Ultraviolettlicht-unterstützter Wasserstoff-Gassensor aus Kupferoxid-Nanodrähten

Hintergrund

In den jüngsten Entwicklungen wurden verschiedene Arten von Gasen wie Wasserstoff, Ammoniak, Butan und Kohlenmonoxid in großem Umfang in der Industrie verwendet [1,2,3,4,5,6]. Verschiedene Metalloxide wie Kupferoxid, Zinnoxid , und Zinkoxid-basierte Gassensoren wurden aufgrund ihrer Vorteile, beispielsweise der geringen Herstellungskosten und der hohen Empfindlichkeit gegenüber gefährlichen Gasen, eingehend untersucht [7, 8]. Kupferoxid-Nanodraht (CuO NW) ist ein aufstrebendes Material, das aufgrund seines hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses für Gassensoren geeignet ist, um die Leistung des Sensors zu verbessern [9, 10]. Es wurde berichtet, dass CuO-NWs zum Nachweis verschiedener Gase wie Ethanol, Butan, Kohlenmonoxid, Ammoniak und Stickoxid geeignet sind [9,10,11]. Im Allgemeinen erforderten Gassensoren auf Metalloxidbasis eine hohe Betriebstemperatur, um eine hervorragende Erfassungsleistung zu erzielen. Eine hohe Betriebstemperatur kann jedoch zu einem hohen Stromverbrauch führen. Außerdem hat ein längerer Betrieb bei hohen Temperaturen Driftprobleme, die durch Sinter- und Diffusionsprozesse verursacht werden [12, 13]. Daher wurde die Erforschung einer neuen Methode ohne Verbesserung von Gassensoren auf Metalloxidbasis untersucht, um dieses Problem zu minimieren.

Über Oberflächenfunktionalisierung durch Dekorieren der Materialoberflächen mit Nanopartikeln, um die Empfindlichkeit und Selektivität des Gassensors gegenüber dem gefährlichen Gas auf chemischem Weg zu erhöhen, wurde an anderer Stelle berichtet [14, 15]. Diese Methode ist jedoch sehr kompliziert, da die Herstellung viele Chemikalien erfordert und viel Reaktionszeit benötigt, um die gewünschte Größe der Nanopartikel für die angestrebten Anwendungen einzustellen [16]. Um diese Komplikation zu vermeiden, versuchen einige Forscher, die Leistung des Gassensors zu verbessern, indem sie UV-Licht verwenden, um die photogenerierten Elektronen- und Lochpaare als alternativen Weg zu erzeugen, da dies keine komplizierte chemische Vorbereitung und damit Zeiteffizienz erfordert [17,18,19 ,20]. Darüber hinaus könnte die Verwendung von UV-Licht die alternative Lösung sein, um ein Aufheizen des Sensors zu vermeiden, und führt zu einer Reduzierung des Stromverbrauchs und zur Vermeidung der Sensorverschlechterung aufgrund der hohen Temperaturen, da herkömmliche Gassensoren hohe Temperaturen für den Betrieb und die Stabilität benötigen.

Berichte über die Verwendung von UV-verstärkten Indiumoxid- und Zinndioxidsensoren wurden von Comini et al. [20]. Es wurde berichtet, dass das UV-Licht die Erfassungsleistung von CO und NO₂ . verbessert Gassensor bei Raumtemperatur, der die Reaktion der Wechselwirkung auf dem Halbleiter erhöht. Außerdem haben Comini et al. berichteten auch, dass UV-Licht die Vergiftungswirkung der Gassensorik reduzieren kann, die die elektrischen Eigenschaften durch die Verstärkung des Desorptionsprozesses ziemlich irreversibel ändert [20]. Darüber hinaus wurde von Gong et al. berichtet, dass die Exposition gegenüber UV-Bestrahlung die Empfindlichkeit, Stabilität und Reaktionszeit des Ethanol-Gassensors verbessert. [21]. Darüber hinaus könnte der Gassensor auch bei relativ niedrigeren Temperaturen betrieben werden, was auf die leitenden Elektronen in den durch UV-Bestrahlung erzeugten ZnO-Nanodrähten zurückgeführt werden könnte, die die Reduktion von Ethanol fördern und somit zu einer höheren Empfindlichkeit und kürzeren Reaktionszeit führen. Daher ist die Bestrahlung mit UV-Licht eine der geeigneten Methoden, um die Leistung des Gassensors zu verbessern.

Unseres Wissens ist die Wirkung von UV-Licht auf das Wasserstoffgas (H₂ ) über die Sensoreigenschaften von CuO-NWs wurde noch nicht berichtet. Daher konzentrierte sich unsere Studie auf die Wirkung von aktiviertem UV-Licht auf die wasserstoffsensorischen Eigenschaften von CuO-NWs bei Raumtemperatur und 100 °C. Die CuO-NWs werden unter Verwendung einer thermischen Oxidationsmethode gezüchtet, da diese Technik eine höhere Kristallinität und längere Seitenverhältnisse im Vergleich zu den anderen berichteten Methoden wie lösungsbasierten Routen aufweist.

Ergebnisse und Diskussionen

Die Morphologie gewachsener CuO-NWs ist in Abb. 1a dargestellt. Das Bild zeigt, dass die meisten NWs recht ausgerichtet und senkrecht zur Oberfläche des Substrats sind. In der Zwischenzeit zeigt Abb. 1b das TEM-Bild von hochkristallinen CuO-NWs, die erhalten wurden. Die Nebenbilder zeigen, dass der Durchmesser des CuO-NW 120 nm beträgt. Das XRD-Muster in Abb. 1c stimmt mit der Datenbankkarte überein:JCP2:00-045-0937 für CuO und JCP2:00-005-0667 für Cu₂ O. Es zeigt, dass die synthetisierten CuO-NWs eine monokline Struktur haben. Abbildung 1d zeigt die I-V-Charakteristik von CuO-NWs auf Pt-Elektroden mit ohmschem Verhalten, da Pt eine höhere Austrittsarbeit (6,35 eV) im Vergleich zu CuO (5,2 eV) hat. Dies stimmt mit der Tatsache überein, dass ein ohmsches Verhalten erhalten wird, wenn ein Halbleiter vom p-Typ mit einem Material mit höherer Austrittsarbeit kontaktiert wird [22]. Tabelle 1 zeigt die Sensorreaktion und die Stabilität des Wasserstoffgassensors mit und ohne UV-Anteil bei zwei verschiedenen Temperaturen (Raumtemperatur und 100 °C). Die Sensorantwort ist definiert als S = \(\frac{I_g-{I}_a}{I_a}\times 100\%\), wobei I _g ist der Stromfluss, nachdem die Probe dem Gas ausgesetzt wurde und I _a ist der Anfangsstrom, bevor er dem Gas ausgesetzt wurde [23, 24].

a FESEM-Bild der gewachsenen CuO-NWs. b TEM-Aufnahme von CuO. c Röntgenbeugungsprofil von CuO-Nanodrähten. d IV-Eigenschaften von CuO und Pt

Die Abbildungen 2 und 3 zeigen die Gasreaktion im Dunkeln bzw. unter UV-Beleuchtung bei 100 °C. Die Ergebnisse zeigen, dass die Reaktionen der Gassensoren stabil sind. Bei einer Betriebstemperatur von 100 °C steigt die Elektronenkonzentration für die Sensorreaktion aufgrund der ausreichenden thermischen Energie bei höherer Temperatur, um die Potenzialbarriere zu überwinden [25]. Die Einführung des 365-nm-UV-Lichts hat die Erfassungsstabilität des CuO-NW-Sensors in der Anfangsphase des Erfassungszyklus erheblich verbessert. Die UV-aktivierte Probe konnte im ersten Zyklus Stabilität erreichen, verglichen mit der Probe ohne UV-Bestrahlung, die etwa 10 Zyklen benötigte, um im Anfangsstadium Stabilität zu erreichen. Darüber hinaus erhöht sich die Sensorreaktion des Gassensors mit UV-Licht-Bestrahlung (~ 4,6%) im Vergleich zu ohne UV-Licht-Bestrahlung (~   4,3%), wie in Tabelle 1 gezeigt. Daher zeigen die Ergebnisse, dass LEDs mit geringer Leistung die Sensorreaktion erhöhen können bei gleicher Temperatur ohne Erhöhung der Heiztemperatur, was zu mehr Verlustleistung führen kann.

Verhalten der Wasserstoffgassensorik im Dunkeln bei 100  ^° C. a Maximaler und minimaler Punkt für 100 Zyklen. b Reaktion von CuO-NWs-Sensoren auf Wasserstoffgas

Wasserstoffgas-Erfassungsverhalten für UV-aktivierten Sensor, der bei 100  ^° . arbeitet C. a Maximaler und minimaler Punkt für 100 Zyklen. b Reaktion von CuO-NWs-Sensoren auf Wasserstoffgas

Die Abbildungen 4 und 5 zeigen die Gasreaktion im Dunkeln und unter UV-Beleuchtung bei Raumtemperatur. Abbildung 5 zeigt, dass die Stabilität des Gassensors bei Raumtemperatur mit Hilfe von UV-Licht nach einiger Zeit recht gut ist. Der Sensor beginnt sich bei etwa 9000 s zu stabilisieren. Abbildung 5b zeigt eine vergrößerte Grafik von 9.000 bis 9.500 s. Die Zunahme der Sensorreaktion wird von 0,0041 auf 0,0527% ohne und mit Hilfe von UV-Licht beobachtet. Im Vergleich zu Abb. 4 ohne UV-Bestrahlung bei Raumtemperatur ist bis zum Testende (12.000 s) keine Stabilisierung zu erkennen. Der Sensor mit UV-Belichtung benötigt etwa 2,5 h zum „Aufwärmen“ und kann danach in stabilem Zustand arbeiten. Im Vergleich zum Sensor ohne UV-Unterstützung nimmt die Leitfähigkeit immer weiter ab und das Ansprechverhalten ist instabil. Dies könnte auf den Memory-Effekt und die Sensorvergiftung zurückzuführen sein, die normalerweise bei Raumtemperatur auftreten [26, 27]. Das Ergebnis zeigt, dass der Sensor bei Raumtemperatur mit Hilfe von UV ohne den Einsatz eines stromhungrigen Heizelements betrieben werden kann.

Verhalten der Wasserstoffgassensorik im Dunkeln bei Raumtemperatur. a Maximaler und minimaler Punkt für 100 Zyklen. b Reaktion von CuO-NWs-Sensoren auf Wasserstoffgas

Wasserstoffgas-Erfassungsverhalten für UV-aktivierten Sensor bei Raumtemperatur. a Maximaler und minimaler Punkt für 100 Zyklen. b Reaktion von CuO-NWs-Sensoren auf Wasserstoffgas

Der Erfassungsmechanismus des Wasserstoffgassensors ohne die Bestrahlung mit UV-Licht wird unten erklärt. Wasserstoffgas wechselwirkt mit CuO-NWs durch die voradsorbierten Sauerstoffionen auf den CuO-NWs-Oberflächen, wenn die CuO-NWs Wasserstoff ausgesetzt werden, wie in Gl. (1) und (2). Die freien Elektronen werden aufgrund der Reaktionen zwischen H₂ . an CuO-NWs abgegeben Moleküle und voradsorbierte Sauerstoffionen und rekombinieren mit den Löchern in CuO-NWs [Gl. (3)]. Dieser Prozess führt zu einer Verringerung der Lochkonzentration in den Nanodrähten und einer Erhöhung des Widerstands [28].

Bei Bestrahlung mit UV-Licht werden die photogenerierten Elektron-Loch-Paare erzeugt. Wenn der Gassensor UV-Licht ausgesetzt wird, tragen durch Licht erzeugte Löcher zum Leitungsprozess bei; währenddessen wandern photogenerierte Elektronen an die Oberfläche [29]. Daher stehen mehr Elektronen für die Chemisorption von O₂ . zur Verfügung . Darüber hinaus beeinflusst UV-Licht die Chemisorptions- und Desorptionsprozesse, indem es den energetischen Zustand von H₂ . verändert Gas auf der CuO-NW-Oberfläche [30, 31]. Der gesamte Prozess beschleunigt die Wechselwirkung zwischen der Oberfläche der CuO-NWs und H₂ Gas und erhöht die Reaktion.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die CuO-NWs erfolgreich unter Verwendung eines thermischen Oxidationsverfahrens gezüchtet wurden, das ein billiges, einfaches und nicht-katalytisches Verfahren ist. Wasserstoffgassensor mit Hilfe von UV-Licht wurde erfolgreich hergestellt. Die dominierende Rolle von UV-Licht besteht darin, die Gassensoreigenschaften bei Raumtemperatur und 100 °C zu verbessern. Die Stabilität des Gassensors ist bei 100 °C bei erhöhter Betriebstemperatur sehr gut. Bei Bestrahlung mit UV-Licht konnte der Sensor im ersten Zyklus Stabilität erreichen, verglichen mit einem Sensor ohne UV-Licht, der etwa 10 Zyklen benötigt, um im Anfangsstadium Stabilität zu erreichen. Auch das Ansprechverhalten des Sensors wird mit Hilfe von UV-Licht gesteigert. Daher ist es nicht erforderlich, eine höhere Betriebstemperatur zu verwenden, die viel Energie verbraucht. Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass der Sensor bei Bestrahlung mit UV-Licht ein großes Potenzial hat, bei niedriger Temperatur (Raumtemperatur) zu arbeiten, was den Verlustleistungsverbrauch reduzieren kann. Die Stabilität und das Ansprechverhalten des Sensors werden mit Hilfe von UV-Licht gesteigert.

Methode/Experimental

Der Cr/Pt-Elektrodenchip wird durch einen Photolithographieprozess hergestellt. Die thermische Oxidschicht (150 nm) wurde auf einem Siliziumsubstrat als isolierende Schicht unter einem Sauerstofffluss von 1500 sccm bei 1000 °C für 3 h gezüchtet. Dann wurde das Substrat mit 1 μm dickem positivem Fotolack (Futurrex PR1-1000A) bei 3000 U/min 40 s lang schleuderbeschichtet. Vor der UV-Belichtung bei 120 °C für 120 s fand ein Soft-Bak-Prozess statt. Als nächstes wurde eine Chrom-Fotomaske mit einem ineinandergreifenden Elektrodenmuster auf die Probe übertragen, indem ultraviolettes Licht (356 nm) mit einer Intensität von 2,41 mW/cm ² . belichtet wurde mit 50 s Belichtungszeit. Cr/Pt (10 nm/150 nm) Kontaktelektroden wurden auf der Probe unter Verwendung des Magnetron-Sputtersystems NanoFilm und des Sputter-Beschichters Baltec SCD 005 bei 2,0 × 10 ^– 5 . abgeschieden Torr bzw. Der Abhebeprozess wurde durchgeführt, um das erwartete Elektrodenmuster zu erreichen.

In diesem Experiment wurden CuO-NWs auf Kupferfolie unter Verwendung eines thermischen Oxidationsprozesses gezüchtet. Dieser Wachstumsprozess dauert 6 h mit einem Gasfluss von 1500 sccm bei 600 °C in einer Sauerstoffumgebung. Die gewachsenen CuO-NWs wurden durch Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FESEM) Carl Zeiss Supra 55 VP, Transmissionselektronenmikroskop (TEM) JOEL JEM-2010 und Röntgenbeugung (XRD) Bruker D8 Advance charakterisiert. Dann wird der Gassensor unter Verwendung der thermisch gewachsenen CuO-NWs hergestellt. Die Schicht aus CuO NWs und Cu₂ O-Dünnfilm wurde auf Platinelektroden mit der Schicht aus Cu₂ . übertragen O gegenüber der Oberseite und CuO-NWs gegenüber IDT-Elektroden, wie durch den Einschub in Fig. 6 dargestellt. Die aktive Schicht wurde durch das Cu₂ . gebildet O- und CuO-NWs; dennoch ist die Sensorreaktion hauptsächlich auf CuO-NWs und nicht auf Cu₂ . zurückzuführen O Dünnfilm wegen des höheren Oberflächen-Volumen-Verhältnisses von Nanodrähten. Hier die Schicht aus Cu₂ O wurde indirekt während des Hochtemperatur-Oxidations- und Glühprozesses gebildet. Danach erfolgte der Temperprozess bei 400 °C für 20 Minuten in N₂ Umgebungstemperatur, um den Kontakt zwischen den CuO-NWs und den ineinandergreifenden Elektroden zu verbessern. Das Gesamtdesign der Gerätestruktur ist in Abb. 6 dargestellt.

3D-Gerätestruktur des Gassensors

Als nächstes wurde der Sensor während des Messvorgangs in der Kammer platziert, gefolgt vom Massendurchflussregler, der den Durchfluss des 100 ppm Wasserstoff (H₂ ) von Air Products gekauftes Gas und gereinigte Luft in die Kammer für 100 Zyklen bei Raumtemperatur und 100 °C mit und ohne Exposition von 3 mW/cm ² Intensität UV. Die UV-Quelle wurde durch die 365 nm Wellenlänge, 3,8 V und 2 mW-LED erzeugt, die von VioLed International Inc. mit der Seriennummer 370-5C90 gekauft wurde. Die Stromantwort wurde durch zwei Sondenmessungen überwacht, die an der Sensorvorrichtung mit dem Datenerfassungssystem angebracht wurden. Die Strom-Spannungs-(I-V)-Eigenschaften wurden dann gemessen, indem die angelegte Spannung von – 3 bis 3 V in dunkler Umgebung bei Raumtemperatur unter Verwendung der Keithley 2400-Stromquelle gewobbelt wurde. Die gleiche Messung des Ansprechverhaltens wurde bei 100 °C oben auf der Heizstufe durchgeführt (ATV Technologie Gmbh, TR-120 D). Ein vollständiger Messzyklus wird in der Reihenfolge Luft-H₂ . durchgeführt -Luft mit einer konstanten Durchflussmenge von 50 sccm.