UV-verbeterde koperoxide nanodraad sensor voor snelle waterstofdetectie bij kamertemperatuur

Achtergrond

In recente ontwikkelingen zijn verschillende typen gassen zoals waterstof, ammoniak, butaan en koolstofmonoxide uitgebreid gebruikt in industrieën [1,2,3,4,5,6]. Diverse metaaloxiden zoals koperoxide, tin oxide en zinkoxide-gebaseerde gassensoren zijn uitgebestudeerd vanwege hun voordelen, zoals lage fabricagekosten en hoge gevoeligheid voor gevaarlijke gassen [7, 8]. Koperoxide nanodraad (CuO NW) is een opkomend materiaal geschikt voor gassensor vanwege zijn hoge oppervlakte-tot-volume verhouding om de sensorprestaties te verbeteren [9, 10]. Er is gerapporteerd dat CuO NWs geschikt zijn voor detectie van diverse gassen zoals ethanol, butaan, koolstofmonoxide, ammoniak en stikstofoxide [9,10,11]. Over het algemeen vereisen metaaloxide-gebaseerde gassensoren hoge bedrijfstemperaturen om uitstekende sensoringprestaties te bereiken. Hoge bedrijfstemperaturen kunnen echter leiden tot hoog stroomverbruik. Ook langdurige operatie bij hoge temperaturen heeft driftproblemen veroorzaakt door sintering en diffusieprocessen [12, 13]. Daarom is het verkennen van een nieuwe methode zonder verbetering van metaaloxide-gebaseerde gassensoren onderzocht om dit probleem te minimaliseren.

Oppervlaktefunctionaliserende door het decoreren van materiaaloppervlakken met nanopartikels om de gevoeligheid en selectiviteit van de gassensor te verbeteren richting gevaarlijke gassen via chemische route is elders gerapporteerd [14, 15]. Deze methode is echter erg gecompliceerd omdat de bereiding veel chemicaliën omvat en veel reactietijd verbruikt om de gewenste grootte van de nanopartikels af te stemmen voor de beoogde toepassingen [16]. Om deze complicatie te vermijden, proberen sommige onderzoekers de prestaties van de gassensor te verbeteren door UV-licht te gebruiken om fotogegenereerde elektronen en gaten paren te creëren als een alternatieve route omdat het geen gecompliceerde chemische bereiding vereist en dus tijdsefficiënt is [17,18,19,20]. Bovendien kan het gebruik van UV-licht de alternatieve oplossing zijn om het verwarmen van de sensor te vermijden en resulteert in het verminderen van het stroomverbruik en het vermijden van sensordegradatie door hoge temperaturen aangezien conventionele gassensoren hoge temperaturen vereisen om te opereren en stabiliteit te bereiken.

Rapport over het gebruik van UV-verbeterde indiumoxide en tin dioxide sensoren is bestudeerd door Comini et al. [20]. Het is gerapporteerd dat UV-licht de sensoringprestaties van de CO en NO₂ gassensor bij kamertemperatuur verbetert wat de reactie van de interactie op de halfgeleider verhoogt. Daarnaast rapporteerde Comini et al. ook dat UV-licht het vergiftigingseffect van gassensing kan verminderen wat de elektrische eigenschappen vrij onomkeerbaar verandert door het desorptieproces te verbeteren [20]. Bovendien is gerapporteerd dat blootstelling aan UV-bestraaling de gevoeligheid, stabiliteit en responstijd van ethanol gassensor verbetert door Gong et al. [21]. Bovendien kan de gassensor ook bij relatief lagere temperatuur opereren wat toegeschreven kan worden aan de geleidende elektronen in de ZnO nanodraden gegenereerd door UV-bestraaling die de reductie van ethanol bevorderen en dus leiden tot hogere gevoeligheid en minder responstijd. Daarom is bestraling van UV-licht een van de geschikte methoden om de prestaties van de gassensor te verbeteren.

Ons weten, het effect van UV-licht op de waterstofgas (H₂) sensoringeigenschappen van CuO NWs is nog niet gerapporteerd. Daarom richtte onze studie zich op het effect van geactiveerd UV-licht op de waterstofgas-sensoringeigenschappen van CuO NWs bij kamertemperatuur en 100 °C. De CuO NWs zijn gegroeid door thermische oxidatiemethode omdat deze techniek hogere kristalliniteit en langere aspectratio's vertoont vergeleken met andere gerapporteerde methoden zoals oplossingsgebaseerde routes.

Resultaten en Discussies

De morfologie van gegroeide CuO NWs wordt getoond in Fig. 1a. De afbeelding toont dat de meeste NWs redelijk uitgelijnd en loodrecht op het oppervlak van het substraat zijn. Tegenovergesteld, Fig. 1b toont de TEM afbeelding van hoogkristallijne CuO NWs verkregen. De inset afbeeldingen tonen dat de diameter van de CuO NW 120 nm is. XRD patroon in Fig. 1c matcht de databasekaart: JCP2:00-045-0937 voor CuO en JCP2:00-005-0667 voor Cu₂O. Het toont dat de gesynthetiseerde CuO NWs een monokliene structuur hebben. Figuur 1d toont I-V karakteristiek van CuO NWs op Pt elektroden met Ohmisch gedrag aangezien Pt een hogere werkfunctie heeft (6,35 eV) vergeleken met CuO (5,2 eV). Dit stemt overeen met het feit dat Ohmisch gedrag verkregen wordt wanneer p-type halfgeleider contact maakt met hogere werkfunctie materiaal [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 is gedefinieerd als S = \( \frac{I_g-{I}_a}{I_a}\times 100\% \), waar I _g de stroom is na blootstelling van het monster aan het gas en I _a de initiële stroom vóór blootstelling aan het gas [23, 24].

a FESEM afbeelding van de gegroeide CuO NWs. b TEM afbeelding van CuO. c Röntgendiffractie profiel van CuO nanodraden. d IV karakteristieken van CuO en Pt

Figuren 2 en 3 tonen de gasrespons in het donker en onder UV-verlichting bij 100 °C respectievelijk. De resultaten tonen dat de respons van de gassensoren stabiel is. Tijdens bedrijfstemperatuur bij 100 °C neemt elektronenconcentratie voor de sensoringreactie toe voldoende thermische energie bij hogere temperatuur om de potentieelbarrière te overwinnen [25]. Het introduceren van de 365-nm UV-licht heeft de sensoringstabiliteit van de CuO NW sensor in de initiële fase van de sensoringcyclus aanzienlijk verbeterd. Het UV-geactiveerde monster kon stabiliteit bereiken in de eerste cyclus, vergeleken met het monster zonder UV-bestraaling dat ongeveer 10 cycli nodig had om stabiliteit te bereiken in de initiële fase. Bovendien neemt de sensorrespons van de gassensor toe met UV-lichtbestraaling (~ 4,6%) vergeleken met zonder UV-lichtbestraaling (~ 4,3%) zoals getoond in Tabel 1. Daarom tonen de resultaten aan dat lage-vermogen LED de sensorrespons kan verhogen met dezelfde temperatuur zonder een verhoging van de verwarmingstemperatuur wat meer stroomverlies kan leiden.

Waterstofgassensorge gedrag in het donker bij 100 ^°C. a Maximum en minimum punt voor 100 cycli. b Respons van CuO NWs sensoren richting waterstofgas

Waterstofgassensorge gedrag voor UV geactiveerde sensor werkend bij 100 ^°C. a Maximum en minimum punt voor 100 cycli. b Respons van CuO NWs sensoren richting waterstofgas

Figuren 4 en 5 presenteren de gasrespons in het donker en onder UV-verlichting bij kamertemperatuur. Figuur 5 toont dat de stabiliteit van de gassensor redelijk goed is bij kamertemperatuur met de hulp van UV-licht na enige tijd. De sensor begint te stabiliseren bij ongeveer 9000 s. Figuur 5b toont een vergroot grafiek van 9000 tot 9500 s. De toename in sensorrespons wordt waargenomen van 0,0041 tot 0,0527% zonder en met hulp van UV-licht. Vergeleken met Fig. 4 zonder UV-bestraaling 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 conditie werken. Vergeleken met de sensor zonder de hulp van UV, blijft de geleiding afnemen en is de respons onstabiel. Dit kan te wijten zijn aan het geheugeneffect en sensorvergiftiging die normaal bij kamertemperatuur optreden [26, 27]. Het resultaat toont aan dat de sensor potentieel heeft om bij kamertemperatuur te opereren met de hulp van UV zonder het gebruik van stroomzittende verwarmingselementen.

Waterstofgassensorge gedrag in het donker bij kamertemperatuur. a Maximum en minimum punt voor 100 cycli. b Respons van CuO NWs sensoren richting waterstofgas

Waterstofgassensorge gedrag voor UV geactiveerde sensor bij kamertemperatuur. a Maximum en minimum punt voor 100 cycli. b Respons van CuO NWs sensoren richting waterstofgas

2 moleculen en voor-geadsorbeerde zuurstofionen en hercombineren met de gaten in CuO NWs [Verg. (3)]. Dit proces resulteert in de afname van gatconcentratie in de nanodraden en toename in de weerstand [28].

Bij bestraling van UV-licht worden fotogegenereerde elektronen en gaten paren gecreëerd. Wanneer de gassensor blootgesteld wordt aan UV-licht, dragen fotogegenereerde gaten bij aan het geleidingsproces; tegelijkertijd migreren fotogegenereerde elektronen naar het oppervlak [29]. Daarom zijn meer elektronen beschikbaar voor de chemisorptie van O₂. Bovendien beïnvloedt UV-licht de chemisorptie- en desorptieprocessen door de energetische toestand van H₂ gas op het CuO NW oppervlak te veranderen [30, 31]. Het hele proces versnelt de interactie tussen het oppervlak van de CuO NWs en H₂ gas en verhoogt de reactie.

Conclusie

Als conclusie, de CuO NWs zijn met succes gegroeid door thermische oxidatiemethode wat goedkoop, simpel en niet-katalytische methode is. Waterstofgassensor met de hulp van UV-licht is met succes gefabriceerd. De dominante rol van UV-licht is om de gassensoringeigenschappen te verbeteren voor kamertemperatuur en 100 °C. De stabiliteit van de gassensor is erg goed bij 100 °C waar het in verhoogde bedrijfstemperatuur is. Met de bestraling van UV-licht kan de sensor stabiliteit bereiken in de eerste cyclus vergeleken met sensor zonder UV-licht die ongeveer 10 cycli nodig had om stabiliteit te bereiken in de initiële fase. De sensorrespons neemt ook toe met de hulp van UV-licht. Daar hoeven we geen hogere bedrijfstemperatuur te gebruiken die hoog stroomverbruik consumeert. Bovendien hebben we gevonden dat de sensor met bestraling van UV-licht een groot potentieel heeft om bij lage temperatuur (kamertemperatuur) te opereren wat het stroomverbruik kan verminderen. De stabiliteit en sensorrespons nemen toe met de hulp van UV-licht.

Methode/Experimenteel

Cr/Pt elektroden chip is gefabriceerd door fotolithografieproces. De thermische oxide (150 nm) laag werd gegroeid op silicium substraat als een isolerende laag onder 1500 sccm zuurstofstroom bij 1000 °C gedurende 3 uur. Vervolgens werd het substraat gespincote met 1 µm dik positieve fotoresist (Futurrex PR1-1000A) bij 3000 toer/min gedurende 40 s. Zacht-bakproces vond plaats voor UV-blootstelling bij 120 °C gedurende 120 s. Vervolgens werd chroom fotomasker met interdigitated elektrodenpatroon overgedragen op het monster met blootstelling aan ultraviolet licht (356 nm) onder de intensiteit van 2,41 mW/cm² met 50 s blootstellingstijd. Cr/Pt (10 nm/150 nm) contactelektroden werden gedeponeerd op het monster met magnetron sputtering systeem NanoFilm en sputter coater Baltec SCD 005 bij 2,0 × 10⁻⁵ Torr respectievelijk. Lift-off proces was uitgevoerd om het verwachte elektrodenpatroon te bereiken.

In dit experiment werden CuO NWs gegroeid op koperfolie door gebruik te maken van een thermische oxidatieproces. Dit groeiproces duurt 6 uur met 1500 sccm gasstroom bij 600 °C in zuurstofomgeving. De gegroeide CuO NWs 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 werd de gassensor gefabriceerd met behulp van de thermisch gegroeide CuO NWs. De laag van CuO NWs en Cu₂O dunne film werd overgedragen op de platinumelektroden met de laag van Cu₂O naar boven gericht en CuO NWs gericht naar IDT elektroden zoals afgebeeld door inset in Fig. 6. De actieve laag werd gevormd door de Cu₂O en CuO NWs; niettemin is de sensoringrespons voornamelijk te wijten aan CuO NWs in plaats van Cu₂O dunne film vanwege de hogere oppervlakte-tot-volume verhouding van nanodraden. Hier werd de laag van Cu₂O indirect gevormd tijdens de hoge-temperatuur oxidatie en aannealingsproces. Daarna werd aannealingsproces plaatsgevonden bij 400 °C gedurende 20 min in N₂ omgeving om de contact tussen de CuO NWs en interdigitated elektroden te verbeteren. De algehele apparatenstructuurontwerp is geïllustreerd in Fig. 6.

3D apparaatstructuur van gassensor

Vervolgens werd de sensor in de kamer geplaatst tijdens het senseringsproces gevolgd door de massastroomcontroller die de stroom van de 100 ppm waterstof (H₂) gas en zuivere lucht aangeschaft van Air Products in de kamer controleerde voor 100 cycli bij kamertemperatuur en 100 °C met en zonder de blootstelling van 3 mW/cm² intensiteit UV. De UV-bron werd gegenereerd door de 365 nm golflengte, 3,8 V en 2 mW LED aangeschaft van VioLed International Inc. met serienummer 370-5C90. De stroomrespons werd gemonitord door twee meetpuntmetingen op het sensorapparaat met het data-acquisitiesysteem. De stroom-spanning (I-V) karakteristieken werden toen gemeten door de toegepaste spanning te sweepen van −3 tot 3 V in donkere omgeving bij kamertemperatuur met behulp van Keithley 2400 stroombron. Dezelfde sensoringresponsmeting werd uitgevoerd bij 100 °C bovenop de verwarmingsfase (ATV Technologie Gmbh, TR-120 D). Een complete sensoringcyclus wordt uitgevoerd in de volgorde lucht-H₂-lucht bij een constante stroomsnelheid van 50 sccm.