Óxido de metal heteronanoestrutural

Microsystems & Nanoengineering volume 8, Número do artigo: 85 (2022) Citar este artigo

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O desenvolvimento de sensores de gás miniaturizados, portáteis e de alto desempenho tem despertado interesse crescente nas áreas de monitoramento ambiental, segurança, diagnóstico médico e agricultura. Entre as diferentes ferramentas de detecção, os sensores de gás quimiorresistivos baseados em semicondutores de óxido de metal (MOS) são a escolha mais popular em aplicações comerciais e têm as vantagens de alta estabilidade, baixo custo e alta sensibilidade. Uma das maneiras mais importantes de melhorar ainda mais o desempenho do sensor é construir heterojunções em nanoescala baseadas em MOS (MOSs heteronanoestruturais) a partir de nanomateriais MOS. No entanto, o mecanismo de detecção de sensores baseados em MOS heteronanoestruturais é diferente daquele dos sensores de gás baseados em MOS simples, pois é bastante complexo. O desempenho dos sensores é influenciado por vários parâmetros, incluindo as propriedades físicas e químicas dos materiais de detecção (por exemplo, tamanho do grão, densidade de defeitos e lacunas de oxigênio dos materiais), temperaturas de trabalho e estruturas do dispositivo. Esta revisão introduz vários conceitos no projeto de sensores de gás de alto desempenho, analisando o mecanismo de detecção de sensores baseados em MOS heteronanoestruturais. Além disso, é discutida a influência da estrutura geométrica do dispositivo determinada pela interligação entre os materiais sensores e os eletrodos de trabalho. Para investigar sistematicamente o comportamento de detecção do sensor, o mecanismo de detecção geral de três tipos típicos de estruturas geométricas de dispositivos baseados em diferentes materiais heteronanoestruturais são apresentados e discutidos nesta revisão. Esta revisão fornecerá diretrizes para os leitores que estudam o mecanismo de detecção de sensores de gás e projetam sensores de gás de alto desempenho no futuro.

A poluição do ar está se tornando uma preocupação crescente e um grave problema ambiental mundial que ameaça o bem-estar dos seres humanos e dos organismos. A inalação de gases poluentes pode causar muitos problemas de saúde, como doenças respiratórias, câncer de pulmão, leucemia e até morte precoce1,2,3,4. É relatado que, de 2012 a 2016, milhões de pessoas morreram devido à poluição do ar e bilhões de pessoas enfrentam a má qualidade do ar todos os anos5. Portanto, é importante desenvolver sensores de gás portáteis e miniaturizados que possam fornecer feedback em tempo real e alto desempenho de detecção (por exemplo, sensibilidade, seletividade, estabilidade e tempo de resposta e recuperação). Além do monitoramento ambiental, os sensores de gás também desempenham um papel crucial na segurança6,7,8, diagnóstico médico9,10, aquicultura11 e outros campos12.

Até o momento, vários tipos de sensores de gás portáteis baseados em diferentes mecanismos de detecção, como sensores ópticos13,14,15,16,17,18, eletroquímicos19,20,21,22 e quimiorresistivos23,24, foram disponibilizados. Dentre eles, os sensores quimiorresistivos baseados em semicondutores de óxido metálico (MOS) são os mais populares em aplicações comerciais devido à sua alta estabilidade e baixo custo25,26. A concentração de poluentes pode ser obtida simplesmente detectando mudanças na resistência dos MOSs. No início da década de 1960, foi relatado o primeiro sensor quimiorresistivo de gás baseado em filme de ZnO, que despertou grande interesse na área de sensoriamento de gases27,28. Até o momento, muitos MOSs diferentes foram usados como materiais de detecção de gás e podem ser divididos em duas classes de acordo com suas propriedades físicas: MOSs do tipo n, onde os elétrons são os portadores de carga majoritários e MOSs do tipo p, onde os buracos são a carga majoritária. transportadoras. Normalmente, os MOSs do tipo p são menos populares do que os MOSs do tipo n porque a resposta de detecção de um MOS do tipo p (Sp) é proporcional à raiz quadrada de um MOS do tipo n (\(S_p = \sqrt {S_n}\ )) sob as mesmas presunções (por exemplo, mesmas configurações morfológicas e mesmas alterações de flexão de banda no ar)29,30. No entanto, as aplicações práticas de sensores únicos baseados em MOS ainda encontram alguns problemas, como limite de detecção insuficiente e baixa sensibilidade e seletividade. A questão da seletividade pode ser abordada até certo ponto construindo matrizes de sensores, conhecidas como "narizes eletrônicos", e combinando algoritmos de análise computacional, como quantização vetorial de aprendizado (LVQ), análise de componentes principais (PCA) e mínimos quadrados parciais (PLS). análise31,32,33,34,35. Além disso, a fabricação de MOSs32,36,37,38,39 de baixa dimensão (por exemplo, nanomateriais unidimensionais (1D), 0D e 2D) e modificação de MOSs de backbone com outros nanomateriais (por exemplo, MOSs40,41,42, nobres nanopartículas metálicas (NPs)43,44, nanomateriais de carbono45,46 e polímeros condutores47,48) para construir heterojunções em nanoescala (ou seja, MOSs heteronanoestruturais) são as outras abordagens preferidas para lidar com as questões acima mencionadas. Em comparação com filmes MOS espessos convencionais, MOSs de baixa dimensão com grandes áreas de superfície específica podem fornecer mais locais de ativação para adsorção de gás e facilitar a difusão de gás36,37,49. Além disso, o design de heteronanoestruturas baseadas em MOS pode modular ainda mais o transporte de portadores na heterointerface, levando a maiores mudanças de resistência devido às diferentes funções de trabalho50,51,52. Além disso, alguns efeitos químicos (por exemplo, atividade catalítica e reações sinérgicas de superfície) provenientes do projeto de heteronnanoestruturas MOS também podem melhorar o desempenho do sensor50,53,54. Embora o projeto e a construção de heteronanoestruturas baseadas em MOS sejam uma abordagem promissora para melhorar o desempenho do sensor, os sensores quimiorresistivos atuais geralmente usam uma abordagem do tipo tentativa e erro, que é demorada e ineficiente. Portanto, é importante entender o mecanismo de detecção de sensores de gás baseados em MOS, pois pode fornecer uma diretriz para o projeto direcional de sensores de alto desempenho.

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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