Ultraviolet licht-ondersteund koperoxide nanodraden Waterstofgassensor
Abstract
We hebben koperoxide nanodraden (CuO NW's) ultraviolet (UV) lichtondersteunde waterstofgassensor gefabriceerd. De gefabriceerde sensor vertoont veelbelovend sensorresponsgedrag richting 100 ppm H2 bij kamertemperatuur en verhoogde temperatuur bij 100 °C bij blootstelling aan UV-licht (3,0 mW/cm 2 ). Er is een stabiliteitstest van honderd cycli uitgevoerd en er is vastgesteld dat voor een monster dat bij 100 °C is verhoogd, het door UV geactiveerde monster stabiliteit bereikte in de eerste cyclus in vergelijking met het monster zonder UV-bestraling, waarvoor ongeveer 10 cycli nodig waren om stabiliteit in het beginstadium, terwijl het geteste monster bij kamertemperatuur kon stabiliseren met behulp van UV-straling. Dit geeft aan dat het met behulp van UV-licht, na enige "opwarm"-tijd, mogelijk is dat de conventionele CuO NW-sensor, die normaal bij verhoogde temperatuur werkt, bij kamertemperatuur werkt, omdat wordt aangenomen dat de UV-bron een dominante rol speelt bij het verhogen de interactie van het oppervlak van CuO NW's en waterstofgasmoleculen die worden geabsorbeerd na de blootstelling aan licht.
Achtergrond
In de recente ontwikkelingen zijn verschillende soorten gassen zoals waterstof, ammoniak, butaan en koolmonoxide uitgebreid gebruikt in industrieën [1,2,3,4,5,6]. Verschillende metaaloxiden zoals koperoxide, tinoxide , en op zinkoxide gebaseerde gassensoren zijn uitgebreid bestudeerd vanwege hun voordelen, bijvoorbeeld lage fabricagekosten en hoge gevoeligheid voor gevaarlijke gassen [7, 8]. Koperoxide nanodraad (CuO NW) is een nieuw materiaal dat geschikt is voor gassensoren vanwege de hoge oppervlakte-volumeverhouding om de prestaties van de sensor te verbeteren [9, 10]. Er is gemeld dat CuO NW's geschikt zijn voor de detectie van verschillende gassen zoals ethanol, butaan, koolmonoxide, ammoniak en stikstofoxide [9,10,11]. Over het algemeen hadden op metaaloxide gebaseerde gassensoren een hoge bedrijfstemperatuur nodig om uitstekende detectieprestaties te bereiken. Een hoge bedrijfstemperatuur kan echter leiden tot een hoog stroomverbruik. Ook langdurig gebruik bij hoge temperaturen heeft driftproblemen veroorzaakt door het sinter- en diffusieproces [12, 13]. Daarom is er onderzoek gedaan naar een nieuwe methode zonder verbetering van gassensoren op basis van metaaloxide om dit probleem te minimaliseren.
Oppervlaktefunctionalisering door de materiaaloppervlakken te decoreren met nanodeeltjes om de gevoeligheid en selectiviteit van de gassensor voor het gevaarlijke gas te verbeteren met behulp van een chemische route is elders gerapporteerd [14, 15]. Deze methode is echter erg ingewikkeld omdat de bereiding veel chemicaliën bevatte en veel reactietijd kostte om de gewenste grootte van de nanodeeltjes af te stemmen voor de beoogde toepassingen [16]. Om deze complicatie te voorkomen, proberen sommige onderzoekers de prestaties van de gassensor te verbeteren door UV-licht te gebruiken om de fotogegenereerde elektronen- en gatenparen te creëren als een alternatieve route, omdat het geen ingewikkelde chemische voorbereiding vereist en dus tijdefficiëntie [17,18,19] ,20]. Bovendien zou het gebruik van UV-licht de alternatieve oplossing kunnen zijn om verwarming van de sensor te voorkomen en resulteert in een vermindering van het stroomverbruik en het vermijden van de degradatie van de sensor als gevolg van de hoge temperaturen, aangezien een conventionele gassensor een hoge temperatuur vereist om te werken en stabiliteit te bereiken.
Rapport over het gebruik van UV-versterkte indiumoxide- en tindioxidesensoren is bestudeerd door Comini et al. [20]. Er is gemeld dat het UV-licht de waarnemingsprestaties van de CO en NO2 verbeterde gassensor bij kamertemperatuur die de reactie van de interactie op de halfgeleider verhoogt. Daarnaast hebben Comini et al. meldde ook dat UV-licht het vergiftigingseffect van gasdetectie kan verminderen, waardoor de elektrische eigenschappen vrij onomkeerbaar veranderen door het desorptieproces te verbeteren [20]. Bovendien is gemeld dat de blootstelling aan UV-straling de gevoeligheid, stabiliteit en responstijd van de ethanolgassensor verbetert door Gong et al. [21]. Bovendien zou de gassensor ook kunnen werken bij een relatief lagere temperatuur die kan worden toegeschreven aan de geleidende elektronen in de ZnO-nanodraden die worden gegenereerd door UV-straling die de vermindering van ethanol bevorderen en dus leiden tot een hogere gevoeligheid en minder responstijd. Daarom is bestraling met UV-licht een van de geschikte methoden om de prestaties van de gassensor te verbeteren.
Voor zover wij weten, is het effect van UV-licht op het waterstofgas (H2 ) detectie-eigenschappen van CuO NW's zijn nog niet gerapporteerd. Daarom concentreerde onze studie zich op het effect van geactiveerd UV-licht op de waterstofgasdetectie-eigenschappen van CuO NW's bij kamertemperatuur en 100 ° C. De CuO NW's worden gekweekt met behulp van de thermische oxidatiemethode, omdat deze techniek een hogere kristalliniteit en langere aspectverhoudingen vertoont in vergelijking met de andere gerapporteerde methoden, zoals op oplossingen gebaseerde routes.
Resultaten en discussies
De morfologie van gegroeide CuO NW's wordt getoond in Fig. 1a. De afbeelding laat zien dat de meeste NW's vrij uitgelijnd en loodrecht op het oppervlak van het substraat zijn. Ondertussen toont Fig. 1b het TEM-beeld van verkregen zeer kristallijne CuO NW's. De inzetbeelden laten zien dat de diameter van de CuO NW 120 nm is. XRD-patroon in Afb. 1c komt overeen met de databasekaart:JCP2:00-045-0937 voor CuO en JCP2:00-005-0667 voor Cu2 O. Het laat zien dat de gesynthetiseerde CuO NW's een monokliene structuur hebben. Figuur 1d toont IV-karakteristiek van CuO NW's op Pt-elektroden met Ohms gedrag, aangezien Pt een hogere werkfunctie heeft (6,35 eV) in vergelijking met CuO (5,2 eV). Dit komt overeen met het feit dat Ohms gedrag wordt verkregen wanneer p-type halfgeleidercontact met materiaal met een hogere werkfunctie [22]. Tabel 1 toont de sensorrespons en stabiliteit van waterstofgassensor met en zonder de aanwezigheid van UV bij twee verschillende temperaturen (kamertemperatuur en 100 °C). De sensorrespons wordt gedefinieerd als S = \( \frac{I_g-{I}_a}{I_a}\times 100\% \), waarbij I g is de huidige stroom nadat het monster is blootgesteld aan het gas en I een is de initiële stroom voordat deze aan het gas wordt blootgesteld [23, 24].
een FESEM-beeld van de gegroeide CuO NW's. b TEM-beeld van CuO. c Röntgendiffractieprofiel van CuO-nanodraden. d IV kenmerken van CuO en Pt
Figuren 2 en 3 tonen de gasrespons in het donker en onder UV-belichting bij respectievelijk 100 °C. De resultaten laten zien dat de reacties van de gassensoren stabiel zijn. Tijdens bedrijfstemperatuur bij 100 ° C neemt de elektronenconcentratie voor de detectiereactie toe vanwege de voldoende thermische energie bij hogere temperatuur om de potentiële barrière te overwinnen [25]. De introductie van 365 nm UV-licht heeft de detectiestabiliteit van de CuO NW-sensor in de beginfase van de detectiecyclus aanzienlijk verbeterd. Het door UV geactiveerde monster kon in de eerste cyclus stabiliteit bereiken, vergeleken met het monster zonder UV-bestraling, dat ongeveer 10 cycli nodig had om stabiliteit te bereiken in de beginfase. Bovendien neemt de sensorrespons van de gassensor toe met de bestraling met UV-licht (~ -4,6%) vergeleken met zonder bestraling met UV-licht (~ -4,3%) zoals weergegeven in tabel 1. Daarom laten de resultaten zien dat LED met laag vermogen de sensorrespons zou kunnen verhogen met dezelfde temperatuur zonder een verhoging van de verwarmingstemperatuur, wat kan leiden tot meer vermogensverlies.
Waarnemingsgedrag van waterstofgas in het donker bij 100 ° C. een Maximum- en minimumpunt voor 100 cycli. b Reactie van CuO NWs-sensoren op waterstofgas
Detectiegedrag waterstofgas voor door UV geactiveerde sensor die werkt bij 100 ° C. een Maximum- en minimumpunt voor 100 cycli. b Reactie van CuO NWs-sensoren op waterstofgas
Figuren 4 en 5 tonen de gasrespons in het donker en onder UV-verlichting bij kamertemperatuur. Figuur 5 laat zien dat de stabiliteit van de gassensor na enige tijd redelijk goed is bij kamertemperatuur met behulp van UV-licht. De sensor begint te stabiliseren rond 9000 s. Figuur 5b toont een vergrote grafiek van 9000 tot 9500 s. De toename in sensorrespons wordt waargenomen van 0,0041 tot 0,0527% zonder en met behulp van UV-licht. Vergeleken met Fig. 4 zonder de UV-straling bij kamertemperatuur, is er geen teken van stabilisatie tot het einde van de test (12.000 s). De sensor met blootstelling aan UV-licht heeft ongeveer 2,5 uur nodig om "op te warmen" en kan daarna in stabiele toestand werken. Vergeleken met de sensor zonder de hulp van UV, blijft de geleidbaarheid afnemen en is de respons onstabiel. Dit kan te wijten zijn aan het geheugeneffect en sensorvergiftiging die normaal gesproken optreden bij kamertemperatuur [26, 27]. Het resultaat laat zien dat de sensor het potentieel heeft om bij kamertemperatuur te werken met behulp van UV zonder het gebruik van een energieverslindend verwarmingselement.
Waarnemingsgedrag van waterstofgas in het donker bij kamertemperatuur. een Maximum- en minimumpunt voor 100 cycli. b Reactie van CuO NWs-sensoren op waterstofgas
Waterstofgasdetectiegedrag voor UV-geactiveerde sensor bij kamertemperatuur. een Maximum- en minimumpunt voor 100 cycli. b Reactie van CuO NWs-sensoren op waterstofgas
Het detectiemechanisme van de waterstofgassensor zonder de bestraling van UV-licht wordt hieronder uitgelegd. Waterstofgas interageert met CuO NWs via de vooraf geadsorbeerde zuurstofionen op de CuO NWs-oppervlakken wanneer het CuO NWs wordt blootgesteld aan waterstof zoals beschreven in Vgl. (1) en (2). De vrije elektronen komen vrij aan CuO NW's als gevolg van de reacties tussen H2 moleculen en vooraf geadsorbeerde zuurstofionen en recombineren met de gaten in CuO NW's [Vgl. (3)]. Dit proces resulteert in een afname van de gatenconcentratie in de nanodraden en een toename van de weerstand [28].
$$ {\mathrm{H}}_2\left(\mathrm{ads}\right)+{\mathrm{O}}^{-}\ \left(\mathrm{ads}\right)\leftrightarrow {\mathrm {H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{e}}^{-} $$ (1) $$ {\mathrm{H}}_2\left(\mathrm{ads}\right)+{ \mathrm{O}}^{2-}\left(\mathrm{ads}\right)\leftrightarrow {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{2\mathrm{e}}^{-} $$ (2) $$ {\mathrm{e}}^{-}+\mathrm{h}\bullet \leftrightarrow \mathrm{Null} $$ (3)Bij bestraling van UV-licht worden de door foto gegenereerde elektronen- en gatenparen gecreëerd. Wanneer de gassensor wordt blootgesteld aan UV-licht, dragen fotogegenereerde gaten bij aan het geleidingsproces; ondertussen migreren fotogegenereerde elektronen naar het oppervlak [29]. Daarom zijn er meer elektronen beschikbaar voor de chemisorptie van O2 . Bovendien beïnvloedt UV-licht de chemisorptie- en desorptieprocessen door de energetische toestand van H2 te veranderen. gas op het CuO NW-oppervlak [30, 31]. Het hele proces versnelt de interactie tussen het oppervlak van de CuO NW's en H2 gas en verhoogt de reactie.
Conclusie
Als conclusie zijn de CuO NW's met succes gekweekt met behulp van een thermische oxidatiemethode, een goedkope, eenvoudige en niet-katalysatormethode. Waterstofgassensor met behulp van UV-licht is met succes vervaardigd. De dominante rol van UV-licht is het verbeteren van de gasdetectie-eigenschappen voor kamertemperatuur en 100 °C. De stabiliteit van de gassensor is zeer goed bij 100 °C bij een verhoogde bedrijfstemperatuur. Met de bestraling van UV-licht kon de sensor stabiliteit bereiken in de eerste cyclus in vergelijking met een sensor zonder UV-licht, waarvoor ongeveer 10 cycli nodig waren om stabiliteit te bereiken in de beginfase. De sensorrespons neemt ook toe met behulp van UV-licht. Daarom zijn we niet verplicht om een hogere bedrijfstemperatuur te gebruiken die veel stroom verbruikt. Daarnaast hebben we ontdekt dat de sensor met bestraling van UV-licht een groot potentieel heeft om bij lage temperatuur (kamertemperatuur) te werken, wat het verlies aan stroomverbruik kan verminderen. De stabiliteit en sensorrespons nemen toe met behulp van UV-licht.
Methode/experimenteel
Cr/Pt-elektrodenchip wordt vervaardigd door middel van een fotolithografieproces. De thermische oxidelaag (150 nm) werd gedurende 3 uur op siliciumsubstraat gekweekt als een isolerende laag onder een zuurstofstroom van 1500 sccm bij 1000 ° C. Vervolgens werd het substraat gedurende 40 s bij 3000 rpm gecentrifugeerd met 1 μm dikke positieve fotoresist (Futurrex PR1-1000A). Het zachtgebakken proces vond plaats vóór blootstelling aan UV bij 120 ° C gedurende 120 s. Vervolgens werd een verchroomd fotomasker met interdigitated elektrodepatroon op het monster overgebracht met blootstelling aan ultraviolet licht (356 nm) met een intensiteit van 2,41 mW/cm 2 met een belichtingstijd van 50 s. Cr/Pt (10 nm/150 nm) contactelektroden werden op het monster afgezet met behulp van het magnetronsputtersysteem NanoFilm en sputtercoater Baltec SCD 005 bij 2.0 × 10 − 5 Torr respectievelijk. Er is een opstijgproces uitgevoerd om het verwachte elektrodenpatroon te bereiken.
In dit experiment werden CuO NW's gekweekt op koperfolie met behulp van een thermisch oxidatieproces. Dit groeiproces duurt 6 uur met een gasstroom van 1500 sccm bij 600 ° C in zuurstofomgeving. De gegroeide CuO NW's werden gekarakteriseerd door veldemissie scanning elektronenmicroscoop (FESEM) Carl Zeiss Supra 55 VP, transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) JOEL JEM-2010 en röntgendiffractie (XRD) Bruker D8 Advance. Vervolgens wordt de gassensor gefabriceerd met behulp van de thermisch gegroeide CuO NW's. De laag van CuO NW's en Cu2 O dunne film werd op platina-elektroden overgebracht met de laag Cu2 O naar boven gericht en CuO NW's naar IDT-elektroden zoals weergegeven door inzet in Fig. 6. De actieve laag werd gevormd door de Cu2 O en CuO NW's; desalniettemin is de detectierespons voornamelijk te wijten aan CuO NW's in plaats van Cu2 O dunne film vanwege het hogere oppervlak-tot-volumeverhoudingsaspect van nanodraden. Hier, de laag van Cu2 O werd indirect gevormd tijdens het oxidatie- en gloeiproces bij hoge temperatuur. Daarna vond het gloeiproces plaats bij 400 °C gedurende 20 min in N2 ambient om het contact tussen de CuO NW's en interdigitale elektroden te verbeteren. Het algemene ontwerp van de apparaatstructuur wordt geïllustreerd in Afb. 6.
3D-apparaatstructuur van gassensor
Vervolgens werd de sensor tijdens het detectieproces in de kamer geplaatst, gevolgd door de massastroomregelaar die de stroom van de 100 ppm waterstof regelde (H2 ) gas en gezuiverde lucht gekocht van Air Products in de kamer gedurende 100 cycli bij kamertemperatuur en 100 °C met en zonder blootstelling van 3 mW/cm 2 intensiteit UV. De UV-bron werd gegenereerd door de 365 nm golflengte, 3,8 V en 2 mW LED gekocht bij VioLed International Inc. met serienummer 370-5C90. De huidige respons werd gevolgd door twee sondemetingen die op het sensorapparaat met het data-acquisitiesysteem werden geplaatst. De stroom-spanningskarakteristieken (I-V) werden vervolgens gemeten door de aangelegde spanning van -3 tot 3 V in een donkere omgeving bij kamertemperatuur te vegen met behulp van een Keithley 2400-stroombron. Dezelfde detectieresponsmeting werd uitgevoerd bij 100 ° C bovenop de verwarmingstrap (ATV Technologie Gmbh, TR-120 D). Er wordt een volledige detectiecyclus uitgevoerd in de volgorde lucht-H2 -lucht met een constant debiet van 50 sccm.
Nanomaterialen
- MQ2-gassensor werkt en zijn toepassingen
- MQ135-alcoholsensorcircuit en werkend
- embedded world 2021:een digitale neusgassensor met AI
- Welk type koperen leiding is het beste voor gasleidingen?
- IoT-miniaturisatie leidt tot miniatuur-schaal sensoren voor brandbaar gas
- Biogene synthese, karakterisering en antibacteriële potentiële evaluatie van koperoxide-nanodeeltjes tegen Escherichia coli
- Invloed van omstandigheden van vorming van Pd/SnO2 nanomateriaal op eigenschappen van waterstofsensoren
- Draagbare gassensor voor gezondheids- en milieubewaking
- Draagbare sensoren detecteren gaslekken
- Draagbare, rekbare gassensor
- Mq-3 gassensor： De ultieme gids voor een alcoholsensor