Amplificazione delle prestazioni di rilevamento dell'ammoniaca attraverso la modulazione della portante indotta dal gate in Cur

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8159 (2023) Citare questo articolo

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Le attività umane e industriali incontrollate portano all'aumento della domanda di sensori di gas selettivi per il rilevamento di gas velenosi nel nostro ambiente. I sensori di gas resistivi convenzionali soffrono di sensibilità predeterminata e scarsa selettività tra i gas. Questo articolo illustra un transistor a effetto di campo con ossido di grafene e seta a ridotto contenuto di curcumina per il rilevamento selettivo e sensibile dell'ammoniaca nell'aria. Lo strato sensibile è stato caratterizzato mediante diffrazione di raggi X, FESEM e HRTEM per confermarne le caratteristiche strutturali e morfologiche. Sono state eseguite la spettroscopia Raman, la spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier e la spettroscopia fotoelettronica a raggi X per analizzare le porzioni funzionali presenti nello strato di rilevamento. L'ossido di grafene ridotto con curcumina introduce sufficienti gruppi idrossilici nello strato di rilevamento per fornire un elevato grado di selettività verso i vapori di ammoniaca. Le prestazioni del dispositivo sensore sono state valutate con tensione di gate positiva, negativa e zero. La modulazione dei portatori nel canale attraverso l'elettrostatica del gate ha rivelato che i portatori minoritari (elettroni) nell'ossido di grafene ridotto di tipo p svolgono un ruolo fondamentale nel miglioramento della sensibilità del dispositivo sensore. La risposta del sensore è stata migliorata al 634% per 50 ppm di ammoniaca con una tensione di gate di 0,6 V rispetto al 23,2% e 39,3% rispettivamente a 0 V e −3 V. Il sensore ha mostrato una risposta e un recupero più rapidi a 0,6 V grazie alla maggiore mobilità degli elettroni e al meccanismo di trasferimento rapido della carica. Il sensore ha mostrato caratteristiche soddisfacenti di resistenza all'umidità ed elevata stabilità. Pertanto, il dispositivo transistor a effetto di campo con ossido di grafene e seta a ridotto contenuto di curcumina con un'adeguata polarizzazione del gate chiarisce un eccellente rilevamento dell'ammoniaca e può essere un potenziale candidato per il futuro sistema di rilevamento di gas portatile a bassa potenza e a temperatura ambiente.

A causa dell'aumento delle attività nell'industria chimica, alimentare e automobilistica, esiste una domanda significativa per lo sviluppo di rilevatori di gas portatili e alimentati a batteria1. Queste esigenze richiedono un'intensa attività di ricerca verso la fabbricazione di sensori di gas miniaturizzati, a temperatura ambiente e a basso consumo. In questo contesto, gli strati di rilevamento basati su semiconduttori di ossidi metallici (ZnO, TiO2, SnO2, WO3 ecc.2,3,4,5) sono ampiamente esplorati. Questi strati sensibili sono molto attraenti grazie alla loro enorme sensibilità, ma il loro funzionamento richiede temperature operative elevate (tipicamente nell'intervallo 200–450 °C). L'elevata potenza degli ossidi metallici ne limita l'utilizzo nei sistemi di rilevamento gas portatili a temperatura ambiente. Ad esempio, i sensori Taguchi basati su SnO2 (Figaro Giappone) disponibili in commercio, utilizzano una potenza di 200 mW. Pertanto, sono necessari sforzi per sviluppare sensori di temperatura ambiente e a basso consumo. Esistono diversi tentativi in ​​questo senso6,7,8,9, che mirano a integrare i sensori con la maturata piattaforma CMOS. Alcuni gas come l'ammoniaca e l'idrogeno solforato hanno una bassa temperatura di accensione e sono altamente infiammabili. Pertanto, i ricercatori si sono concentrati sulla sintesi di nanomateriali funzionalizzati che funzionano a temperatura ambiente. Questi materiali includono nanomateriali bidimensionali (grafene), dicalcogenuri di metalli di transizione (MoS2, WS2), fosforo nero, strutture metalliche organiche, ecc.

Il grafene, un nanomateriale bidimensionale, ha trovato notevole attenzione grazie alla sua enorme area superficiale, stabilità termica e meccanica, elevata mobilità e flessibilità10. È stato riscontrato che il grafene è altamente sensibile nei confronti di diversi analiti di gas. La struttura bidimensionale a nido d'ape insieme al singolo strato di atomi di carbonio facilitano una maggiore sensibilità verso diversi analiti. Il grafene puro e privo di difetti ha una scarsa energia di adsorbimento verso i diversi gas. L'introduzione di difetti e droganti nella matrice di grafene migliorerà il livello di energia di adsorbimento e faciliterà un migliore trasferimento di carica tra gli analiti target e la matrice di grafene. L'esfoliazione chimica del grafene porta all'ossido di grafene, che durante la riduzione produce ossido di grafene ridotto (RGO). L'ossido di grafene ridotto è costituito da diversi siti di difetto insieme a varie porzioni funzionali, che introducono diversi siti attivi per l'adsorbimento dei gas target. Il più grande vantaggio di RGO è la sua capacità di rilevare gas in tracce anche a temperatura ambiente. Ciò rende RGO un candidato ideale per l'utilizzo nei sensori di gas portatili a bassa potenza e di temperatura ambiente di futura generazione.