Ossido metallico eteronanostrutturale

Microsistemi e nanoingegneria volume 8, numero articolo: 85 (2022) Citare questo articolo

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Lo sviluppo di sensori di gas ad alte prestazioni, portatili e miniaturizzati ha suscitato un crescente interesse nei settori del monitoraggio ambientale, della sicurezza, della diagnosi medica e dell'agricoltura. Tra i diversi strumenti di rilevamento, i sensori di gas chemiresistivi basati su semiconduttori a ossido di metallo (MOS) sono la scelta più popolare nelle applicazioni commerciali e presentano i vantaggi di elevata stabilità, basso costo ed elevata sensibilità. Uno dei modi più importanti per migliorare ulteriormente le prestazioni del sensore è costruire eterogiunzioni su scala nanometrica basate su MOS (MOS eteronanostrutturali) da nanomateriali MOS. Tuttavia, il meccanismo di rilevamento dei sensori eteronanostrutturali basati su MOS è diverso da quello dei sensori di gas basati su MOS singoli in quanto è piuttosto complesso. Le prestazioni dei sensori sono influenzate da vari parametri, tra cui le proprietà fisiche e chimiche dei materiali di rilevamento (ad esempio, dimensione dei grani, densità dei difetti e posti vacanti di ossigeno dei materiali), temperature di lavoro e strutture del dispositivo. Questa recensione introduce diversi concetti nella progettazione di sensori di gas ad alte prestazioni analizzando il meccanismo di rilevamento dei sensori basati su MOS eteronanostrutturali. Inoltre, viene discussa l'influenza della struttura geometrica del dispositivo determinata dall'interconnessione tra i materiali di rilevamento e gli elettrodi di lavoro. Per studiare sistematicamente il comportamento di rilevamento del sensore, in questa recensione viene introdotto e discusso il meccanismo di rilevamento generale di tre tipi tipici di strutture geometriche dei dispositivi basate su diversi materiali eteronanostrutturali. Questa recensione fornirà linee guida per i lettori che studiano il meccanismo di rilevamento dei sensori di gas e progettano sensori di gas ad alte prestazioni in futuro.

L’inquinamento atmosferico sta diventando una preoccupazione crescente e un grave problema ambientale mondiale che minaccia il benessere degli esseri umani e degli organismi. L'inalazione di gas inquinanti può causare molti problemi di salute, come malattie respiratorie, cancro ai polmoni, leucemia e persino morte prematura1,2,3,4. È stato riferito che dal 2012 al 2016 milioni di persone sono morte a causa dell’inquinamento atmosferico e miliardi di persone devono affrontare ogni anno una scarsa qualità dell’aria5. Pertanto, è importante sviluppare sensori di gas portatili e miniaturizzati in grado di fornire feedback in tempo reale e prestazioni di rilevamento elevate (ad esempio sensibilità, selettività, stabilità e tempi di risposta e recupero). Oltre al monitoraggio ambientale, i sensori di gas svolgono un ruolo cruciale anche nella sicurezza6,7,8, nella diagnosi medica9,10, nell'acquacoltura11 e in altri campi12.

Ad oggi, sono stati resi disponibili diversi tipi di sensori di gas portatili basati su diversi meccanismi di rilevamento, come sensori ottici13,14,15,16,17,18, elettrochimici19,20,21,22 e chemiresistivi23,24. Tra questi, i sensori chemiresistivi basati su semiconduttori a ossido di metallo (MOS) sono i più popolari nelle applicazioni commerciali grazie alla loro elevata stabilità e al basso costo25,26. La concentrazione degli inquinanti può essere ottenuta semplicemente rilevando variazioni nella resistenza dei MOS. All'inizio degli anni '60 fu presentato il primo sensore di gas chemiresistivo basato su pellicola di ZnO, che suscitò grande interesse nel campo della rilevazione di gas27,28. Ad oggi, molti MOS diversi sono stati utilizzati come materiali per il rilevamento dei gas e possono essere suddivisi in due classi in base alle loro proprietà fisiche: MOS di tipo n in cui gli elettroni sono i portatori di carica maggioritari e MOS di tipo p in cui le lacune rappresentano la carica maggioritaria. portatori. Normalmente, i MOS di tipo p sono meno popolari dei MOS di tipo n perché la risposta di rilevamento di un MOS di tipo p (Sp) è proporzionale alla radice quadrata di un MOS di tipo n (\(S_p = \sqrt {S_n}\ )) con gli stessi presupposti (ad esempio, stesse configurazioni morfologiche e stessi cambiamenti di flessione della banda nell'aria)29,30. Tuttavia, le applicazioni pratiche dei singoli sensori basati su MOS incontrano ancora alcuni problemi, come un limite di rilevamento insufficiente e una scarsa sensibilità e selettività. Il problema della selettività può essere risolto in una certa misura costruendo array di sensori, noti come "nasi elettronici", e combinando algoritmi di analisi computazionale come la quantizzazione vettoriale dell'apprendimento (LVQ), l'analisi delle componenti principali (PCA) e i minimi quadrati parziali (PLS) analisi31,32,33,34,35. Inoltre, la fabbricazione di MOS a bassa dimensione32,36,37,38,39 (ad esempio, nanomateriali unidimensionali (1D), 0D e 2D) e la modifica di MOS backbone con altri nanomateriali (ad esempio, MOS40,41,42, nobili nanoparticelle metalliche (NP)43,44, nanomateriali di carbonio45,46 e polimeri conduttori47,48) per costruire eterogiunzioni su scala nanometrica (cioè MOS eteronanostrutturali) sono gli altri approcci preferiti per affrontare i problemi sopra menzionati. Rispetto ai film MOS spessi convenzionali, i MOS a bassa dimensione con ampie aree superficiali specifiche potrebbero fornire più siti di attivazione per l'adsorbimento del gas e facilitarne la diffusione36,37,49. Inoltre, la progettazione di eteronanostrutture basate su MOS può modulare ulteriormente il trasporto dei portatori sull'eterointerfaccia, portando a maggiori cambiamenti di resistenza dovuti alle diverse funzioni di lavoro50,51,52. Inoltre, alcuni effetti chimici (ad esempio, attività catalitica e reazioni superficiali sinergiche) derivanti dalla progettazione di eteronostrutture MOS potrebbero anche migliorare le prestazioni del sensore50,53,54. Sebbene la progettazione e la costruzione di eteronanostrutture basate su MOS rappresenterebbero un approccio promettente per migliorare le prestazioni del sensore, gli attuali sensori chemiresistivi spesso utilizzano un approccio di tipo tentativi ed errori, che è dispendioso in termini di tempo e inefficiente. Pertanto, è importante comprendere il meccanismo di rilevamento dei sensori di gas basati su MOS, poiché può fornire una linea guida per la progettazione direzionale di sensori ad alte prestazioni.

λD of the shell layer145. As a result, the resistance modulation of sensors based on CSHNs is mainly dominated by the radial modulation of the EDL of the shell (Fig. 8a). However, when hs ≤ λD of the shell layer, the shell layer becomes fully electron depleted by the adsorbed oxygen species and the formed heterojunction at the CS heterointerface. Therefore, the conduction channel is not only located inside the shell layer but also partially in the core part, especially when hs < λD of the shell layer. In this case, both the fully electron-depleted shell layer and the partially depleted core layer contribute to modulating the resistance of the whole CSHNs, generating an electric-field smearing effect (Fig. 8b). Some other studies use the concept of EDL volume fraction instead of electric field smearing effect to analyze the effect of hs100,148. By taking both contributions into consideration, the overall resistance modulation of the CSHNs reaches the highest when hs is comparable with λD of the shell layer, as shown in Fig. 8c. Therefore, the optimal hs of the CSHN may be close to λD of the shell layer, which is consistent with experimental observations99,144,145,146,149. Several studies have demonstrated that hs can also influence the sensing behavior of sensors based on p-n heterojunction CSHNs40,148. Lee et al.148 and Bai et al.40 systematically studied the influence of hs on the performance of p-n heterojunction CSHN (e.g., TiO2@CuO and ZnO@NiO)-based sensors by varying the ALD cycles of the shell layer. As a result, the sensing behavior transits from p-type to n-type with increasing hs40,148. This behavior occurs because at the beginning (with a limited ALD cycle number), the heterostructure can be regarded as decorated heteronanostructures. Thus, the conduction channel is confined to the core layer (p-type MOS), and the sensor shows p-type sensing behavior40. By increasing the ALD cycle number, the shell layer (n-type MOS) becomes quasi-continuous and serves as the conduction channel, resulting in n-type sensing behavior40. Similar sensing transition behaviors have also been reported on branched p-n heteronanostructures150,151. Zhou et al.150 studied the sensing behavior of Zn2SnO4@Mn3O4 branched heteronanostructures by tuning the content of Zn2SnO4 on the surface of Mn3O4 nanowires. The p-type sensing behavior is observed when Zn2SnO4 seeds form on the surface of Mn3O4. With a further increase in the content of Zn2SnO4, the sensor based on Zn2SnO4@Mn3O4 branched heteronanostructures switches to n-type sensing behavior./p>

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