաղորդման գոտին թեքվում է դեպի վեր և ձևավորում պոտենցիալ խոչընդոտ:Հետագայում, երբ սենսորը ենթարկվում է թիրախային գազին, MOS-ի մակերևույթի վրա ներծծված գազը արձագանքում է իոնային թթվածնի տեսակների հետ՝ կամ ներգրավելով էլեկտրոններ (օքսիդացնող գազ), կամ նվիրաբերելով էլեկտրոններ (նվազեցնող գազ):Թիրախային գազի և MOS-ի միջև էլեկտրոնի փոխանցումը կարող է հարմարեցնել EDL-ի կամ HAL30,81-ի լայնությունը, ինչը հանգեցնում է MOS սենսորի ընդհանուր դիմադրության փոփոխության:Օրինակ, վերականգնող գազի համար էլեկտրոնները վերականգնող գազից կտեղափոխվեն n-տիպի MOS, ինչը կհանգեցնի ավելի ցածր EDL և ավելի ցածր դիմադրության, որը կոչվում է n-տիպի սենսորային վարք:Ի հակադրություն, երբ p-տիպի MOS-ը ենթարկվում է վերականգնող գազի, որը որոշում է p-տիպի զգայունության վարքը, HAL-ը փոքրանում է, և դիմադրությունը մեծանում է էլեկտրոնների նվիրատվության պատճառով:Օքսիդացնող գազերի դեպքում սենսորային արձագանքը հակառակ է գազերի նվազեցմանը:
n-տիպի և p-տիպի MOS-ի հայտնաբերման հիմնական մեխանիզմները նվազեցնող և օքսիդացնող գազերի համար b Հիմնական գործոնները և ֆիզիկաքիմիական կամ նյութական հատկությունները, որոնք ներգրավված են կիսահաղորդչային գազի սենսորներում 89
Բացի հիմնական հայտնաբերման մեխանիզմից, գազի հայտնաբերման մեխանիզմները, որոնք օգտագործվում են գործնական գազի սենսորներում, բավականին բարդ են:Օրինակ, գազի սենսորի իրական օգտագործումը պետք է համապատասխանի բազմաթիվ պահանջների (օրինակ՝ զգայունությունը, ընտրողականությունը և կայունությունը)՝ կախված օգտագործողի կարիքներից:Այս պահանջները սերտորեն կապված են զգայուն նյութի ֆիզիկական և քիմիական հատկությունների հետ:Օրինակ, Xu et al.71-ը ցույց տվեցին, որ SnO2-ի վրա հիմնված տվիչները հասնում են ամենաբարձր զգայունության, երբ բյուրեղների տրամագիծը (d) հավասար է կամ երկու անգամ պակաս, քան SnO271-ի Debye երկարությունը (λD):Երբ d ≤ 2λD, SnO2-ը ամբողջությամբ սպառվում է O2 մոլեկուլների կլանումից հետո, և տվիչի արձագանքը վերականգնող գազին առավելագույնն է:Բացի այդ, տարբեր այլ պարամետրեր կարող են ազդել սենսորների աշխատանքի վրա, ներառյալ աշխատանքային ջերմաստիճանը, բյուրեղային թերությունները և նույնիսկ զգայուն նյութի բաց բյուրեղային հարթությունները:Մասնավորապես, աշխատանքային ջերմաստիճանի ազդեցությունը բացատրվում է թիրախային գազի կլանման և կլանման արագությունների, ինչպես նաև կլանված գազի մոլեկուլների և թթվածնի մասնիկների միջև մակերեսային ռեակտիվության հնարավոր մրցակցությամբ4,82:Բյուրեղային թերությունների ազդեցությունը խիստ կապված է թթվածնի թափուր տեղերի պարունակության հետ [83, 84]:Սենսորի աշխատանքի վրա կարող է ազդել նաև բաց բյուրեղյա երեսների տարբեր ռեակտիվությունը67,85,86,87:Ավելի ցածր խտությամբ բաց բյուրեղային հարթություններում հայտնաբերվում են ավելի շատ չհամակարգված մետաղական կատիոններ ավելի բարձր էներգիաներով, որոնք նպաստում են մակերեսի կլանմանը և ռեակտիվությանը88:Աղյուսակ 1-ում թվարկված են մի քանի հիմնական գործոններ և դրանց հետ կապված բարելավված ընկալման մեխանիզմները:Հետևաբար, այս նյութի պարամետրերը կարգավորելով, հայտնաբերման կատարումը կարող է բարելավվել, և կարևոր է որոշել սենսորի աշխատանքի վրա ազդող հիմնական գործոնները:
Yamazoe89-ը և Shimanoe-ն և այլոք.68,71 կատարել են մի շարք ուսումնասիրություններ սենսորների ընկալման տեսական մեխանիզմի վերաբերյալ և առաջարկել են երեք անկախ առանցքային գործոններ, որոնք ազդում են սենսորի աշխատանքի վրա, մասնավորապես ընկալիչի ֆունկցիան, փոխարկիչի ֆունկցիան և օգտակարությունը (նկ. 1b):.Ընկալիչի գործառույթը վերաբերում է MOS մակերեսի ունակությանը գազի մոլեկուլների հետ փոխազդելու համար:Այս գործառույթը սերտորեն կապված է MOS-ի քիմիական հատկությունների հետ և կարող է զգալիորեն բարելավվել՝ ներմուծելով օտարերկրյա ընդունիչներ (օրինակ՝ մետաղական NP-ներ և այլ MOS):Փոխակերպիչի ֆունկցիան վերաբերում է գազի և MOS մակերեսի միջև ռեակցիան էլեկտրական ազդանշանի վերածելու ունակությանը, որում գերակշռում են MOS-ի հատիկների սահմանները:Այսպիսով, զգայական ֆունկցիայի վրա էապես ազդում է MOC մասնիկների չափը և օտար ընկալիչների խտությունը:Katoch et al.90-ը զեկուցել է, որ ZnO-SnO2 նանոֆիբրիլների հատիկի չափի կրճատումը հանգեցրել է բազմաթիվ հետերոճային կապերի ձևավորման և սենսորների զգայունության բարձրացմանը՝ համապատասխան փոխարկիչի ֆունկցիոնալությանը:Wang et al.91-ը համեմատեցին Zn2GeO4-ի տարբեր հատիկների չափսերը և ցույց տվեցին տվիչների զգայունության 6,5 անգամ աճ՝ հատիկների սահմանները ներմուծելուց հետո:Կոմունալը սենսորի կատարողականի ևս մեկ հիմնական գործոն է, որը նկարագրում է գազի առկայությունը ներքին MOS կառուցվածքին:Եթե ​​գազի մոլեկուլները չկարողանան ներթափանցել և արձագանքել ներքին MOS-ի հետ, ապա սենսորի զգայունությունը կնվազի:Օգտակարությունը սերտորեն կապված է որոշակի գազի դիֆուզիայի խորության հետ, որը կախված է զգայուն նյութի ծակոտիների չափից:Sakai et al.92-ը մոդելավորեց սենսորի զգայունությունը ծխատար գազերի նկատմամբ և պարզեց, որ ինչպես գազի մոլեկուլային քաշը, այնպես էլ սենսորային մեմբրանի ծակոտի շառավիղը ազդում են սենսորի զգայունության վրա գազի դիֆուզիայի տարբեր խորություններում սենսորային թաղանթում:Վերոնշյալ քննարկումը ցույց է տալիս, որ բարձր արդյունավետությամբ գազի սենսորները կարող են մշակվել՝ հավասարակշռելով և օպտիմալացնելով ընկալիչների գործառույթը, փոխարկիչի գործառույթը և օգտակարությունը:
Վերոնշյալ աշխատանքը պարզաբանում է մեկ MOS-ի ընկալման հիմնական մեխանիզմը և քննարկում է մի քանի գործոններ, որոնք ազդում են MOS-ի աշխատանքի վրա:Ի լրումն այս գործոնների, գազի սենսորները, որոնք հիմնված են հետերոկառուցվածքների վրա, կարող են հետագայում բարելավել սենսորների աշխատանքը՝ զգալիորեն բարելավելով սենսորների և ընկալիչների գործառույթները:Բացի այդ, հետերոնանոկառուցվածքները կարող են հետագայում բարելավել սենսորների աշխատանքը՝ ուժեղացնելով կատալիտիկ ռեակցիաները, կարգավորելով լիցքի փոխանցումը և ստեղծելով ավելի շատ կլանման վայրեր:Մինչ օրս MOS-ի հետերոնանոկառուցվածքների վրա հիմնված բազմաթիվ գազի տվիչներ ուսումնասիրվել են ուժեղացված զգայության մեխանիզմները քննարկելու համար95,96,97:Միլլերը և այլք:55-ն ամփոփեց մի քանի մեխանիզմներ, որոնք, ամենայն հավանականությամբ, կբարելավեն հետերոնանոկառուցվածքների զգայունությունը, այդ թվում՝ մակերեսից կախված, միջերեսից և կառուցվածքից կախված:Դրանցից ինտերֆեյսից կախված ուժեղացման մեխանիզմը չափազանց բարդ է ինտերֆեյսի բոլոր փոխազդեցությունները մեկ տեսության մեջ ծածկելու համար, քանի որ կարող են օգտագործվել տարբեր սենսորներ, որոնք հիմնված են հետերոնակառուցվածքային նյութերի վրա (օրինակ՝ nn-հետերային միացում, pn-հետերային միացում, pp-հետերային միացում և այլն): .Շոտկի հանգույց):Որպես կանոն, MOS-ի վրա հիմնված հետերոնակառուցվածքային տվիչները միշտ ներառում են երկու կամ ավելի առաջադեմ սենսորային մեխանիզմներ98,99,100:Այս ուժեղացման մեխանիզմների սիներգետիկ ազդեցությունը կարող է ուժեղացնել սենսորային ազդանշանների ընդունումը և մշակումը:Այսպիսով, տարասեռ նանոկառուցվածքային նյութերի վրա հիմնված սենսորների ընկալման մեխանիզմի ըմբռնումը շատ կարևոր է, որպեսզի օգնի հետազոտողներին մշակել ներքևից վեր գազի տվիչներ՝ իրենց կարիքներին համապատասխան:Բացի այդ, սարքի երկրաչափական կառուցվածքը կարող է նաև էապես ազդել 74, 75, 76 սենսորի զգայունության վրա: Սենսորի վարքագիծը համակարգված վերլուծելու համար կներկայացվեն տարբեր հետերոնակառուցվածքային նյութերի վրա հիմնված երեք սարքի կառուցվածքների զգայական մեխանիզմները: և քննարկվում է ստորև:
MOS-ի վրա հիմնված գազի սենսորների արագ զարգացմամբ առաջարկվել են տարբեր հետերո-նանոկառուցվածքային MOS:Լիցքի փոխանցումը հետերոինտերֆեյսում կախված է բաղադրիչների տարբեր Fermi մակարդակներից (Ef):Հետերոինտերֆեյսում էլեկտրոնները մի կողմից ավելի մեծ Ef-ով շարժվում են մյուս կողմ՝ ավելի փոքր Ef-ով, մինչև նրանց Ֆերմի մակարդակները հասնեն հավասարակշռության, իսկ անցքերը՝ հակառակը:Այնուհետև հետերոինտերֆեյսի կրիչները սպառվում են և կազմում թուլացած շերտ:Երբ սենսորը ենթարկվում է թիրախային գազին, հետերոնակառուցվածքով MOS կրիչի կոնցենտրացիան փոխվում է, ինչպես նաև պատնեշի բարձրությունը՝ դրանով իսկ ուժեղացնելով հայտնաբերման ազդանշանը:Բացի այդ, հետերոնանոկառուցվածքների ստեղծման տարբեր մեթոդները հանգեցնում են նյութերի և էլեկտրոդների միջև տարբեր հարաբերությունների, ինչը հանգեցնում է սարքի տարբեր երկրաչափությունների և տարբեր զգայական մեխանիզմների:Այս վերանայման մեջ մենք առաջարկում ենք երեք երկրաչափական սարքի կառուցվածքներ և քննարկում յուրաքանչյուր կառույցի զգայական մեխանիզմը:
Թեև հետերոգրաֆիկները շատ կարևոր դեր են խաղում գազի հայտնաբերման գործում, ամբողջ սենսորի սարքի երկրաչափությունը կարող է նաև զգալիորեն ազդել հայտնաբերման վարքագծի վրա, քանի որ սենսորային հաղորդման ալիքի գտնվելու վայրը մեծապես կախված է սարքի երկրաչափությունից:Հետերոճային MOS սարքերի երեք տիպիկ երկրաչափություններ քննարկվում են այստեղ, ինչպես ցույց է տրված Նկար 2-ում: Առաջին տիպում երկու MOS միացումները պատահականորեն բաշխվում են երկու էլեկտրոդների միջև, և հաղորդիչ ալիքի գտնվելու վայրը որոշվում է հիմնական MOS-ով, երկրորդը` տարբեր MOS-ից տարասեռ նանոկառուցվածքների ձևավորում, մինչդեռ էլեկտրոդին միացված է միայն մեկ MOS:էլեկտրոդը միացված է, ապա հաղորդիչ ալիքը սովորաբար գտնվում է MOS-ի ներսում և ուղղակիորեն միացված է էլեկտրոդին:Երրորդ տիպի դեպքում երկու նյութը կցվում է երկու էլեկտրոդի առանձին՝ ուղղորդելով սարքը երկու նյութերի միջև ձևավորված հետերային կապի միջով:
Միացությունների միջև գծիկ (օրինակ՝ «SnO2-NiO») ցույց է տալիս, որ երկու բաղադրիչները պարզապես խառնված են (տիպ I):Երկու միացումների միջև «@» նշանը (օրինակ՝ «SnO2@NiO») ցույց է տալիս, որ փայտամած նյութը (NiO) զարդարված է SnO2-ով II տիպի սենսորային կառուցվածքի համար:Շեղը (օրինակ՝ «NiO/SnO2») ցույց է տալիս III տիպի սենսորի դիզայնը:
MOS կոմպոզիտների վրա հիմնված գազի սենսորների համար երկու MOS տարրեր պատահականորեն բաշխվում են էլեկտրոդների միջև:MOS կոմպոզիտների պատրաստման համար մշակվել են արտադրության բազմաթիվ մեթոդներ, այդ թվում՝ sol-gel, coprecipitation, hydrothermal, electrospinning և մեխանիկական խառնման մեթոդներ98,102,103,104:Վերջերս մետաղական օրգանական շրջանակները (MOFs), ծակոտկեն բյուրեղային կառուցվածքային նյութերի դաս, որը կազմված է մետաղական կենտրոններից և օրգանական կապակցիչներից, օգտագործվել են որպես ծակոտկեն MOS կոմպոզիտների պատրաստման ձևանմուշներ105,106,107,108:Հարկ է նշել, որ չնայած MOS կոմպոզիտների տոկոսը նույնն է, զգայունության բնութագրերը կարող են մեծապես տարբեր լինել տարբեր արտադրական գործընթացներ օգտագործելիս: ( Mo:Sn = 1:1.9) և պարզեց, որ տարբեր կեղծիքի մեթոդները հանգեցնում են տարբեր զգայունության:Շապոշնիկը և այլք։110-ը հաղորդում է, որ միաժամանակ նստեցված SnO2-TiO2-ի արձագանքը գազային H2-ին տարբերվում է մեխանիկորեն խառնված նյութերի արձագանքից, նույնիսկ Sn/Ti նույն հարաբերակցությամբ:Այս տարբերությունը ծագում է այն պատճառով, որ MOP-ի և MOP բյուրեղների չափերի միջև փոխհարաբերությունները տարբեր են տարբեր սինթեզի մեթոդներով109,110:Երբ հատիկի չափը և ձևը համահունչ են դոնորի խտության և կիսահաղորդչի տեսակի առումով, արձագանքը պետք է մնա նույնը, եթե շփման երկրաչափությունը չի փոխվում 110:Staerz et al.111-ը հաղորդում է, որ SnO2-Cr2O3 միջուկային պատյանների (CSN) նանոմանրաթելերի և հիմնավորված SnO2-Cr2O3 CSN-ների հայտնաբերման բնութագրերը գրեթե նույնական են՝ ենթադրելով, որ նանոմանրաթելերի մորֆոլոգիան որևէ առավելություն չի տալիս:
Ի լրումն արտադրության տարբեր մեթոդների, երկու տարբեր MOSFET-ների կիսահաղորդիչների տեսակները նույնպես ազդում են սենսորի զգայունության վրա:Այն կարող է հետագայում բաժանվել երկու կատեգորիայի՝ կախված նրանից, թե երկու MOSFET-ները նույն տիպի կիսահաղորդչային են (nn կամ pp հանգույց) կամ տարբեր տեսակի (pn հանգույց):Երբ գազի սենսորները հիմնված են նույն տիպի MOS կոմպոզիտների վրա, երկու MOS-ի մոլային հարաբերակցությունը փոխելով, զգայունության արձագանքման բնութագիրը մնում է անփոփոխ, և սենսորային զգայունությունը տատանվում է՝ կախված nn- կամ pp-հետերային միացումների քանակից:Երբ կոմպոզիտում գերակշռում է մեկ բաղադրիչ (օրինակ՝ 0,9 ZnO-0,1 SnO2 կամ 0,1 ZnO-0,9 SnO2), հաղորդման ալիքը որոշվում է գերիշխող MOS-ով, որը կոչվում է հոմոհանգույց հաղորդման ալիք 92:Երբ երկու բաղադրիչների հարաբերությունները համադրելի են, ենթադրվում է, որ հաղորդման ալիքում գերակշռում է հետերանջատումը98,102:Յամազոեն և այլք:112,113-ը հաղորդում է, որ երկու բաղադրիչների հետերոկոնտակտային շրջանը կարող է մեծապես բարելավել սենսորի զգայունությունը, քանի որ բաղադրիչների տարբեր գործառնական գործառույթների պատճառով ձևավորված հետերոճային արգելքը կարող է արդյունավետորեն վերահսկել էլեկտրոնների ազդեցության տակ գտնվող սենսորի շարժունակությունը:Տարբեր շրջակա գազեր 112,113.Նկ.Նկար 3ա-ն ցույց է տալիս, որ SnO2-ZnO մանրաթելային հիերարխիկ կառուցվածքների վրա հիմնված սենսորները՝ տարբեր ZnO պարունակությամբ (0-ից մինչև 10 մոլ % Zn) կարող են ընտրողաբար հայտնաբերել էթանոլը:Դրանց թվում՝ SnO2-ZnO մանրաթելերի վրա հիմնված սենսորը (7 մոլ.% Zn) ցույց է տվել ամենաբարձր զգայունությունը՝ պայմանավորված մեծ թվով հետերային հանգույցների ձևավորման և հատուկ մակերեսի մեծացման շնորհիվ, ինչը մեծացրել է փոխարկիչի ֆունկցիան և բարելավվել։ զգայունություն 90 Այնուամենայնիվ, ZnO-ի պարունակության հետագա աճով մինչև 10 մոլ.%, միկրոկառուցվածքի SnO2-ZnO կոմպոզիտը կարող է փաթաթել մակերեսի ակտիվացման տարածքները և նվազեցնել սենսորի զգայունությունը85:Նման միտում է նկատվում նաև տարբեր Fe/Ni հարաբերակցությամբ NiO-NiFe2O4 pp հետերանջատման կոմպոզիտների վրա հիմնված սենսորների համար (նկ. 3b)114:
SnO2-ZnO մանրաթելերի SEM պատկերներ (7 մոլ.% Zn) և սենսորային արձագանք տարբեր գազերի նկատմամբ 100 ppm կոնցենտրացիայով 260 °C-ում;54b Մաքուր NiO և NiO-NiFe2O4 կոմպոզիտների վրա հիմնված սենսորների արձագանքները տարբեր գազերի 50 ppm-ում, 260 °C;114 (գ) xSnO2-(1-x)Co3O4 բաղադրության հանգույցների քանակի սխեմատիկ դիագրամ և xSnO2-(1-x)Co3O4 կազմի համապատասխան դիմադրության և զգայունության ռեակցիաները 10 ppm CO, ացետոնի, C6H6 և SO2-ի դիմաց։ գազ 350 °C-ում՝ փոխելով Sn/Co 98-ի մոլային հարաբերակցությունը
Pn-MOS կոմպոզիտները ցույց են տալիս տարբեր զգայունության վարքագիծ՝ կախված MOS115-ի ատոմային հարաբերակցությունից:Ընդհանուր առմամբ, MOS կոմպոզիտների զգայական վարքագիծը մեծապես կախված է նրանից, թե որ MOS-ն է գործում որպես սենսորի առաջնային հաղորդման ալիք:Հետևաբար, շատ կարևոր է բնութագրել կոմպոզիտների տոկոսային կազմը և նանոկառուցվածքը:Kim et al.98-ը հաստատեցին այս եզրակացությունը՝ սինթեզելով xSnO2 ± (1-x)Co3O4 կոմպոզիտային նանոմանրաթելերի մի շարք՝ էլեկտրամանելով և ուսումնասիրելով դրանց սենսորային հատկությունները:Նրանք նկատեցին, որ SnO2-Co3O4 կոմպոզիտային սենսորի վարքագիծը n-տիպից անցավ p-տիպի՝ նվազեցնելով SnO2-ի տոկոսը (նկ. 3c)98:Ի լրումն, հետերոգինցիա գերակշռող սենսորները (հիմնված 0,5 SnO2-0,5 Co3O4-ի վրա) ցույց են տվել C6H6-ի փոխանցման ամենաբարձր արագությունը՝ համեմատած հոմոհանգույցի գերիշխող սենսորների հետ (օրինակ՝ բարձր SnO2 կամ Co3O4 սենսորներ):0.5 SnO2-0.5 Co3O4-ի վրա հիմնված սենսորի բնորոշ բարձր դիմադրությունը և սենսորի ընդհանուր դիմադրությունը մոդուլավորելու ավելի մեծ ունակությունը նպաստում են C6H6-ի նկատմամբ նրա ամենաբարձր զգայունությանը:Բացի այդ, SnO2-Co3O4 հետերոինտերֆեյսներից առաջացող վանդակների անհամապատասխանության թերությունները կարող են ստեղծել գազի մոլեկուլների համար կլանման արտոնյալ վայրեր՝ դրանով իսկ ուժեղացնելով սենսորային արձագանքը109,116:
Բացի կիսահաղորդչային տիպի MOS-ից, MOS կոմպոզիտների հպման վարքագիծը կարող է նաև հարմարեցվել՝ օգտագործելով MOS-117-ի քիմիան:Huo et al.117-ը օգտագործել է պարզ թխման մեթոդ՝ Co3O4-SnO2 կոմպոզիտներ պատրաստելու համար և պարզել է, որ Co/Sn 10% մոլային հարաբերակցությամբ սենսորը ցույց է տվել p-տիպի հայտնաբերման արձագանք H2-ին և n-տիպի զգայունություն: Հ2.արձագանք.Սենսորների արձագանքները CO, H2S և NH3 գազերին ներկայացված են Նկար 4a117-ում:Ցածր Co/Sn հարաբերակցությամբ բազմաթիվ հոմոհանգույցներ ձևավորվում են SnO2±SnO2 նանոհատիկների սահմաններում և ցուցադրում n-տիպի սենսորային արձագանքներ H2-ին (նկ. 4b,c)115:Co/Sn հարաբերակցության աճով մինչև 10 մոլ։%, SnO2-SnO2 հոմոհանգույցների փոխարեն միաժամանակ ձևավորվել են բազմաթիվ Co3O4-SnO2 հետերերջակցություններ (նկ. 4դ):Քանի որ Co3O4-ը անգործուն է H2-ի նկատմամբ, իսկ SnO2-ը խիստ արձագանքում է H2-ի հետ, H2-ի ռեակցիան իոնային թթվածնի տեսակների հետ հիմնականում տեղի է ունենում SnO2117-ի մակերեսին:Հետևաբար, էլեկտրոնները շարժվում են դեպի SnO2, իսկ Ef SnO2-ը տեղափոխվում է հաղորդման գոտի, մինչդեռ Ef Co3O4-ը մնում է անփոփոխ։Արդյունքում, սենսորի դիմադրությունը մեծանում է, ինչը ցույց է տալիս, որ բարձր Co/Sn հարաբերակցությամբ նյութերը ցուցաբերում են p-տիպի զգայական վարք (նկ. 4e):Ի հակադրություն, CO, H2S և NH3 գազերը փոխազդում են SnO2 և Co3O4 մակերևույթների իոնային թթվածնի տեսակների հետ, և էլեկտրոնները գազից շարժվում են դեպի սենսոր, ինչի հետևանքով նվազում է արգելքի բարձրությունը և n-տիպի զգայունությունը (նկ. 4f):.Այս տարբեր սենսորային վարքագիծը պայմանավորված է տարբեր գազերի հետ Co3O4-ի տարբեր ռեակտիվությամբ, ինչը հետագայում հաստատվել է Յին և ուրիշների կողմից:118 .Նմանապես, Katoch et al.119-ը ցույց տվեց, որ SnO2-ZnO կոմպոզիտներն ունեն լավ ընտրողականություն և բարձր զգայունություն H2-ի նկատմամբ:Այս վարքագիծը տեղի է ունենում այն ​​պատճառով, որ H ատոմները կարող են հեշտությամբ ներծծվել ZnO-ի O դիրքերում H-ի s-ուղեծրի և O-ի p-օրբիտալի միջև ուժեղ հիբրիդացման պատճառով, ինչը հանգեցնում է ZnO120,121-ի մետաղացման:
a Co/Sn-10% դինամիկ դիմադրության կորեր բնորոշ վերականգնող գազերի համար, ինչպիսիք են H2, CO, NH3 և H2S, b, c Co3O4/SnO2 կոմպոզիտային զգայական մեխանիզմի դիագրամ H2-ի համար ցածր % m-ում:Co/Sn, df Co3O4 H2 և CO, H2S և NH3 մեխանիզմի հայտնաբերում բարձր Co/Sn/SnO2 կոմպոզիտով
Հետևաբար, մենք կարող ենք բարելավել I-տիպի սենսորի զգայունությունը՝ ընտրելով պատրաստման համապատասխան մեթոդներ, նվազեցնելով կոմպոզիտների հատիկի չափը և օպտիմալացնելով MOS կոմպոզիտների մոլային հարաբերակցությունը:Բացի այդ, զգայուն նյութի քիմիայի խորը ըմբռնումը կարող է ավելի մեծացնել սենսորի ընտրողականությունը:
Տիպի II սենսորային կառույցները ևս մեկ հանրաճանաչ սենսորային կառուցվածք են, որոնք կարող են օգտագործել տարբեր տարասեռ նանոկառուցվածքային նյութեր, ներառյալ մեկ «հիմնական» նանոնյութ և երկրորդ կամ նույնիսկ երրորդ նանոնյութ:Օրինակ, միաչափ կամ երկչափ նյութերը, որոնք զարդարված են նանոմասնիկներով, միջուկային կեղևով (CS) և բազմաշերտ հետերոնակառուցվածքային նյութերով, սովորաբար օգտագործվում են II տիպի սենսորային կառույցներում և մանրամասն կքննարկվեն ստորև:
Առաջին հետերոնակառուցվածքային նյութի համար (զարդարված հետերոնակառուցվածք), ինչպես ցույց է տրված Նկար 2b(1)-ում, սենսորի հաղորդիչ ալիքները միացված են բազային նյութով:Հետերոճային կապերի ձևավորման շնորհիվ փոփոխված նանոմասնիկները կարող են ապահովել ավելի ռեակտիվ տեղամասեր գազի կլանման կամ կլանման համար, ինչպես նաև կարող են հանդես գալ որպես կատալիզատորներ՝ բարելավելու զգայության կատարումը109,122,123,124:Յուանը և այլոք.41-ը նշեցին, որ WO3 նանոլարերը CeO2 նանոկետերով զարդարելը կարող է ապահովել ավելի շատ կլանման տեղամասեր CeO2@WO3 հետերոինտերֆեյսում և CeO2 մակերեսին և առաջացնել ավելի շատ քիմիզորբացված թթվածնի տեսակներ՝ ացետոնի հետ ռեակցիայի համար:Գյունավան և այլք:125. Առաջարկվել է գերբարձր զգայունության ացետոնի սենսոր՝ հիմնված միաչափ Au@α-Fe2O3-ի վրա, և նկատվել է, որ սենսորի զգայունությունը վերահսկվում է O2 մոլեկուլների՝ որպես թթվածնի աղբյուրի ակտիվացմամբ:Au NP-ների առկայությունը կարող է հանդես գալ որպես կատալիզատոր, որը նպաստում է թթվածնի մոլեկուլների տարանջատմանը ցանցային թթվածնի մեջ ացետոնի օքսիդացման համար:Նմանատիպ արդյունքներ են ստացել Choi et al.9, որտեղ Pt կատալիզատորն օգտագործվել է կլանված թթվածնի մոլեկուլները իոնացված թթվածնի տեսակների մեջ տարանջատելու և ացետոնի նկատմամբ զգայուն արձագանքը ուժեղացնելու համար:2017 թվականին նույն հետազոտական ​​թիմը ցույց տվեց, որ բիմետալային նանոմասնիկները շատ ավելի արդյունավետ են կատալիզում, քան միայնակ ազնիվ մետաղական նանոմասնիկները, ինչպես ցույց է տրված Նկար 5126-ում: միջին չափը 3 նմ-ից պակաս:Այնուհետև, օգտագործելով էլեկտրամանող մեթոդը, ստացվել են PtM@WO3 նանոմանրաթելեր՝ ացետոնի կամ H2S-ի նկատմամբ զգայունությունն ու ընտրողականությունը բարձրացնելու համար (նկ. 5b–g):Վերջերս մեկ ատոմային կատալիզատորները (SAC) ցույց են տվել գերազանց կատալիտիկ կատարում կատալիզի և գազի վերլուծության ոլորտում՝ ատոմների և կարգավորված էլեկտրոնային կառուցվածքների օգտագործման առավելագույն արդյունավետության շնորհիվ127,128:Shin et al.129-ը օգտագործել է Pt-SA խարսխված ածխածնի նիտրիդ (MCN), SnCl2 և PVP նանոթերթներ՝ որպես քիմիական աղբյուրներ՝ Pt@MCN@SnO2 ներդիրային մանրաթելեր գազի հայտնաբերման համար պատրաստելու համար:Չնայած Pt@MCN-ի շատ ցածր պարունակությանը (0.13 wt.% -ից մինչև 0.68 wt.%), գազային ֆորմալդեհիդի Pt@MCN@SnO2 հայտնաբերման արդյունավետությունը գերազանցում է այլ տեղեկատու նմուշներին (մաքուր SnO2, MCN@SnO2 և Pt NPs@: SnO2):.Այս հիանալի հայտնաբերման արդյունավետությունը կարելի է վերագրել Pt SA կատալիզատորի առավելագույն ատոմային արդյունավետությանը և SnO2129 ակտիվ տեղամասերի նվազագույն ծածկույթին:
Ապոֆերիտինով բեռնված ինկապսուլյացիայի մեթոդ՝ PtM-apo (PtPd, PtRh, PtNi) նանոմասնիկներ ստանալու համար;bd մաքուր WO3, PtPd@WO3, PtRn@WO3 և Pt-NiO@WO3 նանոմանրաթելերի դինամիկ գազի զգայուն հատկություններ;հիմնված, օրինակ, PtPd@WO3, PtRn@WO3 և Pt-NiO@WO3 նանոմանրաթելային սենսորների ընտրողական հատկությունների վրա 1 ppm խանգարող գազի նկատմամբ 126
Բացի այդ, լաստակային նյութերի և նանոմասնիկների միջև ձևավորված հետերոճերը կարող են նաև արդյունավետորեն մոդուլավորել հաղորդման ալիքները ճառագայթային մոդուլյացիայի մեխանիզմի միջոցով՝ բարելավելու սենսորային աշխատանքը130,131,132:Նկ.Նկար 6ա-ում ներկայացված են մաքուր SnO2 և Cr2O3@SnO2 նանոլարերի սենսորային բնութագրերը՝ նվազեցնող և օքսիդացնող գազերը և համապատասխան սենսորային մեխանիզմները131:Մաքուր SnO2 նանոլարերի համեմատ՝ Cr2O3@SnO2 նանոլարերի արձագանքը նվազեցնող գազերին մեծապես ուժեղանում է, մինչդեռ օքսիդացող գազերի արձագանքը վատանում է:Այս երևույթները սերտորեն կապված են SnO2 նանոլարերի հաղորդման ուղիների տեղային դանդաղեցման հետ՝ ձևավորված pn հետերային միացման ճառագայթային ուղղությամբ։Սենսորային դիմադրությունը կարող է պարզապես կարգավորվել՝ փոխելով EDL լայնությունը մաքուր SnO2 նանոլարերի մակերեսի վրա՝ նվազեցնող և օքսիդացնող գազերի ազդեցությունից հետո:Այնուամենայնիվ, Cr2O3@SnO2 նանոլարերի համար օդում SnO2 նանոլարերի սկզբնական DEL-ն ավելացել է՝ համեմատած մաքուր SnO2 նանոլարերի, և հաղորդման ալիքը ճնշվում է հետերային կապի ձևավորման պատճառով:Հետևաբար, երբ սենսորը ենթարկվում է նվազեցնող գազի, թակարդված էլեկտրոններն ազատվում են SnO2 նանոլարերի մեջ, և EDL-ը կտրուկ նվազում է, ինչը հանգեցնում է ավելի բարձր զգայունության, քան մաքուր SnO2 նանոլարերը:Ընդհակառակը, օքսիդացնող գազին անցնելիս DEL-ի ընդլայնումը սահմանափակ է, ինչը հանգեցնում է ցածր զգայունության:Նմանատիպ զգայական արձագանքման արդյունքներ են դիտվել Choi et al.-ի կողմից, 133, որտեղ SnO2 նանոլարերը, որոնք զարդարված են p-տիպի WO3 նանոմասնիկներով, ցույց են տվել զգալիորեն բարելավված զգայական արձագանքը նվազեցնող գազերին, մինչդեռ n-զարդարված SnO2 սենսորները բարելավվել են զգայունությունը օքսիդացող գազերի նկատմամբ:TiO2 նանոմասնիկներ (նկ. 6b) 133. Այս արդյունքը հիմնականում պայմանավորված է SnO2 և MOS (TiO2 կամ WO3) նանոմասնիկների տարբեր աշխատանքային գործառույթներով:p-տիպի (n-տիպի) նանոմասնիկներում շրջանակային նյութի (SnO2) հաղորդման ալիքը ընդլայնվում է (կամ կծկվում) ճառագայթային ուղղությամբ, իսկ հետո, կրճատման (կամ օքսիդացման) ազդեցության տակ, հետագա ընդլայնումը (կամ կրճատումը): գազի SnO2-ի հաղորդիչ ալիքը (նկ. 6b):
Ճառագայթային մոդուլյացիայի մեխանիզմ, որն առաջացել է փոփոխված LF MOS-ով:մաքուր SnO2 և Cr2O3@SnO2 նանոլարերի և համապատասխան զգայական մեխանիզմների սխեմատիկ դիագրամների հիման վրա 10 ppm վերականգնող և օքսիդացնող գազերին գազի արձագանքների ամփոփում;և WO3@SnO2 նանոձողերի համապատասխան սխեմաներ և հայտնաբերման մեխանիզմ133
Երկշերտ և բազմաշերտ հետերոկառուցվածքային սարքերում սարքի հաղորդման ալիքում գերակշռում է շերտը (սովորաբար ստորին շերտը) էլեկտրոդների հետ անմիջական շփման մեջ, և երկու շերտերի միջերեսում ձևավորված հետերային կապը կարող է վերահսկել ստորին շերտի հաղորդունակությունը: .Հետևաբար, երբ գազերը փոխազդում են վերին շերտի հետ, դրանք կարող են զգալիորեն ազդել ստորին շերտի հաղորդման ալիքների և սարքի 134 դիմադրության վրա:Օրինակ, Kumar et al.77-ը հաղորդում է NH3-ի համար TiO2@NiO և NiO@TiO2 կրկնակի շերտերի հակառակ վարքագիծը:Այս տարբերությունն առաջանում է այն պատճառով, որ երկու սենսորների հաղորդման ալիքները գերակշռում են տարբեր նյութերի շերտերում (համապատասխանաբար NiO և TiO2), իսկ հետո հիմքում ընկած հաղորդման ալիքների տատանումները տարբեր են77:
Երկշերտ կամ բազմաշերտ հետերոնանոկառուցվածքները սովորաբար արտադրվում են ցողման, ատոմային շերտի նստեցման (ALD) և ցենտրիֆուգացման միջոցով56,70,134,135,136:Երկու նյութերի թաղանթի հաստությունը և շփման տարածքը կարելի է լավ վերահսկել:7a և b նկարները ցույց են տալիս NiO@SnO2 և Ga2O3@WO3 նանոֆիլմերը, որոնք ստացվել են էթանոլի հայտնաբերման համար ցողման միջոցով135,137:Այնուամենայնիվ, այս մեթոդները սովորաբար արտադրում են հարթ թաղանթներ, և այդ հարթ թաղանթները ավելի քիչ զգայուն են, քան 3D նանոկառուցվածքային նյութերը՝ իրենց ցածր հատուկ մակերեսի և գազի թափանցելիության պատճառով:Հետևաբար, առաջարկվել է նաև տարբեր հիերարխիաներով երկշերտ թաղանթներ ստեղծելու հեղուկ փուլային ռազմավարություն՝ ընկալման արդյունավետությունը բարելավելու համար՝ մեծացնելով հատուկ մակերեսի մակերեսը41,52,138:Zhu et al139-ը համակցեցին ցողման և հիդրոթերմային տեխնիկան՝ արտադրելու բարձր կարգի ZnO նանոլարեր SnO2 նանոլարերի (ZnO@SnO2 նանոլարեր) H2S հայտնաբերման համար (նկ. 7c):Նրա արձագանքը H2S-ի 1 ppm-ին 1,6 անգամ ավելի բարձր է, քան ցրված ZnO@SnO2 նանոֆիլմերի վրա հիմնված սենսորի արձագանքը:Liu et al.52 հաղորդում է բարձր արդյունավետությամբ H2S սենսոր՝ օգտագործելով երկքայլ in situ քիմիական նստեցման մեթոդը՝ հիերարխիկ SnO2@NiO նանոկառուցվածքներ ստեղծելու համար, որին հաջորդում է ջերմային կռումը (նկ. 10d):Սովորական ցրված SnO2@NiO երկշերտ թաղանթների համեմատ, SnO2@NiO հիերարխիկ երկշերտ կառուցվածքի զգայունության ցուցանիշը զգալիորեն բարելավվել է հատուկ մակերեսի մեծացման շնորհիվ52,137:
Երկշերտ գազի սենսոր՝ հիմնված MOS-ի վրա:NiO@SnO2 նանոֆիլմ էթանոլի հայտնաբերման համար;137b Ga2O3@WO3 նանոֆիլմ էթանոլի հայտնաբերման համար;135c բարձր կարգի SnO2@ZnO երկշերտ հիերարխիկ կառուցվածք H2S հայտնաբերման համար;139d SnO2@NiO երկշերտ հիերարխիկ կառուցվածք H2S52-ի հայտնաբերման համար:
Երկրորդ տիպի սարքերում, որոնք հիմնված են միջուկային կեղևի հետերոնանոկառուցվածքների (CSHNs) վրա, զգայական մեխանիզմն ավելի բարդ է, քանի որ հաղորդման ալիքները չեն սահմանափակվում միայն ներքին թաղանթով:Ե՛վ արտադրության երթուղին, և՛ փաթեթի հաստությունը (hs) կարող են որոշել հաղորդիչ ալիքների գտնվելու վայրը:Օրինակ, ներքևից վեր սինթեզի մեթոդների կիրառման ժամանակ հաղորդման ուղիները սովորաբար սահմանափակվում են ներքին միջուկով, որն իր կառուցվածքով նման է երկշերտ կամ բազմաշերտ սարքի կառուցվածքներին (նկ. 2b(3)) 123, 140, 141, 142, 143. Xu et al.144-ը զեկուցել է CSHN NiO@α-Fe2O3 և CuO@α-Fe2O3 ստանալու ներքևից վեր մոտեցում՝ NiO կամ CuO NP-ների շերտը α-Fe2O3 նանորոդների վրա դնելով, որոնցում հաղորդման ալիքը սահմանափակված է կենտրոնական մասով:(nanorods α-Fe2O3):Liu et al.142-ին հաջողվեց նաև սահմանափակել հաղորդման ալիքը CSHN TiO2 @ Si-ի հիմնական մասով՝ TiO2-ը դնելով սիլիկոնային նանոլարերի պատրաստված զանգվածների վրա:Հետևաբար, նրա զգայական վարքագիծը (p-տիպ կամ n-տիպ) կախված է միայն սիլիցիումային նանոլարի կիսահաղորդչային տեսակից:
Այնուամենայնիվ, CSHN-ի վրա հիմնված սենսորների մեծ մասը (Նկար 2b(4)) արտադրվել են սինթեզված CS նյութի փոշիները չիպերի վրա փոխանցելու միջոցով:Այս դեպքում սենսորի հաղորդման ուղին ազդում է բնակարանի հաստությամբ (hs):Քիմի խումբը ուսումնասիրել է hs-ի ազդեցությունը գազի հայտնաբերման արդյունավետության վրա և առաջարկել հայտնաբերման հնարավոր մեխանիզմ100,112,145,146,147,148: Ենթադրվում է, որ այս կառուցվածքի զգայական մեխանիզմին նպաստում են երկու գործոն՝ (1) կեղևի EDL-ի շառավղային մոդուլյացիան և (2) էլեկտրական դաշտի քսելու էֆեկտը (նկ. 8) 145: Հետազոտողները նշել են, որ հաղորդման ալիքը կրիչները հիմնականում սահմանափակվում են կեղևի շերտով, երբ hs > λD կեղևի շերտի145: Ենթադրվում է, որ այս կառուցվածքի զգայական մեխանիզմին նպաստում են երկու գործոն՝ (1) կեղևի EDL-ի շառավղային մոդուլյացիան և (2) էլեկտրական դաշտի քսելու էֆեկտը (նկ. 8) 145: Հետազոտողները նշել են, որ հաղորդման ալիքը կրիչները հիմնականում սահմանափակվում են կեղևի շերտով, երբ hs > λD կեղևի շերտի145: (1) радиальная модуляция ДЭС оболочки и (2) эффект размытия электрического поля (рис. 8) 145. կրում է երկու գործոն: λD оболочки145. Ենթադրվում է, որ այս կառուցվածքի ընկալման մեխանիզմում ներգրավված է երկու գործոն՝ (1) կեղևի EDL-ի ճառագայթային մոդուլյացիան և (2) էլեկտրական դաշտի լղոզման ազդեցությունը (նկ. 8) 145։ Հետազոտողները նշել են, որ կրիչի հաղորդման ալիքը հիմնականում սահմանափակվում է պատյանով, երբ hs > λD պատյաններ145:Ենթադրվում է, որ այս կառուցվածքի հայտնաբերման մեխանիզմին նպաստում են երկու գործոն՝ (1) կեղևի DEL-ի ճառագայթային մոդուլյացիան և (2) էլեկտրական դաշտի քսման ազդեցությունը (նկ. 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壳 > λD145 时，载流子的数量主要局限于壳层。 Исследователи отметили, что канал проводимости Когда hs > lD145 оболочки, количество носителей в основном ограничено оболочкой. Հետազոտողները նշել են, որ հաղորդիչ ալիքը Երբ hs > λD145 է պատյան, կրիչների թիվը հիմնականում սահմանափակվում է պատյանով։Հետևաբար, CSHN-ի վրա հիմնված սենսորի դիմադրողական մոդուլյացիայի ժամանակ գերակշռում է ծածկույթի DEL-ի ճառագայթային մոդուլյացիան (նկ. 8ա):Այնուամենայնիվ, թաղանթի hs ≤ λD-ում թթվածնի մասնիկները, որոնք ներծծվում են թաղանթի կողմից և CS հետերային միացումում ձևավորված հետերանջատումը, ամբողջովին սպառվում են էլեկտրոններից: Հետևաբար, հաղորդիչ ալիքը գտնվում է ոչ միայն կեղևի շերտի ներսում, այլև մասամբ առանցքային մասում, հատկապես, երբ կեղևի շերտի hs < λD: Հետևաբար, հաղորդիչ ալիքը գտնվում է ոչ միայն կեղևի շերտի ներսում, այլև մասամբ առանցքային մասում, հատկապես, երբ կեղևի շերտի hs < λD: Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочечного слоя, но и частично в сердцевинной части, особенно при hs < lD оболочечного слоя. Հետևաբար, հաղորդիչ ալիքը գտնվում է ոչ միայն կեղևի շերտի ներսում, այլև մասամբ առանցքային մասում, հատկապես կեղևի շերտի hs < λD-ում։因此，传导通道不仅位于壳层内部，而且部分位于芯部，尤其是当壳层瀚是当壳层瀚是当壳层 hs < λD 时. Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочки, но и частично в сердцевине, особенно при hs < lD оболочки. Հետևաբար, հաղորդիչ ալիքը գտնվում է ոչ միայն կեղևի ներսում, այլև մասամբ միջուկում, հատկապես կեղևի hs < λD-ում։Այս դեպքում և՛ ամբողջությամբ սպառված էլեկտրոնային թաղանթը, և՛ մասնակիորեն սպառված միջուկի շերտը օգնում են մոդուլավորել ողջ CSHN-ի դիմադրությունը, ինչը հանգեցնում է էլեկտրական դաշտի պոչային էֆեկտի (նկ. 8b):Որոշ այլ ուսումնասիրություններ օգտագործել են EDL ծավալային մասնաբաժնի հայեցակարգը էլեկտրական դաշտի պոչի փոխարեն՝ hs էֆեկտը վերլուծելու համար100,148:Այս երկու ներդրումը հաշվի առնելով՝ CSHN դիմադրության ընդհանուր մոդուլյացիան հասնում է իր ամենամեծ արժեքին, երբ hs-ը համեմատելի է պատյան λD-ի հետ, ինչպես ցույց է տրված Նկար 8c-ում:Հետևաբար, CSHN-ի համար օպտիմալ hs-ը կարող է մոտ լինել λD թաղանթին, ինչը համահունչ է փորձարարական դիտարկումներին99,144,145,146,149:Մի քանի ուսումնասիրություններ ցույց են տվել, որ hs-ը կարող է նաև ազդել CSHN-ի վրա հիմնված pn-հետերային միացման սենսորների զգայունության վրա40,148:Լի et al.148 եւ Bai et al.40-ը սիստեմատիկորեն ուսումնասիրել է hs-ի ազդեցությունը pn-հետերային միացման CSHN սենսորների աշխատանքի վրա, ինչպիսիք են TiO2@CuO և ZnO@NiO, փոխելով երեսպատման ALD ցիկլը:Արդյունքում, զգայական վարքագիծը p-տիպից փոխվեց n-ի hs40,148 աճով:Այս վարքագիծը պայմանավորված է նրանով, որ սկզբում (սահմանափակ թվով ALD ցիկլերով) հետերոկառուցվածքները կարող են դիտարկվել որպես փոփոխված հետերոնակառուցվածքներ:Այսպիսով, հաղորդման ալիքը սահմանափակվում է միջուկային շերտով (p-տիպի MOSFET), և սենսորը ցուցադրում է p-տիպի հայտնաբերման վարքագիծ:ALD ցիկլերի քանակի ավելացման հետ մեկտեղ երեսպատման շերտը (n-տիպի MOSFET) դառնում է գրեթե շարունակական և գործում է որպես հաղորդիչ ալիք, ինչի արդյունքում առաջանում է n-տիպի զգայունություն:Նմանատիպ զգայական անցումային վարքագիծ արձանագրվել է pn ճյուղավորված հետերոնանոկառուցվածքների համար 150,151:Zhou et al.150 ուսումնասիրել է Zn2SnO4@Mn3O4 ճյուղավորված հետերոնանոկառուցվածքների զգայունությունը՝ վերահսկելով Zn2SnO4 պարունակությունը Mn3O4 նանոլարերի մակերեսին:Երբ Mn3O4 մակերեսի վրա ձևավորվեցին Zn2SnO4 միջուկներ, նկատվեց p տիպի զգայունություն։Zn2SnO4-ի պարունակության հետագա աճով, ճյուղավորված Zn2SnO4@Mn3O4 հետերոնակառուցվածքների վրա հիմնված սենսորը անցնում է n-տիպի սենսորի վարքագծին:
Ցուցադրված է CS նանոլարերի երկֆունկցիոնալ սենսորային մեխանիզմի հայեցակարգային նկարագրությունը:ա Դիմադրության մոդուլյացիա՝ պայմանավորված էլեկտրոնից սպառված թաղանթների ճառագայթային մոդուլյացիայից, բ քսելու բացասական ազդեցություն դիմադրության մոդուլյացիայի վրա, և c CS նանոլարերի ընդհանուր դիմադրության մոդուլյացիա՝ երկու էֆեկտների համակցության պատճառով 40
Եզրափակելով, II տիպի սենսորները ներառում են բազմաթիվ տարբեր հիերարխիկ նանոկառուցվածքներ, և սենսորների աշխատանքը մեծապես կախված է հաղորդիչ ալիքների դասավորությունից:Հետևաբար, կարևոր է վերահսկել սենսորի հաղորդման ալիքի դիրքը և օգտագործել համապատասխան հետերոնակառուցվածքային MOS մոդել՝ II տիպի սենսորների ընդլայնված զգայուն մեխանիզմը ուսումնասիրելու համար:
III տիպի սենսորային կառույցները այնքան էլ տարածված չեն, և հաղորդման ալիքը հիմնված է հետերկապման վրա, որը ձևավորվում է համապատասխանաբար երկու էլեկտրոդների հետ կապված երկու կիսահաղորդիչների միջև:Սարքի եզակի կառուցվածքները սովորաբար ստացվում են միկրոհաստոցների տեխնիկայի միջոցով, և դրանց զգայական մեխանիզմները խիստ տարբերվում են նախորդ երկու սենսորային կառույցներից:III տիպի սենսորի IV կորը սովորաբար ցուցադրում է տիպիկ ուղղման բնութագրեր՝ կապված հետերային միացման ձևավորման հետ48,152,153:Իդեալական հետերկապակցման I–V բնութագրական կորը կարելի է նկարագրել էլեկտրոնների արտանետման թերմիոնիկ մեխանիզմով հետերերյունակային արգելքի բարձրության վրա152,154,155:
որտեղ Va-ն կողմնակալության լարումն է, A-ն սարքի տարածքն է, k-ը Բոլցմանի հաստատունն է, T-ը բացարձակ ջերմաստիճանն է, q-ը կրիչի լիցքն է, Jn-ը և Jp-ը համապատասխանաբար անցքի և էլեկտրոնների դիֆուզիոն հոսանքի խտությունն են:IS-ը ներկայացնում է հակադարձ հագեցվածության հոսանքը, որը սահմանվում է որպես՝ 152,154,155
Հետևաբար, pn հետերջանցման ընդհանուր հոսանքը կախված է լիցքի կրիչների կոնցենտրացիայի փոփոխությունից և հետերային միացման արգելքի բարձրության փոփոխությունից, ինչպես ցույց է տրված (3) և (4) 156 հավասարումներում։
որտեղ nn0 և pp0 էլեկտրոնների (անցքերի) կոնցենտրացիան n-տիպի (p-տիպի) MOS-ում, \(V_{bi}^0\) ներկառուցված պոտենցիալն է, Dp (Dn) դիֆուզիոն գործակիցն է: էլեկտրոններ (անցքեր), Ln (Lp) էլեկտրոնների (անցքեր) դիֆուզիոն երկարությունն է, ΔEv (ΔEc) վալենտական ​​գոտու (հաղորդման գոտի) էներգիայի տեղաշարժն է հետերային միացումում։Թեև ընթացիկ խտությունը համաչափ է կրիչի խտությանը, այն էքսպոնենցիալ հակադարձ համեմատական ​​է \(V_{bi}^0\-ին):Հետևաբար, հոսանքի խտության ընդհանուր փոփոխությունը մեծապես կախված է հետերային հանգույցի պատնեշի բարձրության մոդուլյացիայից:
Ինչպես նշվեց վերևում, հետերո-նանոկառուցվածքային MOSFET-ների ստեղծումը (օրինակ՝ տիպի I և II տիպի սարքեր) կարող է զգալիորեն բարելավել սենսորի աշխատանքը, այլ ոչ թե առանձին բաղադրիչները:Իսկ III տիպի սարքերի համար հետերոնակառուցվածքային արձագանքը կարող է լինել երկու բաղադրիչից բարձր48,153 կամ մեկ բաղադրիչից76՝ կախված նյութի քիմիական բաղադրությունից:Մի քանի զեկույցներ ցույց են տվել, որ հետերոնանոկառուցվածքների արձագանքը շատ ավելի բարձր է, քան մեկ բաղադրիչի արձագանքը, երբ բաղադրիչներից մեկը անզգայուն է թիրախային գազի նկատմամբ48,75,76,153:Այս դեպքում թիրախային գազը փոխազդելու է միայն զգայուն շերտի հետ և կառաջացնի զգայուն շերտի Ef-ի տեղաշարժ և հետերյունակցման պատնեշի բարձրության փոփոխություն։Այնուհետև սարքի ընդհանուր հոսանքը զգալիորեն կփոխվի, քանի որ այն հակադարձ առնչվում է հետերեջանցման արգելքի բարձրությանը համաձայն հավասարման:(3) և (4) 48,76,153.Այնուամենայնիվ, երբ և՛ n-տիպի, և՛ p-տիպի բաղադրիչները զգայուն են թիրախային գազի նկատմամբ, հայտնաբերման արդյունավետությունը կարող է լինել ինչ-որ տեղ միջև:José et al.76-ը արտադրեցին ծակոտկեն NiO/SnO2 թաղանթով NO2 սենսոր՝ ցողման միջոցով և պարզեցին, որ սենսորային զգայունությունը միայն NiO-ի վրա հիմնված սենսորի զգայունությունն էր, բայց ավելի ցածր, քան SnO2-ի վրա հիմնված սենսորինը:սենսոր.Այս երևույթը պայմանավորված է նրանով, որ SnO2-ը և NiO-ն հակառակ ռեակցիաներ են ցույց տալիս NO276-ին:Բացի այդ, քանի որ երկու բաղադրիչներն ունեն գազի տարբեր զգայունություն, նրանք կարող են ունենալ օքսիդացնող և նվազեցնող գազեր հայտնաբերելու նույն միտումը:Օրինակ, Kwon et al.157-ն առաջարկել է NiO/SnO2 pn-հետերոճային գազի սենսոր՝ թեք ցողման միջոցով, ինչպես ցույց է տրված Նկար 9ա-ում:Հետաքրքիր է, որ NiO/SnO2 pn-հետերային միացման սենսորը ցույց է տվել զգայունության նույն միտումը H2-ի և NO2-ի համար (նկ. 9ա):Այս արդյունքը լուծելու համար Kwon et al.157-ը համակարգված կերպով ուսումնասիրել է, թե ինչպես են NO2-ը և H2-ը փոխում կրիչի կոնցենտրացիաները և կարգավորվում են երկու նյութերի \(V_{bi}^0\)՝ օգտագործելով IV-բնութագրերը և համակարգչային մոդելավորումները (նկ. 9bd):9b և c նկարները ցույց են տալիս H2-ի և NO2-ի կարողությունը փոխելու սենսորների կրիչի խտությունը՝ համապատասխանաբար p-NiO (pp0) և n-SnO2 (nn0) հիման վրա:Նրանք ցույց տվեցին, որ p-տիպի NiO-ի pp0-ը փոքր-ինչ փոխվել է NO2 միջավայրում, մինչդեռ այն կտրուկ փոխվել է H2 միջավայրում (նկ. 9b):Այնուամենայնիվ, n-տիպի SnO2-ի դեպքում nn0-ն իրեն հակառակ կերպ է պահում (նկ. 9c):Ելնելով այս արդյունքներից՝ հեղինակները եզրակացրեցին, որ երբ H2-ը կիրառվել է NiO/SnO2 pn հետերյունցման վրա հիմնված սենսորի վրա, nn0-ի աճը հանգեցրել է Jn-ի ավելացմանը, իսկ \(V_{bi}^0\) հանգեցրել է արձագանքման նվազում (նկ. 9դ):NO2-ի ազդեցությունից հետո SnO2-ում nn0-ի մեծ նվազումը և NiO-ում pp0-ի փոքր աճը հանգեցնում են \(V_{bi}^0\-ի մեծ նվազմանը), որն ապահովում է զգայական արձագանքի բարձրացում (նկ. 9d): ) 157 Եզրափակելով, կրիչների և \(V_{bi}^0\) կոնցենտրացիայի փոփոխությունները հանգեցնում են ընդհանուր հոսանքի փոփոխության, ինչը հետագայում ազդում է հայտնաբերման կարողության վրա։
Գազի սենսորի զգայական մեխանիզմը հիմնված է III Type սարքի կառուցվածքի վրա:Էլեկտրոնային մանրադիտակի սկանավորման (SEM) խաչմերուկային պատկերներ, p-NiO/n-SnO2 նանոկոպի սարք և p-NiO/n-SnO2 նանոկոպի հետերոճային սենսորի սենսորային հատկությունները 200°C ջերմաստիճանում H2-ի և NO2-ի համար;b , c-սարքի խաչմերուկային SEM և p-NiO b-շերտով և n-SnO2 c-շերտ ունեցող սարքի մոդելավորման արդյունքներ:b p-NiO սենսորը և c n-SnO2 սենսորը չափում և համապատասխանում են I–V բնութագրերին չոր օդում և H2-ի և NO2-ի ազդեցությունից հետո:P-NiO-ում b անցքի խտության երկչափ քարտեզը և n-SnO2 շերտում c-էլեկտրոնների քարտեզը գունային մասշտաբով մոդելավորվել են Sentaurus TCAD ծրագրաշարի միջոցով:d Մոդելավորման արդյունքները ցույց են տալիս p-NiO/n-SnO2-ի 3D քարտեզը չոր օդում, H2-ը և NO2157-ը շրջակա միջավայրում:
Բացի բուն նյութի քիմիական հատկություններից, Type III սարքի կառուցվածքը ցույց է տալիս ինքնասնուցմամբ գազի սենսորների ստեղծման հնարավորությունը, ինչը հնարավոր չէ I և Type II սարքերի դեպքում:Իրենց բնածին էլեկտրական դաշտի (BEF) պատճառով pn հետերանջատման դիոդային կառուցվածքները սովորաբար օգտագործվում են ֆոտոգալվանային սարքեր կառուցելու և լուսավորության տակ սենյակային ջերմաստիճանում ինքնուրույն աշխատող ֆոտոէլեկտրական գազի սենսորներ ստեղծելու ներուժ74,158,159,160,161:BEF-ը հետերոինտերֆեյսում, որը պայմանավորված է նյութերի Ֆերմի մակարդակների տարբերությամբ, նույնպես նպաստում է էլեկտրոն-անցք զույգերի բաժանմանը:Ինքնասնուցվող ֆոտոգալվանային գազի սենսորի առավելությունը դրա ցածր էներգիայի սպառումն է, քանի որ այն կարող է կլանել լուսավորող լույսի էներգիան և այնուհետև կառավարել իրեն կամ այլ մանրանկարչական սարքեր՝ առանց արտաքին էներգիայի աղբյուրի անհրաժեշտության:Օրինակ, Tanuma-ն և Sugiyama162-ը արտադրել են NiO/ZnO pn հետերեջանցումներ՝ որպես արևային բջիջներ SnO2-ի վրա հիմնված CO2 պոլիբյուրեղային սենսորների ակտիվացման համար:Գադը և այլք:74 հաղորդում է ինքնասնուցմամբ աշխատող ֆոտոգալվանային գազի սենսոր, որը հիմնված է Si/ZnO@CdS pn հետերանջատման վրա, ինչպես ցույց է տրված Նկար 10ա-ում:Ուղղահայաց կողմնորոշված ​​ZnO նանոլարերը աճեցվել են ուղղակիորեն p-տիպի սիլիցիումային ենթաշերտերի վրա՝ ձևավորելով Si/ZnO pn հետերեջանցումներ:Այնուհետև CdS նանոմասնիկները փոփոխվել են ZnO նանոլարերի մակերեսի վրա քիմիական մակերևույթի ձևափոխմամբ:Նկ.10a-ն ցույց է տալիս Si/ZnO@CdS սենսորային արձագանքման արդյունքները O2-ի և էթանոլի համար:Լուսավորության ներքո բաց միացման լարումը (Voc)՝ BEP-ի ընթացքում էլեկտրոն-անցք զույգերի տարանջատման պատճառով Si/ZnO հետերոինտերֆեյսում գծայինորեն մեծանում է միացված դիոդների թվով 74,161:Voc-ը կարող է ներկայացվել հավասարմամբ:(5) 156,
որտեղ ND, NA և Ni համապատասխանաբար դոնորների, ընդունողների և ներքին կրիչների կոնցենտրացիաներն են, իսկ k, T և q նույն պարամետրերն են, ինչ նախորդ հավասարման մեջ:Երբ ենթարկվում են օքսիդացող գազերի, նրանք էլեկտրոններ են հանում ZnO նանոլարերից, ինչը հանգեցնում է \(N_D^{ZnO}\) և Voc-ի նվազմանը:Եվ հակառակը, գազի կրճատումը հանգեցրեց Voc-ի ավելացմանը (նկ. 10ա):ZnO-ը CdS նանոմասնիկներով զարդարելիս, CdS նանոմասնիկների մեջ ֆոտոգրգռված էլեկտրոնները ներարկվում են ZnO-ի հաղորդման գոտու մեջ և փոխազդում են կլանված գազի հետ՝ դրանով իսկ բարձրացնելով ընկալման արդյունավետությունը74,160:Նմանատիպ ինքնասնուցմամբ ֆոտոգալվանային գազի սենսոր, որը հիմնված է Si/ZnO-ի վրա, հաղորդում է Հոֆմանը և այլք:160, 161 (նկ. 10բ).Այս սենսորը կարող է պատրաստվել ամինով ֆունկցիոնալացված ZnO նանոմասնիկների ([3-(2-aminoethylamino)propyl]trimethoxysilane) (amino-functionalized-SAM) և թիոլի ((3-mercaptopropyl)-functionalized գիծ օգտագործելով՝ աշխատանքային գործառույթը կարգավորելու համար: թիրախային գազ՝ NO2-ի (տրիմեթօքսիսիլանի) ընտրովի հայտնաբերման համար (թիոլով ֆունկցիոնալացված-SAM)) (նկ. 10b) 74,161.
Ինքնասպառվող ֆոտոէլեկտրական գազի սենսոր՝ հիմնված III տիպի սարքի կառուցվածքի վրա։Si/ZnO@CdS-ի վրա հիմնված ինքնասնուցմամբ ֆոտոգալվանային գազի սենսոր, ինքնակառավարվող զգայական մեխանիզմ և սենսորային արձագանք օքսիդացված (O2) և նվազեցված (1000 ppm էթանոլ) գազերին արևի լույսի ներքո;74b Ինքնակառավարվող ֆոտոգալվանային գազի ցուցիչ՝ հիմնված Si ZnO/ZnO սենսորների և տարբեր գազերի նկատմամբ սենսորային արձագանքների վրա՝ ZnO SAM-ի ֆունկցիոնալացումից հետո տերմինալ ամիններով և թիոլներով 161
Հետևաբար, III տիպի սենսորների զգայուն մեխանիզմը քննարկելիս կարևոր է որոշել հետերյունցման արգելքի բարձրության փոփոխությունը և գազի կրիչի կոնցենտրացիայի վրա ազդելու կարողությունը:Բացի այդ, լուսավորությունը կարող է առաջացնել ֆոտոգեներացված կրիչներ, որոնք արձագանքում են գազերի հետ, ինչը խոստումնալից է ինքնասնուցմամբ գազի հայտնաբերման համար:
Ինչպես քննարկվել է այս գրականության վերանայման մեջ, MOS-ի բազմաթիվ տարբեր հետերոնակառուցվածքներ են ստեղծվել սենսորների աշխատանքը բարելավելու համար:Web of Science տվյալների բազայում որոնվել են տարբեր հիմնաբառեր (մետաղական օքսիդ կոմպոզիտներ, միջուկային պատյան մետաղական օքսիդներ, շերտավոր մետաղական օքսիդներ և ինքնասնուցվող գազի անալիզատորներ), ինչպես նաև տարբերակիչ բնութագրեր (առատություն, զգայունություն/ընտրողականություն, էներգիայի արտադրության ներուժ, արտադրություն) .Մեթոդ Այս երեք սարքերից երեքի բնութագրերը ներկայացված են Աղյուսակ 2-ում: Բարձր արդյունավետությամբ գազի սենսորների ընդհանուր նախագծման հայեցակարգը քննարկվում է՝ վերլուծելով Yamazoe-ի առաջարկած երեք հիմնական գործոնները:MOS-ի հետերոկառուցվածքային տվիչների մեխանիզմներ Գազի տվիչների վրա ազդող գործոնները հասկանալու համար մանրակրկիտ ուսումնասիրվել են MOS-ի տարբեր պարամետրեր (օրինակ՝ հատիկի չափը, աշխատանքային ջերմաստիճանը, թերությունը և թթվածնի թափուր խտությունը, բաց բյուրեղային հարթությունները):Սարքի կառուցվածքը, որը նույնպես կարևոր է սենսորի ընկալման վարքագծի համար, անտեսվել է և հազվադեպ է քննարկվել:Այս վերանայումը քննարկում է սարքի կառուցվածքի երեք բնորոշ տեսակների հայտնաբերման հիմքում ընկած մեխանիզմները:
Հացահատիկի չափի կառուցվածքը, արտադրության մեթոդը և զգայական նյութի հետերերյունների քանակը I տիպի սենսորում կարող են մեծապես ազդել սենսորի զգայունության վրա:Բացի այդ, սենսորի վարքագծի վրա ազդում է նաև բաղադրիչների մոլային հարաբերակցությունը:Սարքի II տիպի կառուցվածքները (դեկորատիվ հետերոնակառուցվածքներ, երկշերտ կամ բազմաշերտ թաղանթներ, HSSN-ներ) սարքերի ամենահայտնի կառուցվածքներն են, որոնք բաղկացած են երկու կամ ավելի բաղադրիչներից, և միայն մեկ բաղադրիչ է միացված էլեկտրոդին:Այս սարքի կառուցվածքի համար հաղորդման ալիքների գտնվելու վայրը և դրանց հարաբերական փոփոխությունները որոշելը կարևոր նշանակություն ունի ընկալման մեխանիզմը ուսումնասիրելու համար:Քանի որ II տիպի սարքերը ներառում են բազմաթիվ տարբեր հիերարխիկ հետերոնանոկառուցվածքներ, առաջարկվել են բազմաթիվ տարբեր զգայական մեխանիզմներ:III տիպի զգայական կառուցվածքում հաղորդման ալիքում գերակշռում է հետերեջանցումը, որը ձևավորվում է հետերոուղղակի վրա, և ընկալման մեխանիզմը բոլորովին այլ է:Հետևաբար, կարևոր է որոշել հետերյունակցման պատնեշի բարձրության փոփոխությունը թիրախային գազի III տիպի սենսորին ենթարկվելուց հետո:Այս դիզայնով կարող են ստեղծվել ինքնակառավարվող ֆոտոգալվանային գազի սենսորներ՝ նվազեցնելու էներգիայի սպառումը:Այնուամենայնիվ, քանի որ արտադրության ներկայիս գործընթացը բավականին բարդ է, և զգայունությունը շատ ավելի ցածր է, քան ավանդական MOS-ի վրա հիմնված քիմիակայուն գազային սենսորները, դեռևս մեծ առաջընթաց կա ինքնասնուցվող գազի սենսորների հետազոտության մեջ:
Հիերարխիկ հետերոնանոկառուցվածքներով գազի MOS սենսորների հիմնական առավելություններն են արագությունն ու ավելի բարձր զգայունությունը:Այնուամենայնիվ, MOS գազի սենսորների որոշ հիմնական խնդիրներ (օրինակ՝ բարձր աշխատանքային ջերմաստիճան, երկարաժամկետ կայունություն, վատ ընտրողականություն և վերարտադրելիություն, խոնավության ազդեցություն և այլն) դեռևս գոյություն ունեն և պետք է լուծվեն՝ նախքան դրանք գործնականում օգտագործելը:Ժամանակակից MOS գազի սենսորները սովորաբար աշխատում են բարձր ջերմաստիճաններում և մեծ էներգիա են սպառում, ինչը ազդում է սենսորի երկարաժամկետ կայունության վրա:Այս խնդրի լուծման երկու ընդհանուր մոտեցում կա. (1) ցածր էներգիայի սենսորային չիպերի մշակում;(2) նոր զգայուն նյութերի մշակում, որոնք կարող են գործել ցածր ջերմաստիճանում կամ նույնիսկ սենյակային ջերմաստիճանում:Ցածր էներգիայի սենսորային չիպերի մշակման մոտեցումներից մեկն այն է, որ նվազագույնի հասցվի սենսորի չափը՝ կերամիկայի և սիլիցիումի վրա հիմնված միկրոջեռուցման թիթեղներ ստեղծելով163:Կերամիկական հիմքով միկրո ջեռուցման թիթեղները սպառում են մոտավորապես 50–70 մՎ մեկ սենսորին, մինչդեռ օպտիմիզացված սիլիցիումի վրա հիմնված միկրո ջեռուցման թիթեղները կարող են սպառել ընդամենը 2 մՎտ մեկ սենսորով, երբ անընդհատ աշխատում են 300 °C ջերմաստիճանում:163,164:Նոր զգայուն նյութերի մշակումը արդյունավետ միջոց է էներգիայի սպառումը նվազեցնելու համար՝ իջեցնելով աշխատանքային ջերմաստիճանը, ինչպես նաև կարող է բարելավել սենսորների կայունությունը:Քանի որ MOS-ի չափը շարունակում է կրճատվել՝ մեծացնելով սենսորի զգայունությունը, MOS-ի ջերմային կայունությունը դառնում է ավելի դժվար, ինչը կարող է հանգեցնել սենսորային ազդանշանի շեղման165:Բացի այդ, բարձր ջերմաստիճանը նպաստում է նյութերի տարածմանը հետերոինտերֆեյսում և խառը փուլերի ձևավորմանը, ինչը ազդում է սենսորի էլեկտրոնային հատկությունների վրա:Հետազոտողները հայտնում են, որ սենսորի օպտիմալ աշխատանքային ջերմաստիճանը կարող է կրճատվել՝ ընտրելով համապատասխան զգայուն նյութեր և զարգացնելով MOS հետերոնակառուցվածքներ:Բարձր բյուրեղային MOS հետերոնանոկառուցվածքներ ստեղծելու ցածր ջերմաստիճանի մեթոդի որոնումը կայունությունը բարելավելու եւս մեկ խոստումնալից մոտեցում է:
MOS սենսորների ընտրողականությունը ևս մեկ գործնական խնդիր է, քանի որ տարբեր գազեր գոյակցում են թիրախային գազի հետ, մինչդեռ MOS սենսորները հաճախ զգայուն են մեկից ավելի գազի նկատմամբ և հաճախ ցուցադրում են խաչաձև զգայունություն:Հետևաբար, սենսորի ընտրողականության բարձրացումը թիրախային գազի, ինչպես նաև այլ գազերի նկատմամբ չափազանց կարևոր է գործնական կիրառման համար:Վերջին մի քանի տասնամյակների ընթացքում ընտրությունը մասամբ ուղղվել է գազի սենսորների զանգվածների ստեղծմամբ, որոնք կոչվում են «էլեկտրոնային քիթ (E-nose)»՝ համակցված հաշվողական վերլուծության ալգորիթմների հետ, ինչպիսիք են ուսումնական վեկտորի քվանտացումը (LVQ), հիմնական բաղադրիչների վերլուծությունը (PCA), և այլն, ե.Սեռական խնդիրներ.Մասնակի նվազագույն քառակուսիներ (PLS) և այլն: 31, 32, 33, 34: Երկու հիմնական գործոն (սենսորների քանակը, որոնք սերտորեն կապված են զգայող նյութի տեսակի հետ և հաշվողական վերլուծությունը) չափազանց կարևոր են էլեկտրոնային քթերի կարողությունը բարելավելու համար: բացահայտել գազերը169.Այնուամենայնիվ, սենսորների քանակի ավելացումը սովորաբար պահանջում է շատ բարդ արտադրական գործընթացներ, ուստի շատ կարևոր է գտնել պարզ մեթոդ էլեկտրոնային քթի աշխատանքը բարելավելու համար:Բացի այդ, MOS-ի փոփոխումը այլ նյութերով կարող է նաև մեծացնել սենսորի ընտրողականությունը:Օրինակ, H2-ի ընտրովի հայտնաբերումը կարող է իրականացվել NP Pd-ով փոփոխված MOS-ի լավ կատալիտիկ ակտիվության շնորհիվ:Վերջին տարիներին որոշ հետազոտողներ ծածկել են MOS MOF մակերեսը, որպեսզի բարելավեն սենսորների ընտրողականությունը չափերը բացառելու միջոցով171,172:Այս աշխատանքից ոգեշնչված՝ նյութի ֆունկցիոնալացումը կարող է ինչ-որ կերպ լուծել ընտրողականության խնդիրը:Այնուամենայնիվ, ճիշտ նյութի ընտրության հարցում դեռ շատ աշխատանք կա անելու։
Նույն պայմաններում և մեթոդներով արտադրված սենսորների բնութագրերի կրկնելիությունը ևս մեկ կարևոր պահանջ է լայնածավալ արտադրության և գործնական կիրառման համար:Սովորաբար, ցենտրիֆուգման և թաթախման մեթոդները էժան մեթոդներ են բարձր թողունակությամբ գազի սենսորների արտադրության համար:Այնուամենայնիվ, այս գործընթացների ընթացքում զգայուն նյութը հակված է ագրեգացման, և զգայուն նյութի և ենթաշերտի միջև կապը դառնում է թույլ68, 138, 168: Արդյունքում, սենսորի զգայունությունն ու կայունությունը զգալիորեն վատանում են, և կատարումը դառնում է վերարտադրելի:Արտադրության այլ մեթոդներ, ինչպիսիք են ցողումը, ALD, իմպուլսային լազերային նստեցումը (PLD) և ֆիզիկական գոլորշիների նստեցումը (PVD), թույլ են տալիս արտադրել երկշերտ կամ բազմաշերտ MOS թաղանթներ անմիջապես նախշավոր սիլիցիումի կամ ալյումինե ենթաշերտերի վրա:Այս մեթոդները խուսափում են զգայուն նյութերի կուտակումից, ապահովում են սենսորների վերարտադրելիությունը և ցուցադրում հարթ բարակ թաղանթով սենսորների լայնածավալ արտադրության իրագործելիությունը:Այնուամենայնիվ, այս հարթ թաղանթների զգայունությունը, ընդհանուր առմամբ, շատ ավելի ցածր է, քան 3D նանոկառուցվածքային նյութերի զգայունությունը՝ շնորհիվ նրանց փոքր հատուկ մակերեսի և գազի ցածր թափանցելիության41,174:MOS-ի հետերոնանոկառուցվածքների աճեցման նոր ռազմավարությունները կառուցվածքային միկրոզանգվածների վրա հատուկ վայրերում և զգայուն նյութերի չափը, հաստությունը և մորֆոլոգիան ճշգրիտ վերահսկելու համար կարևոր են վաֆլի մակարդակի բարձր վերարտադրելիությամբ և զգայունությամբ սենսորների էժան արտադրության համար:Օրինակ, Liu et al.174-ն առաջարկեց վերևից վար և ներքևից վեր համակցված ռազմավարություն՝ բարձր թողունակությամբ բյուրեղների արտադրության համար՝ տեղում Ni(OH)2 նանապատերի աճեցման միջոցով կոնկրետ վայրերում:.Վաֆլիներ միկրոայրիչների համար.
Բացի այդ, կարևոր է նաև գործնականում կիրառել խոնավության ազդեցությունը սենսորի վրա:Ջրի մոլեկուլները կարող են մրցակցել թթվածնի մոլեկուլների հետ սենսորային նյութերի կլանման վայրերի համար և ազդել թիրախային գազի համար սենսորի պատասխանատվության վրա:Ինչպես թթվածինը, ջուրը գործում է որպես մոլեկուլ ֆիզիկական կլանման միջոցով և կարող է նաև գոյություն ունենալ հիդրօքսիլ ռադիկալների կամ հիդրօքսիլ խմբերի տեսքով օքսիդացման տարբեր կայաններում քիմիզորբցիայի միջոցով:Բացի այդ, շրջակա միջավայրի բարձր մակարդակի և փոփոխական խոնավության պատճառով մեծ խնդիր է սենսորի հուսալի արձագանքը թիրախային գազին:Այս խնդրի լուծման համար մշակվել են մի քանի ռազմավարություններ, ինչպիսիք են գազի նախակենտրոնացումը177, խոնավության փոխհատուցումը և խաչաձև ռեակտիվ ցանցի մեթոդները178, ինչպես նաև չորացման մեթոդները179,180:Այնուամենայնիվ, այս մեթոդները թանկ են, բարդ և նվազեցնում են սենսորի զգայունությունը:Խոնավության ազդեցությունը ճնշելու համար առաջարկվել են մի քանի էժան ռազմավարություններ:Օրինակ, SnO2-ը Pd նանոմասնիկներով զարդարելը կարող է նպաստել ներծծվող թթվածնի վերածմանը անիոնային մասնիկների, մինչդեռ SnO2-ի ֆունկցիոնալացումը ջրի մոլեկուլների հետ բարձր մերձեցում ունեցող նյութերով, ինչպիսիք են NiO-ն և CuO-ն, ջրի մոլեկուլներից խոնավությունից կախվածությունը կանխելու երկու եղանակ է:.Սենսորներ 181, 182, 183. Բացի այդ, խոնավության ազդեցությունը կարող է նաև կրճատվել՝ օգտագործելով հիդրոֆոբ նյութեր՝ հիդրոֆոբ մակերեսներ ձևավորելու համար36,138,184,185:Այնուամենայնիվ, խոնավության դիմացկուն գազի սենսորների մշակումը դեռ վաղ փուլում է, և այս խնդիրները լուծելու համար ավելի առաջադեմ ռազմավարություններ են պահանջվում:
Եզրափակելով, հայտնաբերման կատարողականի բարելավումներ (օրինակ՝ զգայունություն, ընտրողականություն, ցածր օպտիմալ աշխատանքային ջերմաստիճան) ձեռք են բերվել՝ ստեղծելով MOS հետերոնանոկառուցվածքներ, և առաջարկվել են հայտնաբերման տարբեր բարելավված մեխանիզմներ:Որոշակի սենսորի զգայական մեխանիզմն ուսումնասիրելիս պետք է հաշվի առնել նաև սարքի երկրաչափական կառուցվածքը:Կպահանջվի նոր զգայական նյութերի ուսումնասիրություն և արտադրական առաջադեմ ռազմավարությունների հետազոտություն՝ գազի սենսորների աշխատանքը հետագա բարելավելու և ապագայում մնացած մարտահրավերները լուծելու համար:Սենսորային բնութագրերի վերահսկվող թյունինգի համար անհրաժեշտ է համակարգված կերպով կառուցել սենսորային նյութերի սինթետիկ մեթոդի և հետերոնակառուցվածքների ֆունկցիայի միջև կապը:Բացի այդ, մակերևութային ռեակցիաների և հետերոինտերֆեյսների փոփոխությունների ուսումնասիրությունը ժամանակակից բնութագրման մեթոդների կիրառմամբ կարող է օգնել պարզել դրանց ընկալման մեխանիզմները և առաջարկություններ տալ հետերոնակառուցվածքային նյութերի վրա հիմնված սենսորների մշակման համար:Վերջապես, սենսորների արտադրության ժամանակակից ռազմավարությունների ուսումնասիրությունը կարող է թույլ տալ վաֆլի մակարդակով գազի մանրանկարչական տվիչների արտադրություն՝ իրենց արդյունաբերական կիրառությունների համար:
Genzel, NN et al.Քաղաքային բնակավայրերում ասթմա ունեցող երեխաների մոտ ազոտի երկօքսիդի մակարդակների և շնչառական ախտանիշների երկայնական ուսումնասիրություն:հարեւանություն.Առողջության հեռանկար.116, 1428–1432 (2008):