• คาร์บอนมอนอกไซด์ในร่มก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มีเทนคลอรีนและเครื่องตรวจจับก๊าซแบบหลายพารามิเตอร์อื่น ๆ

คาร์บอนมอนอกไซด์ในร่มก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มีเทนคลอรีนและเครื่องตรวจจับก๊าซแบบหลายพารามิเตอร์อื่น ๆ

การพัฒนาเซ็นเซอร์ก๊าซประสิทธิภาพสูง แบบพกพาและขนาดเล็ก กำลังได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นในด้านการตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อม ความปลอดภัย การวินิจฉัยทางการแพทย์ และการเกษตรในบรรดาเครื่องมือตรวจจับต่างๆ เซ็นเซอร์ก๊าซที่ต้านเคมีของโลหะออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์ (MOS) เป็นตัวเลือกที่ได้รับความนิยมมากที่สุดสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ เนื่องจากมีความเสถียรสูง ต้นทุนต่ำ และความไวสูงหนึ่งในแนวทางที่สำคัญที่สุดในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ต่อไปคือการสร้าง heterojunctions ที่ใช้นาโนขนาดนาโนอย่างไรก็ตาม กลไกการตรวจจับของเซ็นเซอร์ MOS แบบ heteronanostructured นั้นแตกต่างจากเซ็นเซอร์ก๊าซ MOS ตัวเดียว เนื่องจากค่อนข้างซับซ้อนประสิทธิภาพของเซนเซอร์ได้รับผลกระทบจากพารามิเตอร์ต่างๆ รวมถึงคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของวัสดุที่มีความละเอียดอ่อน (เช่น ขนาดเกรน ความหนาแน่นของข้อบกพร่อง และช่องว่างของออกซิเจนของวัสดุ) อุณหภูมิในการทำงาน และโครงสร้างอุปกรณ์การทบทวนนี้นำเสนอแนวคิดหลายประการสำหรับการออกแบบเซ็นเซอร์ก๊าซประสิทธิภาพสูงโดยการวิเคราะห์กลไกการตรวจจับของเซ็นเซอร์ MOS ที่มีโครงสร้างระดับนาโนต่างกันนอกจากนี้ยังกล่าวถึงอิทธิพลของโครงสร้างทางเรขาคณิตของอุปกรณ์ซึ่งกำหนดโดยความสัมพันธ์ระหว่างวัสดุที่มีความละเอียดอ่อนกับอิเล็กโทรดที่ใช้งานได้เพื่อศึกษาพฤติกรรมเซ็นเซอร์อย่างเป็นระบบ บทความนี้จะแนะนำและอภิปรายเกี่ยวกับกลไกทั่วไปของการรับรู้ของโครงสร้างทางเรขาคณิตทั่วไปสามแบบของอุปกรณ์ตามวัสดุที่มีโครงสร้างต่างกันภาพรวมนี้จะใช้เป็นแนวทางสำหรับผู้อ่านในอนาคตที่ศึกษากลไกที่ละเอียดอ่อนของเซ็นเซอร์ก๊าซและพัฒนาเซ็นเซอร์ก๊าซประสิทธิภาพสูง
มลพิษทางอากาศเป็นปัญหาที่ร้ายแรงขึ้นเรื่อยๆ และเป็นปัญหาสิ่งแวดล้อมระดับโลกที่ร้ายแรงที่คุกคามความเป็นอยู่ที่ดีของผู้คนและสิ่งมีชีวิตการสูดดมก๊าซมลพิษอาจทำให้เกิดปัญหาสุขภาพมากมาย เช่น โรคระบบทางเดินหายใจ มะเร็งปอด มะเร็งเม็ดเลือดขาว และแม้กระทั่งการเสียชีวิตก่อนวัยอันควร1,2,3,4ตั้งแต่ปี 2555 ถึง 2559 มีรายงานว่าผู้คนหลายล้านเสียชีวิตจากมลพิษทางอากาศ และในแต่ละปี ผู้คนหลายพันล้านคนต้องเผชิญกับคุณภาพอากาศที่ไม่ดี5ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญในการพัฒนาเซ็นเซอร์ก๊าซแบบพกพาและย่อขนาดที่สามารถให้ข้อเสนอแนะแบบเรียลไทม์และประสิทธิภาพการตรวจจับสูง (เช่น ความไว การเลือก ความเสถียร และเวลาตอบสนองและการกู้คืน)นอกจากการตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อมแล้ว เซ็นเซอร์ก๊าซยังมีบทบาทสำคัญในความปลอดภัย6,7,8 การวินิจฉัยทางการแพทย์9,10 การเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ11 และสาขาอื่นๆ12
จนถึงปัจจุบัน มีการแนะนำเซ็นเซอร์ก๊าซแบบพกพาหลายตัวตามกลไกการตรวจจับที่แตกต่างกัน เช่น ออปติคัล13,14,15,16,17,18, เคมีไฟฟ้า19,20,21,22 และเซ็นเซอร์ต้านทานสารเคมี23,24ในหมู่พวกเขา เซ็นเซอร์ต้านทานสารเคมีโลหะออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์ (MOS) เป็นที่นิยมมากที่สุดในการใช้งานเชิงพาณิชย์เนื่องจากมีความเสถียรสูงและต้นทุนต่ำ25,26ความเข้มข้นของสารปนเปื้อนสามารถกำหนดได้ง่ายๆ โดยการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงความต้านทาน MOSในช่วงต้นทศวรรษ 1960 มีการรายงานเซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซที่ต้านทานเคมีตัวแรกที่ใช้ฟิล์มบางของ ZnO ซึ่งสร้างความสนใจอย่างมากในด้านการตรวจจับก๊าซ27,28ทุกวันนี้ MOS ที่แตกต่างกันจำนวนมากถูกใช้เป็นวัสดุที่ไวต่อแก๊ส และสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทตามคุณสมบัติทางกายภาพของพวกมัน: MOS ชนิด n ที่มีอิเล็กตรอนเป็นตัวพาประจุส่วนใหญ่ และ MOS ชนิด p ที่มีรูเป็นตัวพาประจุส่วนใหญ่ผู้ให้บริการชาร์จโดยทั่วไป MOS ชนิด p นั้นได้รับความนิยมน้อยกว่า MOS ชนิด n เนื่องจากการตอบสนองเชิงอุปนัยของ MOS ชนิด p (Sp) เป็นสัดส่วนกับรากที่สองของ MOS ชนิด n (\(S_p = \sqrt { S_n}\ ) ) ที่สมมติฐานเดียวกัน (เช่น โครงสร้างทางสัณฐานวิทยาเดียวกันและการเปลี่ยนแปลงการโค้งงอของแถบในอากาศแบบเดียวกัน) 29,30อย่างไรก็ตาม เซ็นเซอร์ MOS แบบฐานเดียวยังคงประสบปัญหา เช่น ขีดจำกัดการตรวจจับไม่เพียงพอ ความไวต่ำ และการเลือกในการใช้งานจริงปัญหาการคัดเลือกสามารถแก้ไขได้ในระดับหนึ่งโดยการสร้างอาร์เรย์ของเซ็นเซอร์ (เรียกว่า "จมูกอิเล็กทรอนิกส์") และผสมผสานอัลกอริธึมการวิเคราะห์เชิงคำนวณ เช่น การฝึกอบรมเวคเตอร์ควอนไทเซชัน (LVQ) การวิเคราะห์องค์ประกอบหลัก (PCA) และการวิเคราะห์กำลังสองน้อยที่สุด (PLS) บางส่วน 32, 33, 34, 35 นอกจากนี้ การผลิต MOS32,36,37,38,39 มิติต่ำ (เช่น 1 มิติ (1D), 0D และ 2D nanomaterials) ตลอดจนการใช้วัสดุนาโนอื่น ๆ ( เช่น MOS40,41,42 อนุภาคนาโนโลหะมีตระกูล (NPs))43,44 วัสดุนาโนคาร์บอน 45,46 และพอลิเมอร์ที่นำไฟฟ้า 47,48) เพื่อสร้าง heterojunctions ระดับนาโน (เช่น MOS heteronanostructured) เป็นแนวทางอื่นที่ต้องการในการแก้ปัญหาข้างต้นเมื่อเทียบกับฟิล์ม MOS แบบหนาทั่วไป MOS มิติต่ำที่มีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงสามารถให้ไซต์แอคทีฟมากขึ้นสำหรับการดูดซับก๊าซและอำนวยความสะดวกในการแพร่กระจายของก๊าซ36,37,49นอกจากนี้ การออกแบบโครงสร้าง heteronanostructure แบบ MOS ยังสามารถปรับการขนส่งของผู้ให้บริการเพิ่มเติมที่ heterointerface ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในความต้านทานเนื่องจากฟังก์ชันการทำงานที่แตกต่างกัน50,51,52นอกจากนี้ ผลกระทบทางเคมีบางอย่าง (เช่น ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาและปฏิกิริยาพื้นผิวที่ทำงานร่วมกัน) ที่เกิดขึ้นในการออกแบบโครงสร้างเฮเทอโรนาโนของ MOS ยังสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ได้50,53,54 แม้ว่าการออกแบบและสร้างโครงสร้างเฮเทอโรนาโนของ MOS จะเป็นแนวทางที่มีแนวโน้มว่าจะปรับปรุง ประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ เซ็นเซอร์ต้านทานเคมีสมัยใหม่มักใช้การลองผิดลองถูก ซึ่งใช้เวลานานและไม่มีประสิทธิภาพดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องเข้าใจกลไกการตรวจจับของเซ็นเซอร์ก๊าซที่ใช้ MOS เนื่องจากสามารถเป็นแนวทางในการออกแบบเซ็นเซอร์ทิศทางที่มีประสิทธิภาพสูงได้
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เซ็นเซอร์ก๊าซ MOS ได้พัฒนาอย่างรวดเร็ว และรายงานบางฉบับได้รับการเผยแพร่เกี่ยวกับโครงสร้างนาโนของ MOS55,56,57 เซ็นเซอร์ก๊าซอุณหภูมิห้อง 58,59 วัสดุเซ็นเซอร์ MOS พิเศษ60,61,62 และเซ็นเซอร์ก๊าซพิเศษ63กระดาษทบทวนในบทวิจารณ์อื่น ๆ มุ่งเน้นไปที่การอธิบายกลไกการตรวจจับของเซ็นเซอร์ก๊าซโดยพิจารณาจากคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่แท้จริงของ MOS รวมถึงบทบาทของตำแหน่งว่างของออกซิเจน 64 บทบาทของโครงสร้าง heteronanostructures 55, 65 และการถ่ายโอนประจุที่ heterointerfaces 66 นอกจากนี้ พารามิเตอร์อื่นๆ มากมายส่งผลต่อประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ รวมถึงโครงสร้าง heterostructure ขนาดเกรน อุณหภูมิในการทำงาน ความหนาแน่นของข้อบกพร่อง ตำแหน่งที่ว่างของออกซิเจน และแม้แต่ระนาบคริสตัลแบบเปิดของวัสดุที่มีความละเอียดอ่อน25,67,68,69,70,7172, 73 อย่างไรก็ตาม โครงสร้างทางเรขาคณิต (ที่กล่าวถึงไม่บ่อย) ของอุปกรณ์ ซึ่งกำหนดโดยความสัมพันธ์ระหว่างวัสดุที่ตรวจจับได้กับอิเล็กโทรดที่ใช้งานได้ ก็ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อความไวของเซ็นเซอร์เช่นกัน 74,75,76 (ดูหัวข้อที่ 3 สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม) .ตัวอย่างเช่น Kumar และคณะ77 รายงานเซ็นเซอร์ก๊าซสองตัวโดยอิงจากวัสดุเดียวกัน (เช่น เซ็นเซอร์ก๊าซสองชั้นตาม TiO2@NiO และ NiO@TiO2) และสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงที่แตกต่างกันในความต้านทานก๊าซ NH3 เนื่องจากรูปทรงของอุปกรณ์ต่างกันดังนั้น เมื่อวิเคราะห์กลไกการตรวจวัดก๊าซ จึงต้องคำนึงถึงโครงสร้างของอุปกรณ์ด้วยในการทบทวนนี้ ผู้เขียนมุ่งเน้นไปที่กลไกการตรวจหาตาม MOS สำหรับโครงสร้างนาโนและโครงสร้างอุปกรณ์ที่ต่างกันเราเชื่อว่าการทบทวนนี้สามารถใช้เป็นแนวทางสำหรับผู้อ่านที่ต้องการทำความเข้าใจและวิเคราะห์กลไกการตรวจจับก๊าซ และสามารถนำไปสู่การพัฒนาเซ็นเซอร์ก๊าซประสิทธิภาพสูงในอนาคต
ในรูป1a แสดงแบบจำลองพื้นฐานของกลไกการตรวจวัดก๊าซโดยใช้ MOS เดียวเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น การดูดซับโมเลกุลของออกซิเจน (O2) บนพื้นผิว MOS จะดึงดูดอิเล็กตรอนจาก MOS และสร้างสปีชีส์ประจุลบ (เช่น O2- และ O-)จากนั้นจึงสร้างชั้นการสูญเสียอิเล็กตรอน (EDL) สำหรับ MOS ชนิด n หรือชั้นสะสมของรู (HAL) สำหรับ MOS ชนิด p ขึ้นบนพื้นผิวของ MOS 15, 23, 78 อันตรกิริยาระหว่าง O2 และ MOS ทำให้แถบการนำไฟฟ้าของพื้นผิว MOS โค้งงอขึ้นและสร้างสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นต่อจากนั้น เมื่อเซ็นเซอร์สัมผัสกับก๊าซเป้าหมาย ก๊าซที่ดูดซับบนพื้นผิวของ MOS จะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนชนิดไอออนิก ไม่ว่าจะเป็นการดึงดูดอิเล็กตรอน (ก๊าซออกซิไดซ์) หรือการบริจาคอิเล็กตรอน (ก๊าซลด)การถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างก๊าซเป้าหมายและ MOS สามารถปรับความกว้างของ EDL หรือ HAL30,81 ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความต้านทานโดยรวมของเซ็นเซอร์ MOSตัวอย่างเช่น สำหรับก๊าซรีดิวซ์ อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนจากแก๊สรีดิวซ์ไปยัง MOS ชนิด n ส่งผลให้ EDL ต่ำลงและความต้านทานต่ำลง ซึ่งเรียกว่าพฤติกรรมของเซ็นเซอร์ชนิด nในทางตรงกันข้าม เมื่อ MOS ชนิด p สัมผัสกับก๊าซลดที่กำหนดพฤติกรรมความไวของชนิด p HAL จะหดตัวและความต้านทานจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากการบริจาคอิเล็กตรอนสำหรับก๊าซออกซิไดซ์ การตอบสนองของเซ็นเซอร์จะตรงกันข้ามกับการตอบสนองของก๊าซที่ลดปริมาณลง
กลไกการตรวจจับพื้นฐานสำหรับ MOS ชนิด n และ p สำหรับลดและออกซิไดซ์ก๊าซ b ปัจจัยสำคัญและคุณสมบัติทางเคมีกายภาพหรือวัสดุที่เกี่ยวข้องกับเซ็นเซอร์ก๊าซเซมิคอนดักเตอร์ 89
นอกเหนือจากกลไกการตรวจจับพื้นฐานแล้ว กลไกการตรวจจับก๊าซที่ใช้ในเซ็นเซอร์ก๊าซที่ใช้งานได้จริงนั้นค่อนข้างซับซ้อนตัวอย่างเช่น การใช้งานจริงของเซ็นเซอร์ก๊าซต้องเป็นไปตามข้อกำหนดหลายประการ (เช่น ความไว การเลือกสรร และความเสถียร) ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความต้องการของผู้ใช้ข้อกำหนดเหล่านี้เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของวัสดุที่มีความละเอียดอ่อนตัวอย่างเช่น Xu et al.71 แสดงให้เห็นว่าเซ็นเซอร์ที่ใช้ SnO2 มีความไวสูงสุดเมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางคริสตัล (d) เท่ากับหรือน้อยกว่าสองเท่าของความยาว Debye (λD) ของ SnO271เมื่อ d ≤ 2λD SnO2 จะหมดลงอย่างสมบูรณ์หลังจากการดูดซับของโมเลกุล O2 และการตอบสนองของเซ็นเซอร์ต่อก๊าซลดจะสูงสุดนอกจากนี้ พารามิเตอร์อื่นๆ มากมายอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ ซึ่งรวมถึงอุณหภูมิในการทำงาน ข้อบกพร่องของผลึก และแม้แต่ระนาบผลึกที่เปิดเผยของวัสดุตรวจจับโดยเฉพาะอย่างยิ่ง อิทธิพลของอุณหภูมิในการทำงานอธิบายได้จากการแข่งขันที่เป็นไปได้ระหว่างอัตราการดูดซับและการคายดูดซับของก๊าซเป้าหมาย ตลอดจนปฏิกิริยาที่พื้นผิวระหว่างโมเลกุลของก๊าซที่ดูดซับและอนุภาคออกซิเจน4,82ผลกระทบของข้อบกพร่องคริสตัลมีความสัมพันธ์อย่างมากกับเนื้อหาของตำแหน่งงานว่างออกซิเจน [83, 84]การทำงานของเซ็นเซอร์อาจได้รับผลกระทบจากปฏิกิริยาที่แตกต่างกันของหน้าปัดคริสตัลแบบเปิด67,85,86,87ระนาบคริสตัลแบบเปิดที่มีความหนาแน่นต่ำกว่าเผยให้เห็นไอออนบวกของโลหะที่ไม่ประสานกันมากขึ้นด้วยพลังงานที่สูงขึ้น ซึ่งส่งเสริมการดูดซับพื้นผิวและการเกิดปฏิกิริยา88ตารางที่ 1 แสดงปัจจัยสำคัญหลายประการและกลไกการรับรู้ที่ได้รับการปรับปรุงที่เกี่ยวข้องดังนั้น การปรับพารามิเตอร์วัสดุเหล่านี้จึงสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการตรวจจับได้ และการพิจารณาปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์จึงเป็นสิ่งสำคัญ
Yamazoe89 และ Shimanoe et al.68,71 ได้ทำการศึกษาจำนวนหนึ่งเกี่ยวกับกลไกทางทฤษฎีของการรับรู้ของเซ็นเซอร์และเสนอปัจจัยหลักอิสระสามประการที่มีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ โดยเฉพาะฟังก์ชันตัวรับ ฟังก์ชันตัวแปลงสัญญาณ และอรรถประโยชน์ (รูปที่ 1b).ฟังก์ชันตัวรับหมายถึงความสามารถของพื้นผิว MOS ในการโต้ตอบกับโมเลกุลของแก๊สฟังก์ชันนี้เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับคุณสมบัติทางเคมีของ MOS และสามารถปรับปรุงได้อย่างมีนัยสำคัญโดยการแนะนำตัวรับจากต่างประเทศ (เช่น NP ที่เป็นโลหะและ MOS อื่นๆ)ฟังก์ชันตัวแปลงสัญญาณหมายถึงความสามารถในการแปลงปฏิกิริยาระหว่างแก๊สและพื้นผิว MOS ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าที่ควบคุมโดยขอบเขตเกรนของ MOSดังนั้น การทำงานของประสาทสัมผัสจึงได้รับผลกระทบอย่างมากจากขนาดอนุภาคของ MOC และความหนาแน่นของตัวรับจากภายนอกKatoch et al.90 รายงานว่าการลดขนาดเกรนของ ZnO-SnO2 nanofibrils ส่งผลให้เกิด heterojunctions จำนวนมากและความไวของเซ็นเซอร์ที่เพิ่มขึ้น ซึ่งสอดคล้องกับการทำงานของทรานสดิวเซอร์Wang et al.91 เปรียบเทียบขนาดเกรนต่างๆ ของ Zn2GeO4 และแสดงให้เห็นถึงความไวของเซ็นเซอร์ที่เพิ่มขึ้น 6.5 เท่าหลังจากแนะนำขอบเขตเกรนยูทิลิตี้เป็นอีกหนึ่งปัจจัยด้านประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์หลักที่อธิบายความพร้อมใช้งานของก๊าซกับโครงสร้าง MOS ภายในหากโมเลกุลของแก๊สไม่สามารถเจาะและทำปฏิกิริยากับ MOS ภายในได้ ความไวของเซ็นเซอร์จะลดลงประโยชน์นี้มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความลึกของการแพร่กระจายของก๊าซชนิดหนึ่ง ซึ่งขึ้นอยู่กับขนาดรูพรุนของวัสดุตรวจจับซาไก et al.92 จำลองความไวของเซ็นเซอร์ต่อก๊าซไอเสีย และพบว่าทั้งน้ำหนักโมเลกุลของก๊าซและรัศมีรูพรุนของเมมเบรนเซ็นเซอร์ส่งผลต่อความไวของเซ็นเซอร์ที่ระดับความลึกของการแพร่กระจายก๊าซที่แตกต่างกันในเมมเบรนของเซ็นเซอร์การอภิปรายข้างต้นแสดงให้เห็นว่าเซ็นเซอร์ก๊าซประสิทธิภาพสูงสามารถพัฒนาได้โดยการปรับสมดุลและเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของตัวรับ ฟังก์ชันตัวแปลงสัญญาณ และอรรถประโยชน์
งานข้างต้นชี้แจงกลไกการรับรู้พื้นฐานของ MOS เดียว และกล่าวถึงปัจจัยหลายประการที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของ MOSนอกจากปัจจัยเหล่านี้แล้ว เซ็นเซอร์ก๊าซตามโครงสร้างเฮเทอโรยังสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์เพิ่มเติมได้ด้วยการปรับปรุงการทำงานของเซ็นเซอร์และตัวรับอย่างมีนัยสำคัญนอกจากนี้ โครงสร้างเฮเทอโรนาโนยังสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์เพิ่มเติมโดยการเพิ่มปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา ควบคุมการถ่ายโอนประจุ และสร้างไซต์การดูดซับเพิ่มเติมจนถึงปัจจุบัน มีการศึกษาเซ็นเซอร์ก๊าซจำนวนมากตามโครงสร้างเฮเทอโรนาโนของ MOS เพื่อหารือเกี่ยวกับกลไกสำหรับการตรวจจับขั้นสูง 95,96,97มิลเลอร์และคณะ55 สรุปกลไกหลายอย่างที่มีแนวโน้มว่าจะปรับปรุงความไวของโครงสร้างเฮเทอโรนาโน ซึ่งรวมถึงขึ้นอยู่กับพื้นผิว ขึ้นอยู่กับส่วนต่อประสาน และขึ้นอยู่กับโครงสร้างในหมู่พวกเขา กลไกการขยายสัญญาณที่ขึ้นกับอินเทอร์เฟซนั้นซับซ้อนเกินไปที่จะครอบคลุมการโต้ตอบของอินเทอร์เฟซทั้งหมดในทฤษฎีเดียว เนื่องจากสามารถใช้เซ็นเซอร์ต่างๆ ที่ยึดตามวัสดุที่มีโครงสร้างต่างกัน (เช่น nn-heterojunction, pn-heterojunction, pp-heterojunction เป็นต้น) .ปม Schottky)โดยทั่วไปแล้ว เซ็นเซอร์ที่มีโครงสร้างแบบเฮเทอโรนาโนที่มีโครงสร้างเป็นพื้นฐาน MOS มักจะมีกลไกเซ็นเซอร์ขั้นสูงตั้งแต่สองตัวขึ้นไป 98,99,100ผลเสริมฤทธิ์กันของกลไกการขยายเสียงเหล่านี้สามารถปรับปรุงการรับสัญญาณและการประมวลผลสัญญาณเซ็นเซอร์ได้ดังนั้น การทำความเข้าใจกลไกการรับรู้ของเซ็นเซอร์โดยใช้วัสดุโครงสร้างนาโนที่ต่างกันจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการช่วยให้นักวิจัยพัฒนาเซ็นเซอร์ก๊าซจากล่างขึ้นบนตามความต้องการของพวกเขานอกจากนี้ โครงสร้างทางเรขาคณิตของอุปกรณ์ยังสามารถส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อความไวของเซ็นเซอร์ 74, 75, 76 เพื่อวิเคราะห์พฤติกรรมของเซ็นเซอร์อย่างเป็นระบบ กลไกการตรวจวัดของโครงสร้างอุปกรณ์สามแบบตามวัสดุที่มีโครงสร้างต่างกันจะถูกนำเสนอ และกล่าวถึงด้านล่าง
ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเซ็นเซอร์ก๊าซที่ใช้ MOS จึงมีการเสนอ MOS ที่มีโครงสร้างนาโนเฮเทอโรหลายแบบการถ่ายโอนประจุที่อินเทอร์เฟซต่างกันขึ้นอยู่กับระดับ Fermi (Ef) ที่แตกต่างกันของส่วนประกอบที่เฮเทอโรอินเทอร์เฟซ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากด้านหนึ่งด้วย Ef ที่ใหญ่กว่าไปยังอีกด้านหนึ่งด้วย Ef ที่เล็กกว่า จนกระทั่งระดับ Fermi ของพวกมันถึงสมดุล และรู ในทางกลับกันจากนั้นตัวพาที่ heterointerface จะหมดลงและสร้างชั้นที่หมดลงเมื่อเซ็นเซอร์สัมผัสกับก๊าซเป้าหมาย ความเข้มข้นของตัวพา MOS ที่มีโครงสร้างแบบ heteronanostructured จะเปลี่ยนไป เช่นเดียวกับความสูงของสิ่งกีดขวาง ซึ่งจะช่วยเพิ่มสัญญาณการตรวจจับนอกจากนี้ วิธีการต่างๆ ในการสร้างโครงสร้างเฮเทอโรนาโนทำให้เกิดความสัมพันธ์ที่แตกต่างกันระหว่างวัสดุและอิเล็กโทรด ซึ่งนำไปสู่รูปทรงของอุปกรณ์ที่แตกต่างกันและกลไกการตรวจจับที่แตกต่างกันในการทบทวนนี้ เราเสนอโครงสร้างอุปกรณ์เรขาคณิตสามโครงสร้างและอภิปรายกลไกการตรวจจับสำหรับแต่ละโครงสร้าง
แม้ว่าทางแยกต่างทิศทางจะมีบทบาทสำคัญในประสิทธิภาพการตรวจจับก๊าซ แต่รูปทรงของอุปกรณ์ของเซ็นเซอร์ทั้งหมดก็มีอิทธิพลอย่างมากต่อพฤติกรรมการตรวจจับเช่นกัน เนื่องจากตำแหน่งของช่องสัญญาณการนำเซ็นเซอร์จะขึ้นอยู่กับรูปทรงของอุปกรณ์เป็นอย่างมากมีการกล่าวถึงรูปทรงทั่วไปสามแบบของอุปกรณ์ MOS แบบ heterojunction ดังแสดงในรูปที่ 2 ในประเภทแรก การเชื่อมต่อ MOS สองรายการจะถูกสุ่มกระจายระหว่างขั้วไฟฟ้าสองขั้ว และตำแหน่งของช่องนำไฟฟ้าจะถูกกำหนดโดย MOS หลัก ส่วนที่สองคือ การก่อตัวของโครงสร้างนาโนที่ต่างกันจาก MOS ที่แตกต่างกัน ในขณะที่ MOS เพียงตัวเดียวที่เชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดอิเล็กโทรดเชื่อมต่อแล้วช่องนำไฟฟ้ามักจะอยู่ภายใน MOS และเชื่อมต่อโดยตรงกับอิเล็กโทรดในประเภทที่สาม วัสดุสองชนิดจะติดกับอิเล็กโทรดสองขั้วแยกกัน นำทางอุปกรณ์ผ่านทางแยกที่เกิดขึ้นระหว่างวัสดุทั้งสอง
ยัติภังค์ระหว่างสารประกอบ (เช่น “SnO2-NiO”) บ่งชี้ว่าส่วนประกอบทั้งสองนั้นผสมกันอย่างง่าย ๆ (ประเภท I)เครื่องหมาย “@” ระหว่างจุดเชื่อมต่อสองจุด (เช่น “SnO2@NiO”) ระบุว่าวัสดุนั่งร้าน (NiO) ตกแต่งด้วย SnO2 สำหรับโครงสร้างเซ็นเซอร์ประเภท IIเครื่องหมายทับ (เช่น “NiO/SnO2”) หมายถึงการออกแบบเซ็นเซอร์ประเภท III
สำหรับเซ็นเซอร์ก๊าซที่อิงจากคอมโพสิต MOS องค์ประกอบ MOS สองชิ้นจะถูกกระจายแบบสุ่มระหว่างอิเล็กโทรดมีการพัฒนาวิธีการประดิษฐ์มากมายเพื่อเตรียมคอมโพสิต MOS รวมถึงโซลเจล การตกตะกอนร่วม ไฮโดรเทอร์มอล อิเล็กโตรสปินนิ่ง และวิธีการผสมทางกล98,102,103,104เมื่อเร็วๆ นี้ กรอบโครงสร้างโลหะ-อินทรีย์ (MOFs) ซึ่งเป็นกลุ่มของวัสดุโครงสร้างผลึกที่มีรูพรุนซึ่งประกอบด้วยศูนย์กลางโลหะและตัวเชื่อมโยงอินทรีย์ ได้ถูกนำมาใช้เป็นแม่แบบสำหรับการผลิตคอมโพสิต MOS ที่มีรูพรุน105,106,107,108เป็นที่น่าสังเกตว่าแม้ว่าเปอร์เซ็นต์ของคอมโพสิต MOS จะเท่ากัน แต่ลักษณะความไวอาจแตกต่างกันมากเมื่อใช้กระบวนการผลิตที่แตกต่างกัน109,110 ตัวอย่างเช่น Gao et al.109 ประดิษฐ์เซ็นเซอร์สองตัวโดยใช้วัสดุผสม MoO3±SnO2 ที่มีอัตราส่วนอะตอมเท่ากัน ( Mo:Sn = 1:1.9) และพบว่าวิธีการแปรรูปที่แตกต่างกันทำให้เกิดความไวที่แตกต่างกันShaposhnik และคณะ110 รายงานว่าปฏิกิริยาของ SnO2-TiO2 ที่ตกตะกอนร่วมกับ H2 ที่เป็นก๊าซนั้นแตกต่างจากปฏิกิริยาของวัสดุผสมทางกลไก แม้จะอยู่ที่อัตราส่วน Sn/Ti เท่ากันความแตกต่างนี้เกิดขึ้นเนื่องจากความสัมพันธ์ระหว่างขนาดผลึก MOP และ MOP แตกต่างกันไปตามวิธีการสังเคราะห์ที่แตกต่างกัน109,110เมื่อขนาดและรูปร่างของเกรนมีความสอดคล้องกันในแง่ของความหนาแน่นของผู้บริจาคและประเภทเซมิคอนดักเตอร์ การตอบสนองควรยังคงเหมือนเดิมหากรูปทรงการสัมผัสไม่เปลี่ยนแปลง 110Staerz และคณะ111 รายงานว่าลักษณะการตรวจจับของนาโนไฟเบอร์ SnO2-Cr2O3 core-sheath (CSN) และ CSN ของ SnO2-Cr2O3 ภาคพื้นดินนั้นใกล้เคียงกันมาก ซึ่งบ่งชี้ว่าสัณฐานวิทยาของนาโนไฟเบอร์ไม่ได้ให้ประโยชน์ใดๆ
นอกจากวิธีการผลิตที่แตกต่างกันแล้ว ประเภทเซมิคอนดักเตอร์ของ MOSFET ที่แตกต่างกันทั้งสองชนิดยังส่งผลต่อความไวของเซ็นเซอร์ด้วยสามารถแบ่งได้อีกเป็นสองประเภทขึ้นอยู่กับว่า MOSFET ทั้งสองชนิดเป็นเซมิคอนดักเตอร์ชนิดเดียวกัน (จุดเชื่อมต่อ nn หรือ pp) หรือประเภทอื่น (จุดเชื่อมต่อ pn)เมื่อเซ็นเซอร์ก๊าซใช้วัสดุผสม MOS ที่เป็นประเภทเดียวกัน โดยการเปลี่ยนอัตราส่วนโมลาร์ของ MOS ทั้งสอง ลักษณะการตอบสนองต่อความไวจะยังคงไม่เปลี่ยนแปลง และความไวของเซ็นเซอร์จะแตกต่างกันไปตามจำนวน nn- หรือ pp-heterojunctionsเมื่อองค์ประกอบหนึ่งมีมากกว่าในคอมโพสิต (เช่น 0.9 ZnO-0.1 SnO2 หรือ 0.1 ZnO-0.9 SnO2) ช่องสัญญาณการนำไฟฟ้าจะถูกกำหนดโดย MOS ที่โดดเด่น ซึ่งเรียกว่าช่องสัญญาณการนำ homojunction 92เมื่ออัตราส่วนของส่วนประกอบทั้งสองเปรียบเทียบกันได้ จะถือว่าช่องนำไฟฟ้าถูกครอบงำโดยทางแยก98,102ยามาโซเอะและคณะ112,113 รายงานว่าบริเวณเฮเทอโรคอนแทคของส่วนประกอบทั้งสองสามารถปรับปรุงความไวของเซ็นเซอร์ได้อย่างมาก เนื่องจากสิ่งกีดขวางทางแยกต่างที่เกิดขึ้นจากการทำงานที่แตกต่างกันของส่วนประกอบสามารถควบคุมการเคลื่อนที่ของเซ็นเซอร์ที่สัมผัสกับอิเล็กตรอนได้อย่างมีประสิทธิภาพก๊าซแวดล้อมต่างๆ 112,113ในรูปรูปที่ 3a แสดงให้เห็นว่าเซ็นเซอร์ตามโครงสร้างแบบลำดับชั้นเส้นใย SnO2-ZnO ที่มีปริมาณ ZnO ต่างกัน (ตั้งแต่ 0 ถึง 10 โมล % Zn) สามารถเลือกตรวจจับเอทานอลได้ในหมู่พวกเขา เซ็นเซอร์ที่ใช้เส้นใย SnO2-ZnO (7 โมล.% Zn) แสดงความไวสูงสุดเนื่องจากการก่อตัวของ heterojunctions จำนวนมากและการเพิ่มขึ้นของพื้นที่ผิวจำเพาะ ซึ่งเพิ่มการทำงานของตัวแปลงและปรับปรุง ความไว 90 อย่างไรก็ตาม ด้วยปริมาณ ZnO ที่เพิ่มขึ้นอีกเป็น 10 โมล.% โครงสร้างจุลภาค SnO2-ZnO สามารถห่อหุ้มพื้นที่เปิดใช้งานพื้นผิวและลดความไวของเซ็นเซอร์85นอกจากนี้ยังสังเกตเห็นแนวโน้มที่คล้ายกันสำหรับเซ็นเซอร์ที่ใช้ NiO-NiFe2O4 pp heterojunction คอมโพสิตที่มีอัตราส่วน Fe/Ni ต่างกัน (รูปที่ 3b)114
ภาพ SEM ของเส้นใย SnO2-ZnO (7 โมล.% Zn) และการตอบสนองของเซ็นเซอร์ต่อก๊าซต่างๆ ที่มีความเข้มข้น 100 ppm ที่ 260 °C;54b การตอบสนองของเซ็นเซอร์ที่อิงจากวัสดุผสม NiO และ NiO-NiFe2O4 บริสุทธิ์ที่ 50 ppm ของก๊าซต่างๆ 260 °C;114 ( c) แผนผังของจำนวนโหนดในองค์ประกอบ xSnO2- (1-x)Co3O4 และปฏิกิริยาความต้านทานและความไวที่สอดคล้องกันขององค์ประกอบ xSnO2- (1-x)Co3O4 ต่อ 10 ppm CO, อะซิโตน, C6H6 และ SO2 ก๊าซที่อุณหภูมิ 350 °C โดยการเปลี่ยนอัตราส่วนโมลาร์ของ Sn/Co 98
คอมโพสิต pn-MOS แสดงพฤติกรรมความไวที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับอัตราส่วนอะตอมของ MOS115โดยทั่วไป พฤติกรรมทางประสาทสัมผัสของคอมโพสิต MOS นั้นขึ้นอยู่กับว่า MOS ทำหน้าที่เป็นช่องทางการนำไฟฟ้าหลักสำหรับเซ็นเซอร์อย่างไรดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญมากที่จะต้องกำหนดลักษณะร้อยละขององค์ประกอบและโครงสร้างนาโนของคอมโพสิตKim et al.98 ยืนยันข้อสรุปนี้โดยการสังเคราะห์ชุดนาโนไฟเบอร์คอมโพสิต xSnO2 ± (1-x)Co3O4 โดยอิเล็กโตรสปินนิ่งและศึกษาคุณสมบัติของเซ็นเซอร์พวกเขาสังเกตว่าพฤติกรรมของเซ็นเซอร์คอมโพสิต SnO2-Co3O4 เปลี่ยนจาก n-type เป็น p-type โดยการลดเปอร์เซ็นต์ของ SnO2 (รูปที่ 3c)98นอกจากนี้ เซ็นเซอร์แบบ heterojunction-dominated (อิงตาม 0.5 SnO2-0.5 Co3O4) แสดงอัตราการส่งข้อมูลสูงสุดสำหรับ C6H6 เมื่อเทียบกับเซ็นเซอร์แบบ homojunction-dominant (เช่น เซ็นเซอร์ SnO2 หรือ Co3O4 สูง)ความต้านทานสูงโดยธรรมชาติของเซ็นเซอร์ 0.5 SnO2-0.5 Co3O4 และความสามารถที่มากขึ้นในการปรับความต้านทานของเซ็นเซอร์โดยรวมทำให้เกิดความไวสูงสุดต่อ C6H6นอกจากนี้ ข้อบกพร่องที่ไม่ตรงกันของโครงตาข่ายที่เกิดจากอินเทอร์เฟซเฮเทอโร SnO2-Co3O4 สามารถสร้างตำแหน่งการดูดซับพิเศษสำหรับโมเลกุลของแก๊ส ซึ่งช่วยเพิ่มการตอบสนองของเซ็นเซอร์109,116
นอกจาก MOS ประเภทเซมิคอนดักเตอร์แล้ว พฤติกรรมการสัมผัสของคอมโพสิต MOS ยังสามารถปรับแต่งได้โดยใช้คุณสมบัติทางเคมีของ MOS-117Huo et al.117 ใช้วิธีการแช่-อบอย่างง่ายเพื่อเตรียมคอมโพสิต Co3O4-SnO2 และพบว่าที่อัตราส่วนโมลาร์ Co/Sn ที่ 10% เซ็นเซอร์แสดงการตอบสนองการตรวจจับ p-type ต่อ H2 และความไวของ n-type ต่อ H2.การตอบสนอง.การตอบสนองของเซ็นเซอร์ต่อก๊าซ CO, H2S และ NH3 แสดงไว้ในรูปที่ 4a117ที่อัตราส่วน Co/Sn ต่ำ homojunctions จำนวนมากก่อตัวขึ้นที่ขอบเขตนาโนเกรน SnO2±SnO2 และแสดงการตอบสนองของเซ็นเซอร์ประเภท n ต่อ H2 (รูปที่ 4b,c)115ด้วยการเพิ่มอัตราส่วน Co/Sn ถึง 10 โมล%, แทนที่จะเป็นโฮโมจังชันของ SnO2-SnO2, เฮเทอโรจังก์ชัน Co3O4-SnO2 จำนวนมากถูกสร้างขึ้นพร้อมกัน (รูปที่ 4d)เนื่องจาก Co3O4 ไม่ทำงานเมื่อเทียบกับ H2 และ SnO2 ทำปฏิกิริยารุนแรงกับ H2 ปฏิกิริยาของ H2 กับสายพันธุ์ออกซิเจนไอออนิกส่วนใหญ่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของ SnO2117ดังนั้นอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปที่ SnO2 และ Ef SnO2 จะเลื่อนไปที่แถบการนำไฟฟ้า ในขณะที่ Ef Co3O4 ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงด้วยเหตุนี้ ความต้านทานของเซ็นเซอร์จึงเพิ่มขึ้น ซึ่งบ่งชี้ว่าวัสดุที่มีอัตราส่วน Co/Sn สูงแสดงพฤติกรรมการตรวจจับประเภท p (รูปที่ 4e)ในทางตรงกันข้าม ก๊าซ CO, H2S และ NH3 ทำปฏิกิริยากับสายพันธุ์ออกซิเจนไอออนิกบนพื้นผิว SnO2 และ Co3O4 และอิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากแก๊สไปยังเซ็นเซอร์ ส่งผลให้ความสูงของอุปสรรคและความไวของชนิด n ลดลง (รูปที่ 4f).พฤติกรรมเซ็นเซอร์ที่แตกต่างกันนี้เกิดจากปฏิกิริยาที่ต่างกันของ Co3O4 กับก๊าซต่างๆ ซึ่งได้รับการยืนยันเพิ่มเติมโดย Yin et al118 .ในทำนองเดียวกัน Katoch และคณะ119 แสดงให้เห็นว่าคอมโพสิต SnO2-ZnO มีความสามารถในการคัดเลือกที่ดีและมีความไวสูงต่อ H2ลักษณะการทำงานนี้เกิดขึ้นเนื่องจากอะตอมของ H สามารถดูดซับได้อย่างง่ายดายไปยังตำแหน่ง O ของ ZnO เนื่องจากการไฮบริไดเซชันที่แรงระหว่าง s-orbital ของ H และ p-orbital ของ O ซึ่งนำไปสู่การทำให้เป็นโลหะของ ZnO120,121
กราฟความต้านทานไดนามิก Co/Sn-10% สำหรับก๊าซรีดิวซ์ทั่วไป เช่น H2, CO, NH3 และ H2S, b, c Co3O4/SnO2 แผนผังกลไกการตรวจวัดคอมโพสิตสำหรับ H2 ที่ % m ต่ำCo/Sn, df Co3O4 การตรวจจับกลไกของ H2 และ CO, H2S และ NH3 ด้วยคอมโพสิต Co/Sn/SnO2 สูง
ดังนั้น เราจึงสามารถปรับปรุงความไวของเซ็นเซอร์ประเภท I โดยเลือกวิธีการประดิษฐ์ที่เหมาะสม ลดขนาดเกรนของคอมโพสิต และปรับอัตราส่วนโมลาร์ของคอมโพสิต MOS ให้เหมาะสมนอกจากนี้ ความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับคุณสมบัติทางเคมีของวัสดุที่มีความละเอียดอ่อนสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการเลือกเซ็นเซอร์ได้อีกด้วย
โครงสร้างเซ็นเซอร์ Type II เป็นโครงสร้างเซ็นเซอร์ยอดนิยมอีกโครงสร้างหนึ่งที่สามารถใช้วัสดุโครงสร้างนาโนที่ต่างกันได้หลากหลาย รวมถึงวัสดุนาโน "ต้นแบบ" หนึ่งชิ้นและวัสดุนาโนที่สองหรือสามตัวอย่างเช่น วัสดุหนึ่งมิติหรือสองมิติที่ตกแต่งด้วยอนุภาคนาโน เปลือกแกนกลาง (CS) และวัสดุที่มีโครงสร้างหลายชั้นหลายชั้น มักใช้ในโครงสร้างเซ็นเซอร์ประเภท II และจะกล่าวถึงในรายละเอียดด้านล่าง
สำหรับวัสดุ heteronanostructure แรก (heteronanostructure ที่ตกแต่งแล้ว) ดังแสดงในรูปที่ 2b (1) ช่องนำไฟฟ้าของเซ็นเซอร์เชื่อมต่อด้วยวัสดุฐานเนื่องจากการก่อตัวของ heterojunctions อนุภาคนาโนที่ดัดแปลงสามารถให้ตำแหน่งปฏิกิริยามากขึ้นสำหรับการดูดซับก๊าซหรือการคายดูดซับ และยังทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการตรวจจับ109,122,123,124Yuan et al.41 ตั้งข้อสังเกตว่าการตกแต่งสายนาโน WO3 ด้วยจุดนาโนของ CeO2 สามารถให้ไซต์การดูดซับที่ Heterointerface ของ CeO2@WO3 และพื้นผิว CeO2 มากขึ้น และสร้างสายพันธุ์ออกซิเจนที่ดูดซับด้วยเคมีมากขึ้นเพื่อทำปฏิกิริยากับอะซิโตนกุนวัน et al.125. มีการเสนอเซ็นเซอร์อะซิโตนที่มีความไวสูงพิเศษโดยใช้ Au@α-Fe2O3 แบบมิติเดียว และพบว่าความไวของเซ็นเซอร์ถูกควบคุมโดยการกระตุ้นของโมเลกุล O2 ในฐานะแหล่งออกซิเจนการปรากฏตัวของ Au NP สามารถทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ส่งเสริมการแยกตัวของโมเลกุลออกซิเจนให้เป็นออกซิเจนตาข่ายสำหรับการเกิดออกซิเดชันของอะซิโตนChoi et al. ได้ผลลัพธ์ที่คล้ายกัน9 โดยที่ตัวเร่งปฏิกิริยา Pt ถูกใช้เพื่อแยกโมเลกุลออกซิเจนที่ดูดซับไปเป็นสปีชีส์ออกซิเจนที่แตกตัวเป็นไอออนและเพิ่มการตอบสนองที่ละเอียดอ่อนต่ออะซิโตนในปี 2560 ทีมวิจัยเดียวกันได้แสดงให้เห็นว่าอนุภาคนาโนแบบไบเมทัลลิกมีประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยามากกว่าอนุภาคนาโนโลหะมีตระกูลเดี่ยว ดังแสดงในรูปที่ 5126 5a เป็นแผนผังของกระบวนการผลิตสำหรับ NPs แบบไบเมทัลลิก (PtM) ที่ใช้แพลตตินัมโดยใช้เซลล์ apoferritin ที่มี ขนาดเฉลี่ยน้อยกว่า 3 นาโนเมตรจากนั้นโดยใช้วิธีอิเล็กโตรสปินนิ่ง PtM@WO3 nanofibers ได้รับมาเพื่อเพิ่มความไวและความสามารถในการคัดเลือกอะซิโตนหรือ H2S (รูปที่ 5b–g)เมื่อเร็ว ๆ นี้ ตัวเร่งปฏิกิริยาอะตอมเดี่ยว (SACs) ได้แสดงประสิทธิภาพตัวเร่งปฏิกิริยาที่ยอดเยี่ยมในด้านตัวเร่งปฏิกิริยาและการวิเคราะห์ก๊าซ เนื่องจากประสิทธิภาพสูงสุดของการใช้อะตอมและโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ปรับแต่งแล้ว127,128ชินและคณะ129 ใช้แผ่นนาโนคาร์บอนไนไตรด์แบบยึดด้วย Pt-SA (MCN), SnCl2 และ PVP เป็นแหล่งสารเคมีเพื่อเตรียมเส้นใยอินไลน์ Pt@MCN@SnO2 สำหรับการตรวจจับก๊าซแม้จะมีเนื้อหา Pt@MCN ที่ต่ำมาก (จาก 0.13 โดยน้ำหนักเป็น 0.68 โดยน้ำหนัก%) แต่ประสิทธิภาพการตรวจจับก๊าซฟอร์มาลดีไฮด์ Pt@MCN@SnO2 นั้นเหนือกว่าตัวอย่างอ้างอิงอื่นๆ (บริสุทธิ์ SnO2, MCN@SnO2 และ Pt NPs@ SnO2 )..ประสิทธิภาพการตรวจจับที่ยอดเยี่ยมนี้สามารถนำมาประกอบกับประสิทธิภาพอะตอมสูงสุดของตัวเร่งปฏิกิริยา Pt SA และความครอบคลุมขั้นต่ำของไซต์แอคทีฟ SnO2129
วิธีการห่อหุ้มด้วย Apoferritin เพื่อให้ได้อนุภาคนาโน PtM-apo (PtPd, PtRh, PtNi)คุณสมบัติไวต่อก๊าซแบบไดนามิกของ bd บริสุทธิ์ WO3, PtPd@WO3, PtRn@WO3 และ Pt-NiO@WO3 nanofibers;อิงจากคุณสมบัติหัวกะทิของ PtPd@WO3, PtRn@WO3 และเซ็นเซอร์นาโนไฟเบอร์ Pt-NiO@WO3 ถึง 1 ppm ของก๊าซรบกวน 126
นอกจากนี้ heterojunctions ที่เกิดขึ้นระหว่างวัสดุนั่งร้านและอนุภาคนาโนยังสามารถปรับเปลี่ยนช่องสัญญาณการนำไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านกลไกการปรับแนวรัศมีเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์130,131,132ในรูปรูปที่ 6a แสดงลักษณะเซ็นเซอร์ของสายนาโน SnO2 และ Cr2O3@SnO2 บริสุทธิ์สำหรับก๊าซลดและออกซิไดซ์และกลไกเซ็นเซอร์ที่เกี่ยวข้อง131เมื่อเทียบกับสายนาโน SnO2 บริสุทธิ์ การตอบสนองของสายนาโน Cr2O3@SnO2 ต่อการลดก๊าซจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ในขณะที่การตอบสนองต่อก๊าซออกซิไดซ์นั้นแย่ลงปรากฏการณ์เหล่านี้เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการชะลอตัวของช่องการนำไฟฟ้าของสายนาโน SnO2 ในทิศทางแนวรัศมีของ pn heterojunction ที่เกิดขึ้นสามารถปรับความต้านทานของเซ็นเซอร์ได้โดยการเปลี่ยนความกว้าง EDL บนพื้นผิวของสายนาโน SnO2 บริสุทธิ์หลังจากสัมผัสกับก๊าซรีดิวซ์และออกซิไดซ์อย่างไรก็ตาม สำหรับสายนาโน Cr2O3@SnO2 DEL เริ่มต้นของสายนาโน SnO2 ในอากาศจะเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับสายนาโน SnO2 บริสุทธิ์ และช่องการนำไฟฟ้าถูกระงับเนื่องจากการก่อตัวของทางแยกดังนั้น เมื่อเซ็นเซอร์สัมผัสกับก๊าซรีดิวซ์ อิเลคตรอนที่ติดอยู่จะถูกปล่อยออกมาในสายนาโน SnO2 และ EDL จะลดลงอย่างมาก ส่งผลให้มีความไวสูงกว่าสายนาโน SnO2 บริสุทธิ์ในทางกลับกัน เมื่อเปลี่ยนเป็นก๊าซออกซิไดซ์ การขยายตัวของ DEL จะถูกจำกัด ส่งผลให้มีความไวต่ำChoi et al., 133 รายพบผลการตอบสนองทางประสาทสัมผัสที่คล้ายคลึงกันซึ่งสายนาโน SnO2 ที่ตกแต่งด้วยอนุภาคนาโน WO3 ชนิด p มีการตอบสนองทางประสาทสัมผัสที่ดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญต่อการลดก๊าซในขณะที่เซ็นเซอร์ SnO2 ที่ตกแต่ง n นั้นมีความไวต่อก๊าซออกซิไดซ์ที่ดีขึ้นอนุภาคนาโน TiO2 (รูปที่ 6b) 133 ผลลัพธ์ส่วนใหญ่เกิดจากหน้าที่การทำงานที่แตกต่างกันของอนุภาคนาโน SnO2 และ MOS (TiO2 หรือ WO3)ในอนุภาคนาโนชนิด p (n-type) ช่องการนำไฟฟ้าของวัสดุเฟรมเวิร์ก (SnO2) จะขยาย (หรือหดตัว) ในทิศทางแนวรัศมี จากนั้นภายใต้การกระทำของการลด (หรือการเกิดออกซิเดชัน) การขยายตัวเพิ่มเติม (หรือการทำให้สั้นลง) ของช่องทางการนำของ SnO2 – ซี่โครง ) ของก๊าซ ( รูปที่ 6b)
กลไกมอดูเลตในแนวรัศมีที่เหนี่ยวนำโดย LF MOS ที่ดัดแปลงสรุปการตอบสนองของก๊าซต่อ 10 ppm ลดและออกซิไดซ์ก๊าซตามสายนาโน SnO2 และ Cr2O3@SnO2 บริสุทธิ์และแผนผังแผนผังกลไกการตรวจจับที่เกี่ยวข้องและโครงร่างที่สอดคล้องกันของแท่งนาโน WO3@SnO2 และกลไกการตรวจจับ133
ในอุปกรณ์ bilayer และ multilayer heterostructure ช่องทางการนำของอุปกรณ์ถูกครอบงำโดยเลเยอร์ (โดยปกติคือชั้นล่าง) ที่สัมผัสโดยตรงกับอิเล็กโทรดและ heterojunction ที่เกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานของสองชั้นสามารถควบคุมการนำไฟฟ้าของชั้นล่าง .ดังนั้นเมื่อก๊าซมีปฏิกิริยากับชั้นบนสุด พวกมันอาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อช่องทางการนำไฟฟ้าของชั้นล่างและความต้านทาน 134 ของอุปกรณ์ตัวอย่างเช่น Kumar และคณะ77 รายงานพฤติกรรมที่ตรงกันข้ามของ TiO2@NiO และ NiO@TiO2 สองชั้นสำหรับ NH3ความแตกต่างนี้เกิดขึ้นเนื่องจากช่องทางการนำไฟฟ้าของเซ็นเซอร์สองตัวครอบงำในชั้นของวัสดุที่แตกต่างกัน (NiO และ TiO2 ตามลำดับ) จากนั้นความผันแปรในช่องสัญญาณการนำไฟฟ้าพื้นฐานจะต่างกัน77
โครงสร้าง heteronanostructure แบบไบเลเยอร์หรือหลายชั้นมักเกิดจากการสปัตเตอร์ การสะสมชั้นอะตอม (ALD) และการหมุนเหวี่ยง 56,70,134,135,136ความหนาของฟิล์มและพื้นที่สัมผัสของวัสดุทั้งสองสามารถควบคุมได้ดีรูปที่ 7a และ b แสดงฟิล์มนาโน NiO@SnO2 และ Ga2O3@WO3 ที่ได้จากการสปัตเตอร์สำหรับการตรวจจับเอทานอล135,137อย่างไรก็ตาม วิธีการเหล่านี้โดยทั่วไปจะสร้างฟิล์มแบน และฟิล์มแบนเหล่านี้มีความไวน้อยกว่าวัสดุโครงสร้างนาโน 3 มิติ เนื่องจากพื้นที่ผิวจำเพาะต่ำและการซึมผ่านของก๊าซดังนั้นจึงมีการเสนอกลยุทธ์เฟสของเหลวสำหรับการผลิตฟิล์มสองชั้นที่มีลำดับชั้นต่างกันเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการรับรู้โดยการเพิ่มพื้นที่ผิวจำเพาะ41,52,138Zhu et al139 รวมเทคนิคการสปัตเตอร์และไฮโดรเทอร์มอลเพื่อผลิตสายนาโน ZnO ที่มีคำสั่งสูงเหนือสายนาโน SnO2 (สายนาโน ZnO@SnO2) สำหรับการตรวจจับ H2S (รูปที่ 7c)การตอบสนองต่อ 1 ppm H2S นั้นสูงกว่าเซ็นเซอร์ 1.6 เท่าจากนาโนฟิล์ม ZnO@SnO2 ที่สปัตเตอร์หลิวและคณะ52 รายงานเซ็นเซอร์ H2S ที่มีประสิทธิภาพสูงโดยใช้วิธีการสะสมสารเคมีในแหล่งกำเนิดแบบสองขั้นตอนเพื่อสร้างโครงสร้างนาโน SnO2@NiO ตามลำดับชั้นตามด้วยการหลอมด้วยความร้อน (รูปที่ 10d)เมื่อเปรียบเทียบกับฟิล์มสองชั้น SnO2@NiO แบบสปัตเตอร์ ประสิทธิภาพความไวของโครงสร้างสองชั้นแบบลำดับชั้น SnO2@NiO นั้นดีขึ้นอย่างมากเนื่องจากพื้นที่ผิวจำเพาะเพิ่มขึ้น52,137
เซ็นเซอร์ก๊าซสองชั้นตาม MOSNiO@SnO2 นาโนฟิล์มสำหรับการตรวจจับเอทานอล137b Ga2O3@WO3 นาโนฟิล์มสำหรับการตรวจจับเอทานอล135c ได้รับคำสั่งอย่างสูง SnO2@ZnO โครงสร้างลำดับชั้นแบบ bilayer สำหรับการตรวจจับ H2S;139d SnO2@NiO bilayer โครงสร้างลำดับชั้นสำหรับการตรวจจับ H2S52
ในอุปกรณ์ประเภท II ที่อิงตามโครงสร้าง heteronanostructures ของคอร์-เชลล์ (CSHN) กลไกการตรวจจับนั้นซับซ้อนกว่า เนื่องจากช่องทางการนำไม่ได้จำกัดอยู่ที่เปลือกด้านในทั้งเส้นทางการผลิตและความหนา (hs) ของบรรจุภัณฑ์สามารถกำหนดตำแหน่งของช่องนำไฟฟ้าได้ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้วิธีการสังเคราะห์จากล่างขึ้นบน ช่องการนำไฟฟ้ามักจะจำกัดอยู่ที่แกนใน ซึ่งมีโครงสร้างคล้ายกับโครงสร้างอุปกรณ์แบบสองชั้นหรือหลายชั้น (รูปที่ 2b(3)) 123, 140, 141, 142 143. Xu et al.144 รายงานวิธีการจากล่างขึ้นบนในการรับ CSHN NiO@α-Fe2O3 และ CuO@α-Fe2O3 โดยการวางชั้นของ NiO หรือ CuO NPs บนแท่งนาโน α-Fe2O3 ซึ่งช่องการนำไฟฟ้าถูกจำกัดโดยส่วนกลาง(นาโนรอด α-Fe2O3)หลิวและคณะ142 ยังประสบความสำเร็จในการจำกัดช่องทางการนำไฟฟ้าไปยังส่วนหลักของ CSHN TiO2 @ Si โดยการวาง TiO2 บนอาร์เรย์ที่เตรียมไว้ของสายนาโนซิลิกอนดังนั้นพฤติกรรมการตรวจจับ (p-type หรือ n-type) จึงขึ้นอยู่กับประเภทเซมิคอนดักเตอร์ของสายนาโนซิลิกอนเท่านั้น
อย่างไรก็ตาม เซ็นเซอร์ที่ใช้ CSHN ที่รายงานส่วนใหญ่ (รูปที่ 2b(4)) ถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยการถ่ายโอนผงของวัสดุ CS ที่สังเคราะห์แล้วลงบนชิปในกรณีนี้ เส้นทางการนำของเซ็นเซอร์ได้รับผลกระทบจากความหนาของตัวเรือน (hs)กลุ่มของ Kim ได้ตรวจสอบผลกระทบของ hs ต่อประสิทธิภาพการตรวจจับก๊าซ และเสนอกลไกการตรวจจับที่เป็นไปได้100,112,145,146,147,148 เป็นที่เชื่อกันว่าปัจจัยสองประการส่งผลต่อกลไกการตรวจจับของโครงสร้างนี้: (1) การปรับรัศมีของ EDL ของเปลือกและ (2) ผลการละเลงสนามไฟฟ้า (รูปที่ 8) 145 นักวิจัยกล่าวว่าช่องทางการนำ ของพาหะส่วนใหญ่จะจำกัดอยู่ที่ชั้นเปลือกเมื่อ hs > λD ของชั้นเปลือก 145 เป็นที่เชื่อกันว่าปัจจัยสองประการส่งผลต่อกลไกการตรวจจับของโครงสร้างนี้: (1) การปรับรัศมีของ EDL ของเปลือกและ (2) ผลการละเลงสนามไฟฟ้า (รูปที่ 8) 145 นักวิจัยกล่าวว่าช่องทางการนำ ของพาหะส่วนใหญ่จะจำกัดอยู่ที่ชั้นเปลือกเมื่อ hs > λD ของชั้นเปลือก 145 Считается, что в механизме восприятия этой структуры участвуют два фактора: (1) радиальная модуляция ДЭС оболочки и (2) эффект размытия электрического поля (рис. 8) 145. Исследователи отметили, что канал проводимости носителей в основном приурочено к оболочке, когда hs > λD оболочки145. เชื่อว่ามีปัจจัยสองประการที่เกี่ยวข้องกับกลไกการรับรู้ของโครงสร้างนี้: (1) การปรับรัศมีของ EDL ของเปลือกและ (2) ผลของการทำให้สนามไฟฟ้าเบลอ (รูปที่ 8) 145 นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่า ช่องทางการนำพาส่วนใหญ่จะจำกัดอยู่ที่เปลือกเมื่อ hs > λD shells145เป็นที่เชื่อกันว่าปัจจัยสองประการส่งผลต่อกลไกการตรวจจับของโครงสร้างนี้: (1) การปรับ DEL ของเปลือกในแนวรัศมีและ (2) ผลกระทบของการละเลงสนามไฟฟ้า (รูปที่ 8) 145研究人员提到传导通道当壳层的hs > λD145 时,载流子的数量主要局限于壳层。 > λD145 时,载流子的数量主要局限于壳层。 исследователиотметили, чтоканалроводимостикогда hs> λd145оололки นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าช่องนำไฟฟ้า เมื่อ hs > λD145 ของเปลือก จำนวนพาหะส่วนใหญ่ถูกจำกัดโดยเปลือกดังนั้น ในการมอดูเลตแบบต้านทานของเซ็นเซอร์ตาม CSHN การมอดูเลตในแนวรัศมีของ DEL ที่หุ้มอยู่เหนือกว่า (รูปที่ 8a)อย่างไรก็ตาม ที่ hs ≤ λD ของเปลือก อนุภาคออกซิเจนที่ถูกดูดซับโดยเปลือกและ heterojunction ที่เกิดขึ้นที่จุดแยก CS นั้นทำให้อิเล็กตรอนหมดลงอย่างสมบูรณ์ ดังนั้น ช่องทางการนำไฟฟ้าจึงไม่เพียงแต่อยู่ภายในชั้นเปลือก แต่ยังบางส่วนอยู่ในส่วนแกน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อ hs < λD ของชั้นเปลือก ดังนั้น ช่องทางการนำไฟฟ้าจึงไม่เพียงแต่อยู่ภายในชั้นเปลือก แต่ยังบางส่วนอยู่ในส่วนแกน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อ hs < λD ของชั้นเปลือก Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочечного слоя, но и частично в сердцевинной части, особенно при hs < λD оболочечного слоя. ดังนั้นช่องทางการนำไฟฟ้าจึงไม่เพียงแต่อยู่ภายในชั้นเปลือก แต่ยังเป็นส่วนหนึ่งของส่วนแกนด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ hs < λD ของชั้นเปลือก因此,传导通道不仅位于壳层内部,而且部分位于芯部,尤其是当壳层的hs < λD 时。 hs < λD 时。 Поэтому канал проводимости располагается не только внутри оболочки, но и частично в сердцевибне, но и частично в сердцевибне, но и частично в сердцевибне, но и частично в сердцевибне. ดังนั้นช่องทางการนำไฟฟ้าจึงไม่เพียงแต่อยู่ภายในเปลือก แต่ยังเป็นส่วนหนึ่งของแกนกลางด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ hs < λD ของเปลือกในกรณีนี้ ทั้งเปลือกอิเล็กตรอนที่หมดประจุจนหมดและชั้นแกนกลางที่หมดลงบางส่วนจะช่วยปรับความต้านทานของ CSHN ทั้งหมด ส่งผลให้เกิดเอฟเฟกต์หางสนามไฟฟ้า (รูปที่ 8b)การศึกษาอื่นบางงานได้ใช้แนวคิดเศษส่วนของปริมาตร EDL แทนหางสนามไฟฟ้าเพื่อวิเคราะห์ผลกระทบของ hs100,148เมื่อคำนึงถึงการมีส่วนร่วมทั้งสองนี้ การมอดูเลตรวมของความต้านทาน CSHN ถึงค่าสูงสุดเมื่อ hs เทียบได้กับปลอก λD ดังแสดงในรูปที่ 8cดังนั้น hs ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับ CSHN สามารถอยู่ใกล้กับเปลือก λD ซึ่งสอดคล้องกับการสังเกตการทดลอง 99,144,145,146,149การศึกษาหลายชิ้นแสดงให้เห็นว่า hs สามารถส่งผลต่อความไวของเซ็นเซอร์ pn-heterojunction ที่ใช้ CSHN40,148 ได้เช่นกันหลี่และคณะ148 และ Bai et al.40 ตรวจสอบผลกระทบของ hs อย่างเป็นระบบต่อประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ pn-heterojunction CSHN เช่น TiO2@CuO และ ZnO@NiO โดยการเปลี่ยนรอบ ALD ของ claddingเป็นผลให้พฤติกรรมทางประสาทสัมผัสเปลี่ยนจาก p-type เป็น n-type โดยเพิ่มขึ้น hs40,148ลักษณะการทำงานนี้เกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่าในตอนแรก (ด้วยจำนวนรอบ ALD ที่จำกัด) heterostructures ถือได้ว่าเป็นโครงสร้าง heteronanostructure ที่ดัดแปลงดังนั้นช่องสัญญาณการนำไฟฟ้าจึงถูกจำกัดโดยเลเยอร์หลัก (MOSFET ชนิด p) และเซ็นเซอร์จะแสดงลักษณะการตรวจจับประเภท pเมื่อจำนวนรอบ ALD เพิ่มขึ้น ชั้นหุ้ม (MOSFET ชนิด n) จะกลายเป็นกึ่งต่อเนื่องและทำหน้าที่เป็นช่องทางการนำไฟฟ้า ส่งผลให้เกิดความไวของชนิด nมีรายงานพฤติกรรมการเปลี่ยนแปลงทางประสาทสัมผัสที่คล้ายคลึงกันสำหรับโครงสร้าง heteronanostructure ที่มีกิ่งก้านของ pn 150,151โจวและคณะ150 ตรวจสอบความไวของโครงสร้าง heteronanostructure ที่มีกิ่งของ Zn2SnO4@Mn3O4 โดยการควบคุมเนื้อหา Zn2SnO4 บนพื้นผิวของสายนาโน Mn3O4เมื่อนิวเคลียส Zn2SnO4 เกิดขึ้นบนพื้นผิว Mn3O4 จะสังเกตเห็นความไวของประเภท pด้วยเนื้อหา Zn2SnO4 ที่เพิ่มขึ้นอีก เซ็นเซอร์ที่อิงตามโครงสร้าง heteronanostructures ของ Zn2SnO4@Mn3O4 แบบแยกสาขาจะสลับไปใช้การทำงานของเซ็นเซอร์ประเภท n
คำอธิบายเชิงแนวคิดของกลไกเซ็นเซอร์สองหน้าที่ของ CS nanowires จะแสดงขึ้นก. การปรับความต้านทานเนื่องจากการมอดูเลตในแนวรัศมีของเปลือกพร่องอิเล็กตรอน ข ผลกระทบเชิงลบของรอยเปื้อนต่อการปรับความต้านทาน และ c การปรับความต้านทานรวมของ CS nanowires เนื่องจากผลของทั้งสองอย่างรวมกัน 40
โดยสรุป เซ็นเซอร์ประเภท II มีโครงสร้างนาโนแบบลำดับชั้นที่แตกต่างกันจำนวนมาก และประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ขึ้นอยู่กับการจัดช่องสัญญาณนำไฟฟ้าเป็นอย่างมากดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญที่จะต้องควบคุมตำแหน่งของช่องสัญญาณการนำไฟฟ้าของเซ็นเซอร์ และใช้แบบจำลอง MOS ที่มีโครงสร้างต่างกันอย่างเหมาะสมเพื่อศึกษากลไกการตรวจจับแบบขยายของเซ็นเซอร์ประเภท II
โครงสร้างเซ็นเซอร์ Type III นั้นไม่ธรรมดามาก และช่องทางการนำไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับทางแยกที่เกิดขึ้นระหว่างสารกึ่งตัวนำสองตัวที่เชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดสองขั้ว ตามลำดับโครงสร้างอุปกรณ์ที่ไม่ซ้ำกันมักจะได้มาจากเทคนิคไมโครแมชชีนนิ่ง และกลไกการตรวจจับจะแตกต่างจากโครงสร้างเซ็นเซอร์สองแบบก่อนหน้านี้อย่างมากเส้นโค้ง IV ของเซ็นเซอร์ Type III มักจะแสดงลักษณะการแก้ไขทั่วไปเนื่องจากการก่อตัวของ heterojunction48,152,153เส้นโค้งลักษณะเฉพาะของ I–V ของการแยกเฮเทอโรในอุดมคตินั้นสามารถอธิบายได้โดยกลไกเทอร์มิโอนิกของการปล่อยอิเล็กตรอนเหนือความสูงของบาเรียแยกเฮเทอโรจังก์ชัน152,154,155
โดยที่ Va คือแรงดันไบอัส A คือพื้นที่อุปกรณ์ k คือค่าคงที่ Boltzmann T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ q คือประจุพาหะ Jn และ Jp คือรูและความหนาแน่นกระแสการแพร่ของอิเล็กตรอนตามลำดับIS แทนกระแสความอิ่มตัวย้อนกลับ กำหนดเป็น: 152,154,155
ดังนั้นกระแสรวมของ pn heterojunction ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของตัวพาประจุและการเปลี่ยนแปลงความสูงของสิ่งกีดขวางของ heterojunction ดังแสดงในสมการ (3) และ (4) 156
โดยที่ nn0 และ pp0 คือความเข้มข้นของอิเล็กตรอน (รู) ใน MOS ชนิด n (p-type) \(V_{bi}^0\) คือศักย์ไฟฟ้าในตัว Dp (Dn) คือสัมประสิทธิ์การแพร่ของ อิเล็กตรอน (รู) Ln (Lp ) คือความยาวการแพร่กระจายของอิเล็กตรอน (รู) ΔEv (ΔEc) คือการเลื่อนพลังงานของแถบวาเลนซ์ (แถบการนำไฟฟ้า) ที่ทางแยกแม้ว่าความหนาแน่นกระแสจะเป็นสัดส่วนกับความหนาแน่นของพาหะ แต่ก็แปรผกผันแบบทวีคูณกับ \(V_{bi}^0\)ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นกระแสโดยรวมจึงขึ้นอยู่กับการปรับความสูงของสิ่งกีดขวางทางแยก
ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น การสร้าง MOSFET ที่มีโครงสร้างนาโนเฮเทอโร (เช่น อุปกรณ์ประเภท I และประเภท II) สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ได้อย่างมาก มากกว่าที่จะเป็นส่วนประกอบแต่ละส่วนและสำหรับอุปกรณ์ประเภท III การตอบสนองของโครงสร้าง heteronanostructure อาจสูงกว่าสองส่วนประกอบ48,153 หรือสูงกว่าหนึ่งส่วนประกอบ76 ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีของวัสดุรายงานหลายฉบับแสดงให้เห็นว่าการตอบสนองของโครงสร้างเฮเทอโรนาโนนั้นสูงกว่าส่วนประกอบเดียวมากเมื่อส่วนประกอบใดส่วนประกอบหนึ่งไม่ไวต่อก๊าซเป้าหมาย 48,75,76,153ในกรณีนี้ ก๊าซเป้าหมายจะโต้ตอบกับชั้นที่ละเอียดอ่อนเท่านั้น และทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง Ef ของชั้นที่ละเอียดอ่อนและการเปลี่ยนแปลงในความสูงของสิ่งกีดขวาง heterojunctionจากนั้นกระแสรวมของอุปกรณ์จะเปลี่ยนไปอย่างมากเนื่องจากสัมพันธ์ผกผันกับความสูงของสิ่งกีดขวาง heterojunction ตามสมการ(3) และ (4) 48,76,153อย่างไรก็ตาม เมื่อทั้งส่วนประกอบประเภท n และ p-type มีความไวต่อก๊าซเป้าหมาย ประสิทธิภาพการตรวจจับอาจอยู่ระหว่างนั้นJosé et al.76 ผลิตเซ็นเซอร์ NO2 ฟิล์ม NiO/SnO2 ที่มีรูพรุนโดยการสปัตเตอร์ และพบว่าความไวของเซ็นเซอร์นั้นสูงกว่าเซ็นเซอร์ที่ใช้ NiO เท่านั้น แต่ต่ำกว่าเซ็นเซอร์ที่ใช้ SnO2เซ็นเซอร์ปรากฏการณ์นี้เกิดจากการที่ SnO2 และ NiO แสดงปฏิกิริยาตรงกันข้ามกับ NO276นอกจากนี้ เนื่องจากส่วนประกอบทั้งสองมีความไวต่อแก๊สต่างกัน พวกมันอาจมีแนวโน้มที่จะตรวจจับก๊าซออกซิไดซ์และรีดิวซ์เหมือนกันตัวอย่างเช่น Kwon et al.157 เสนอเซ็นเซอร์ก๊าซ NiO/SnO2 pn-heterojunction โดยการสปัตเตอร์แบบเฉียง ดังแสดงในรูปที่ 9aที่น่าสนใจคือเซ็นเซอร์ NiO/SnO2 pn-heterojunction มีแนวโน้มความไวที่เหมือนกันสำหรับ H2 และ NO2 (รูปที่ 9a)เพื่อแก้ปัญหานี้ Kwon et al.157 ตรวจสอบอย่างเป็นระบบว่า NO2 และ H2 เปลี่ยนความเข้มข้นของพาหะและปรับ \(V_{bi}^0\) ของวัสดุทั้งสองอย่างไรโดยใช้ลักษณะ IV และการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ (รูปที่ 9bd)รูปที่ 9b และ c แสดงให้เห็นถึงความสามารถของ H2 และ NO2 ในการเปลี่ยนความหนาแน่นของตัวพาของเซ็นเซอร์ตาม p-NiO (pp0) และ n-SnO2 (nn0) ตามลำดับพวกเขาแสดงให้เห็นว่า pp0 ของ p-type NiO เปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในสภาพแวดล้อม NO2 ในขณะที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในสภาพแวดล้อม H2 (รูปที่ 9b)อย่างไรก็ตาม สำหรับ n-type SnO2 nn0 จะทำงานตรงกันข้าม (รูปที่ 9c)จากผลลัพธ์เหล่านี้ ผู้เขียนสรุปว่าเมื่อนำ H2 ไปใช้กับเซ็นเซอร์โดยอิงจากการแยก heterojunction ของ NiO/SnO2 pn การเพิ่มขึ้นของ nn0 ทำให้ Jn เพิ่มขึ้น และ \(V_{bi}^0\) นำไปสู่ การตอบสนองลดลง (รูปที่ 9d )หลังจากได้รับ NO2 ทั้งการลดลงอย่างมากของ nn0 ใน SnO2 และการเพิ่มขึ้นเล็กน้อยของ pp0 ใน NiO นำไปสู่การลดลงอย่างมากใน \(V_{bi}^0\) ซึ่งทำให้การตอบสนองทางประสาทสัมผัสเพิ่มขึ้น (รูปที่ 9d) ) 157 โดยสรุป การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของพาหะและ \(V_{bi}^0\) ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในกระแสรวม ซึ่งส่งผลต่อความสามารถในการตรวจจับต่อไป
กลไกการตรวจจับของเซ็นเซอร์ก๊าซขึ้นอยู่กับโครงสร้างของอุปกรณ์ Type IIIการสแกนภาพตัดขวางด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (SEM) อุปกรณ์นาโนคอยล์ p-NiO/n-SnO2 และคุณสมบัติของเซ็นเซอร์ของเซ็นเซอร์ heterojunction p-NiO/n-SnO2 nanocoil ที่อุณหภูมิ 200°C สำหรับ H2 และ NO2;b , SEM แบบตัดขวางของอุปกรณ์ c และผลการจำลองของอุปกรณ์ที่มี p-NiO b-layer และ n-SnO2 c-layerเซ็นเซอร์ b p-NiO และเซ็นเซอร์ c n-SnO2 วัดและจับคู่คุณลักษณะ I–V ในอากาศแห้งและหลังจากสัมผัสกับ H2 และ NO2แผนที่สองมิติของความหนาแน่น b-hole ใน p-NiO และแผนที่ของ c-electron ในเลเยอร์ n-SnO2 ที่มีมาตราส่วนสี ถูกจำลองโดยใช้ซอฟต์แวร์ Sentaurus TCADd ผลการจำลองแสดงแผนที่ 3 มิติของ p-NiO/n-SnO2 ในอากาศแห้ง H2 และ NO2157 ในสิ่งแวดล้อม
นอกจากคุณสมบัติทางเคมีของวัสดุแล้ว โครงสร้างของอุปกรณ์ Type III ยังแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการสร้างเซ็นเซอร์ก๊าซแบบขับเคลื่อนด้วยตัวเอง ซึ่งอุปกรณ์ Type I และ Type II ไม่สามารถทำได้เนื่องจากสนามไฟฟ้าโดยธรรมชาติ (BEF) โครงสร้างไดโอด pn heterojunction มักใช้เพื่อสร้างอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์และแสดงศักยภาพในการสร้างเซ็นเซอร์ก๊าซโฟโตอิเล็กทริกแบบใช้พลังงานด้วยตนเองที่อุณหภูมิห้องภายใต้แสงสว่าง74,158,159,160,161BEF ที่ heterointerface ซึ่งเกิดจากความแตกต่างในระดับ Fermi ของวัสดุก็มีส่วนช่วยในการแยกคู่อิเล็กตรอน-รูข้อดีของเซ็นเซอร์วัดก๊าซโซลาร์เซลล์แบบใช้ไฟฟ้าในตัวคือใช้พลังงานต่ำ เนื่องจากสามารถดูดซับพลังงานจากแสงที่ส่องสว่าง จากนั้นจึงควบคุมตัวเองหรืออุปกรณ์ขนาดเล็กอื่นๆ โดยไม่ต้องใช้แหล่งพลังงานภายนอกตัวอย่างเช่น Tanuma และ Sugiyama162 ได้ประดิษฐ์ NiO/ZnO pn heterojunctions เป็นเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อเปิดใช้งานเซ็นเซอร์ CO2 โพลีคริสตัลไลน์ที่ใช้ SnO2กาดและคณะ74 รายงานเซ็นเซอร์ก๊าซโซลาร์เซลล์แบบขับเคลื่อนด้วยตัวเองโดยอิงจากการแยกทางแยก Si/ZnO@CdS pn ดังแสดงในรูปที่ 10aลวดนาโน ZnO ที่เน้นในแนวตั้งนั้นปลูกโดยตรงบนพื้นผิวซิลิกอนชนิด p เพื่อสร้าง heterojunctions Si/ZnO pnจากนั้นอนุภาคนาโน CdS ถูกดัดแปลงบนพื้นผิวของสายนาโน ZnO โดยการปรับเปลี่ยนพื้นผิวทางเคมีในรูป10a แสดงผลการตอบสนองของเซ็นเซอร์ Si/ZnO@CdS แบบออฟไลน์สำหรับ O2 และเอทานอลภายใต้การส่องสว่าง แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด (Voc) อันเนื่องมาจากการแยกคู่อิเล็กตรอน-รูระหว่าง BEP ที่อินเทอร์เฟซ heterointerface Si/ZnO จะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงตามจำนวนไดโอดที่เชื่อมต่ออยู่ 74,161Voc สามารถแสดงด้วยสมการได้(5) 156,
โดยที่ ND, NA และ Ni คือความเข้มข้นของผู้บริจาค ตัวรับ และตัวพาภายในตามลำดับ และ k, T และ q เป็นพารามิเตอร์เดียวกันกับในสมการก่อนหน้าเมื่อสัมผัสกับก๊าซออกซิไดซ์ พวกมันจะดึงอิเล็กตรอนจากสายนาโน ZnO ซึ่งทำให้ \(N_D^{ZnO}\) และ Voc ลดลงในทางกลับกัน การลดก๊าซส่งผลให้ Voc เพิ่มขึ้น (รูปที่ 10a)เมื่อตกแต่ง ZnO ด้วยอนุภาคนาโน CdS อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงในอนุภาคนาโนของ CdS จะถูกฉีดเข้าไปในแถบการนำไฟฟ้าของ ZnO และโต้ตอบกับก๊าซที่ดูดซับ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการรับรู้74,160Hoffmann et al รายงานเซ็นเซอร์วัดก๊าซโซลาร์เซลล์แบบขับเคลื่อนด้วยตนเองที่คล้ายกันซึ่งใช้ Si/ZnO160, 161 (รูปที่ 10b)เซ็นเซอร์นี้สามารถเตรียมได้โดยใช้อนุภาคนาโนที่มีฟังก์ชันเอมีน ZnO ([3-(2-อะมิโนเอทิลอะมิโน)โพรพิล]ไตรเมทอกซีไซเลน) (อะมิโน-ฟังก์ชัน-SAM) และไทออล ((3-mercaptopropyl) ที่มีฟังก์ชันการทำงาน เพื่อปรับฟังก์ชันการทำงาน ของก๊าซเป้าหมายสำหรับการตรวจจับแบบคัดเลือกของ NO2 (trimethoxysilane) (thiol-functionalized-SAM)) (รูปที่ 10b) 74,161
โฟโตอิเล็กทริคเซนเซอร์แก๊สแบบขับเคลื่อนด้วยตนเองตามโครงสร้างของอุปกรณ์ประเภท IIIเซ็นเซอร์ก๊าซโซลาร์เซลล์แบบขับเคลื่อนด้วยตนเองตาม Si/ZnO@CdS กลไกการตรวจจับแบบขับเคลื่อนด้วยตัวเอง และการตอบสนองของเซ็นเซอร์ต่อก๊าซออกซิไดซ์ (O2) และก๊าซลดลง (1,000 ppm เอทานอล) ภายใต้แสงแดด74b เซ็นเซอร์ก๊าซโซลาร์เซลล์แบบขับเคลื่อนด้วยตนเองโดยใช้เซ็นเซอร์ Si ZnO/ZnO และการตอบสนองของเซ็นเซอร์ต่อก๊าซต่างๆ หลังจากการทำงานของ ZnO SAM ที่มีเอมีนและไทออลที่ปลายทาง 161
ดังนั้น เมื่อพูดถึงกลไกที่ละเอียดอ่อนของเซ็นเซอร์ประเภท III สิ่งสำคัญคือต้องกำหนดการเปลี่ยนแปลงในความสูงของสิ่งกีดขวางทางแยกต่างระดับและความสามารถของก๊าซที่ส่งผลต่อความเข้มข้นของพาหะนอกจากนี้ การส่องสว่างสามารถสร้างตัวพาที่สร้างด้วยแสงซึ่งทำปฏิกิริยากับก๊าซ ซึ่งมีแนวโน้มว่าจะสามารถตรวจจับก๊าซแบบขับเคลื่อนด้วยตัวเองได้
ตามที่กล่าวไว้ในการทบทวนวรรณกรรมนี้ โครงสร้าง heteronanostructure ของ MOS ที่แตกต่างกันจำนวนมากได้ถูกประดิษฐ์ขึ้นเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของเซนเซอร์ฐานข้อมูล Web of Science ถูกค้นหาด้วยคำสำคัญต่างๆ (คอมโพสิตโลหะออกไซด์ ออกไซด์ของโลหะที่หุ้มแกนกลาง ออกไซด์ของโลหะเป็นชั้น และเครื่องวิเคราะห์ก๊าซแบบขับเคลื่อนด้วยตัวเอง) รวมถึงลักษณะเฉพาะที่โดดเด่น (ความอุดมสมบูรณ์ ความไว/การเลือก ศักยภาพในการผลิตไฟฟ้า การผลิต) .วิธีการ ลักษณะของอุปกรณ์สามในสามอุปกรณ์นี้แสดงไว้ในตารางที่ 2 แนวคิดการออกแบบโดยรวมสำหรับเซ็นเซอร์ก๊าซประสิทธิภาพสูงจะกล่าวถึงโดยการวิเคราะห์ปัจจัยหลักสามประการที่ Yamazoe เสนอกลไกสำหรับเซนเซอร์ตรวจจับการแปรผันของ MOS เพื่อให้เข้าใจถึงปัจจัยที่ส่งผลต่อเซนเซอร์ก๊าซ พารามิเตอร์ MOS ต่างๆ (เช่น ขนาดเกรน อุณหภูมิในการทำงาน ข้อบกพร่อง และความหนาแน่นของช่องว่างของออกซิเจนโครงสร้างอุปกรณ์ซึ่งมีความสำคัญต่อพฤติกรรมการตรวจจับของเซ็นเซอร์นั้นถูกละเลยและไม่ค่อยมีใครพูดถึงการตรวจสอบนี้กล่าวถึงกลไกพื้นฐานสำหรับการตรวจจับโครงสร้างอุปกรณ์ทั่วไปสามประเภท
โครงสร้างขนาดเกรน วิธีการผลิต และจำนวนของรอยแยกต่าง ๆ ของวัสดุตรวจจับในเซ็นเซอร์ Type I สามารถส่งผลอย่างมากต่อความไวของเซ็นเซอร์นอกจากนี้ พฤติกรรมของเซ็นเซอร์ยังได้รับผลกระทบจากอัตราส่วนโมลาร์ของส่วนประกอบด้วยโครงสร้างอุปกรณ์ Type II (โครงสร้างเฮเทอโรนาตกแต่งตกแต่ง, ฟิล์มสองชั้นหรือหลายชั้น, HSSN) เป็นโครงสร้างอุปกรณ์ที่ได้รับความนิยมมากที่สุดซึ่งประกอบด้วยส่วนประกอบตั้งแต่สองชิ้นขึ้นไป และมีเพียงส่วนประกอบเดียวเท่านั้นที่เชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดสำหรับโครงสร้างอุปกรณ์นี้ การกำหนดตำแหน่งของช่องทางการนำไฟฟ้าและการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์เป็นสิ่งสำคัญในการศึกษากลไกการรับรู้เนื่องจากอุปกรณ์ประเภท II มีโครงสร้าง heteronanostructure แบบลำดับชั้นที่แตกต่างกันจำนวนมาก จึงได้มีการเสนอกลไกการตรวจจับที่แตกต่างกันมากมายในโครงสร้างทางประสาทสัมผัสประเภทที่ 3 ช่องการนำไฟฟ้าจะถูกครอบงำโดยทางแยกต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นที่ทางแยกต่าง ๆ และกลไกการรับรู้นั้นแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญที่จะต้องกำหนดการเปลี่ยนแปลงในความสูงของสิ่งกีดขวางทางแยกต่างระดับหลังจากที่ก๊าซเป้าหมายสัมผัสกับเซ็นเซอร์ประเภท IIIด้วยการออกแบบนี้ เซ็นเซอร์ก๊าซโซลาร์เซลล์แบบใช้พลังงานในตัวสามารถสร้างขึ้นเพื่อลดการใช้พลังงานอย่างไรก็ตาม เนื่องจากกระบวนการผลิตในปัจจุบันค่อนข้างซับซ้อนและความไวแสงต่ำกว่าเซ็นเซอร์ตรวจวัดก๊าซที่ต้านเคมีแบบ MOS แบบเดิมมาก การวิจัยเซ็นเซอร์ก๊าซแบบขับเคลื่อนด้วยตนเองยังคงมีอยู่มาก
ข้อได้เปรียบหลักของเซ็นเซอร์ก๊าซ MOS ที่มีโครงสร้าง heteronanostructure แบบลำดับชั้นคือความเร็วและความไวที่สูงขึ้นอย่างไรก็ตาม ปัญหาสำคัญบางประการของเซ็นเซอร์ก๊าซ MOS (เช่น อุณหภูมิในการทำงานสูง ความเสถียรในระยะยาว หัวกะทิและความสามารถในการทำซ้ำได้ไม่ดี ผลกระทบของความชื้น ฯลฯ) ยังคงมีอยู่และจำเป็นต้องได้รับการแก้ไขก่อนจึงจะสามารถใช้งานได้จริงโดยทั่วไปแล้วเซ็นเซอร์ก๊าซ MOS สมัยใหม่จะทำงานที่อุณหภูมิสูงและใช้พลังงานมาก ซึ่งส่งผลต่อความเสถียรในระยะยาวของเซ็นเซอร์มีสองแนวทางทั่วไปในการแก้ปัญหานี้: (1) การพัฒนาชิปเซ็นเซอร์พลังงานต่ำ(2) การพัฒนาวัสดุที่มีความอ่อนไหวใหม่ที่สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิต่ำหรือแม้กระทั่งที่อุณหภูมิห้องแนวทางหนึ่งในการพัฒนาชิปเซ็นเซอร์กำลังต่ำคือการลดขนาดของเซ็นเซอร์โดยการสร้างเพลตไมโครฮีทติ้งจากเซรามิกและซิลิกอน163แผ่นความร้อนขนาดเล็กที่ใช้เซรามิกนั้นกินไฟประมาณ 50–70 mV ต่อเซ็นเซอร์ ในขณะที่แผ่นความร้อนขนาดเล็กที่มีซิลิกอนที่ปรับให้เหมาะสมนั้นสามารถใช้ไฟเพียง 2 mW ต่อเซ็นเซอร์เมื่อทำงานอย่างต่อเนื่องที่ 300 °C163,164การพัฒนาวัสดุตรวจจับแบบใหม่เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการลดการใช้พลังงานโดยการลดอุณหภูมิในการทำงานลง และยังช่วยเพิ่มความเสถียรของเซ็นเซอร์ได้อีกด้วยเนื่องจากขนาดของ MOS ยังคงลดลงอย่างต่อเนื่องเพื่อเพิ่มความไวของเซ็นเซอร์ ความเสถียรทางความร้อนของ MOS จึงกลายเป็นเรื่องท้าทายมากขึ้น ซึ่งอาจนำไปสู่การล่องลอยในสัญญาณเซ็นเซอร์165นอกจากนี้ อุณหภูมิสูงยังส่งเสริมการแพร่กระจายของวัสดุที่อินเทอร์เฟซเฮเทอโรและการก่อตัวของเฟสผสม ซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของเซ็นเซอร์นักวิจัยรายงานว่าอุณหภูมิในการทำงานที่เหมาะสมของเซ็นเซอร์สามารถลดลงได้โดยการเลือกวัสดุตรวจจับที่เหมาะสมและพัฒนาโครงสร้าง MOS heteronanostructureการค้นหาวิธีอุณหภูมิต่ำสำหรับการสร้างโครงสร้างเฮเทอโรนาโนของ MOS ที่มีผลึกสูงเป็นอีกแนวทางหนึ่งที่มีแนวโน้มว่าจะปรับปรุงความเสถียร
ความสามารถในการคัดเลือกเซ็นเซอร์ MOS เป็นอีกปัญหาหนึ่งที่ใช้งานได้จริง เนื่องจากก๊าซต่างๆ มีอยู่ร่วมกับแก๊สเป้าหมาย ในขณะที่เซ็นเซอร์ MOS มักมีความไวต่อก๊าซมากกว่าหนึ่งชนิด และมักมีความไวข้ามดังนั้น การเพิ่มความสามารถในการคัดเลือกของเซ็นเซอร์ไปยังก๊าซเป้าหมายและก๊าซอื่นๆ จึงเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานจริงในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา ทางเลือกได้รับการแก้ไขบางส่วนโดยการสร้างอาร์เรย์ของเซ็นเซอร์ก๊าซที่เรียกว่า "จมูกอิเล็กทรอนิกส์ (E-nose)" ร่วมกับอัลกอริธึมการวิเคราะห์เชิงคำนวณ เช่น Training Vector quantization (LVQ), การวิเคราะห์องค์ประกอบหลัก (PCA) เป็นต้น จ.ปัญหาทางเพศสี่เหลี่ยมจัตุรัสน้อยที่สุดบางส่วน (PLS) ฯลฯ 31, 32, 33, 34 ปัจจัยหลักสองประการ (จำนวนเซ็นเซอร์ซึ่งสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิดกับประเภทของวัสดุตรวจจับ และการวิเคราะห์เชิงคำนวณ) มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปรับปรุงความสามารถของจมูกอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อระบุก๊าซ169.อย่างไรก็ตาม การเพิ่มจำนวนเซ็นเซอร์มักต้องใช้กระบวนการผลิตที่ซับซ้อนจำนวนมาก ดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญที่จะต้องหาวิธีง่ายๆ ในการปรับปรุงประสิทธิภาพของจมูกอิเล็กทรอนิกส์นอกจากนี้ การปรับเปลี่ยน MOS ด้วยวัสดุอื่นๆ ยังช่วยเพิ่มความสามารถในการคัดเลือกของเซ็นเซอร์ได้อีกด้วยตัวอย่างเช่น การตรวจจับแบบเลือกเฟ้นของ H2 สามารถทำได้เนื่องจากกิจกรรมตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีของ MOS ที่ดัดแปลงด้วย NP Pdในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยบางคนได้เคลือบพื้นผิว MOS MOF เพื่อปรับปรุงการเลือกเซ็นเซอร์ผ่านการยกเว้นขนาด171,172ด้วยแรงบันดาลใจจากงานนี้ การทำงานของวัสดุอาจช่วยแก้ปัญหาการเลือกได้อย่างไรก็ตาม ยังมีงานอีกมากที่ต้องทำในการเลือกวัสดุที่เหมาะสม
ความสามารถในการทำซ้ำของคุณสมบัติของเซ็นเซอร์ที่ผลิตภายใต้สภาวะและวิธีการเดียวกันนั้นเป็นข้อกำหนดที่สำคัญอีกประการหนึ่งสำหรับการผลิตขนาดใหญ่และการใช้งานจริงโดยทั่วไป วิธีการหมุนเหวี่ยงและจุ่มเป็นวิธีต้นทุนต่ำสำหรับการผลิตเซ็นเซอร์ก๊าซปริมาณงานสูงอย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการเหล่านี้ วัสดุที่ละเอียดอ่อนมีแนวโน้มที่จะรวมกลุ่ม และความสัมพันธ์ระหว่างวัสดุที่ละเอียดอ่อนกับพื้นผิวจะอ่อนแอ68, 138, 168 เป็นผลให้ความไวและความเสถียรของเซ็นเซอร์ลดลงอย่างมาก และประสิทธิภาพการทำงานจะทำซ้ำได้วิธีการประดิษฐ์อื่นๆ เช่น การสปัตเตอร์, ALD, การสะสมด้วยเลเซอร์แบบพัลซิ่ง (PLD) และการสะสมไอทางกายภาพ (PVD) ช่วยให้สามารถผลิตฟิล์ม MOS แบบ bilayer หรือ multilayer ได้โดยตรงบนซิลิกอนที่มีลวดลายหรือพื้นผิวอลูมินาเทคนิคเหล่านี้หลีกเลี่ยงการสะสมของวัสดุที่มีความละเอียดอ่อน รับรองความสามารถในการทำซ้ำของเซ็นเซอร์ และแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการผลิตเซ็นเซอร์ฟิล์มบางแบบระนาบในขนาดใหญ่อย่างไรก็ตาม ความไวของฟิล์มแบนเหล่านี้โดยทั่วไปจะต่ำกว่าวัสดุที่มีโครงสร้างนาโน 3 มิติอย่างมาก เนื่องจากมีพื้นที่ผิวจำเพาะที่เล็กและการซึมผ่านของก๊าซต่ำ 41,174กลยุทธ์ใหม่สำหรับการขยายโครงสร้างเฮเทอโรนาโนของ MOS ในตำแหน่งเฉพาะบนไมโครอาร์เรย์ที่มีโครงสร้างและการควบคุมขนาด ความหนา และสัณฐานวิทยาของวัสดุที่มีความละเอียดอ่อนได้อย่างแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการผลิตเซ็นเซอร์ระดับเวเฟอร์ที่มีต้นทุนต่ำซึ่งมีความสามารถในการทำซ้ำและความไวสูงตัวอย่างเช่น Liu และคณะ174 เสนอกลยุทธ์จากบนลงล่างและล่างขึ้นบนร่วมกันสำหรับการผลิตผลึกที่มีปริมาณงานสูงโดยการปลูกผนังนาโนในแหล่งกำเนิด Ni(OH)2 ที่ตำแหน่งเฉพาะ.เวเฟอร์สำหรับไมโครเบิร์นเนอร์
นอกจากนี้ การพิจารณาผลกระทบของความชื้นต่อเซ็นเซอร์ในการใช้งานจริงเป็นสิ่งสำคัญเช่นกันโมเลกุลของน้ำสามารถแข่งขันกับโมเลกุลออกซิเจนเพื่อดูดซับไซต์ในวัสดุเซ็นเซอร์ และส่งผลต่อความรับผิดชอบของเซ็นเซอร์สำหรับก๊าซเป้าหมายเช่นเดียวกับออกซิเจน น้ำทำหน้าที่เป็นโมเลกุลผ่านการดูดซับทางกายภาพ และยังสามารถมีอยู่ในรูปของไฮดรอกซิลเรดิคัลหรือกลุ่มไฮดรอกซิลที่สถานีออกซิเดชันต่างๆ ผ่านการดูดซับด้วยเคมีนอกจากนี้ เนื่องจากสภาพแวดล้อมในระดับสูงและความชื้นผันแปร การตอบสนองที่เชื่อถือได้ของเซ็นเซอร์ต่อก๊าซเป้าหมายจึงเป็นปัญหาใหญ่กลยุทธ์ต่างๆ ได้รับการพัฒนาเพื่อแก้ไขปัญหานี้ เช่น การปรับความเข้มข้นของแก๊ส 177 การชดเชยความชื้น และวิธีการขัดแตะระหว่างปฏิกิริยา 178 รวมทั้งวิธีการทำให้แห้ง 179,180อย่างไรก็ตาม วิธีการเหล่านี้มีราคาแพง ซับซ้อน และลดความไวของเซ็นเซอร์มีการเสนอกลยุทธ์ที่ไม่แพงหลายอย่างเพื่อระงับผลกระทบของความชื้นตัวอย่างเช่น การตกแต่ง SnO2 ด้วยอนุภาคนาโน Pd สามารถส่งเสริมการแปลงออกซิเจนที่ดูดซับไปเป็นอนุภาคประจุลบ ในขณะที่การทำให้ SnO2 ทำงานด้วยวัสดุที่มีความสัมพันธ์สูงต่อโมเลกุลของน้ำ เช่น NiO และ CuO เป็นสองวิธีในการป้องกันการพึ่งพาความชื้นของโมเลกุลของน้ำ.เซ็นเซอร์ 181, 182, 183 นอกจากนี้ยังสามารถลดผลกระทบของความชื้นได้โดยใช้วัสดุที่ไม่ชอบน้ำเพื่อสร้างพื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำ36,138,184,185อย่างไรก็ตาม การพัฒนาเซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซที่ทนความชื้นยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น และจำเป็นต้องมีกลยุทธ์ขั้นสูงเพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้
โดยสรุป การปรับปรุงประสิทธิภาพในการตรวจจับ (เช่น ความไว การเลือก อุณหภูมิการทำงานที่เหมาะสมต่ำ) ทำได้โดยการสร้างโครงสร้างเฮเทอโรนาโนของ MOS และเสนอกลไกการตรวจจับที่ได้รับการปรับปรุงต่างๆเมื่อศึกษากลไกการตรวจจับของเซ็นเซอร์โดยเฉพาะ ต้องคำนึงถึงโครงสร้างทางเรขาคณิตของอุปกรณ์ด้วยการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุตรวจจับใหม่และการวิจัยเกี่ยวกับกลยุทธ์การประดิษฐ์ขั้นสูงจะต้องปรับปรุงประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ก๊าซและจัดการกับความท้าทายที่เหลืออยู่ในอนาคตสำหรับการปรับควบคุมลักษณะเฉพาะของเซนเซอร์ จำเป็นต้องสร้างความสัมพันธ์ระหว่างวิธีการสังเคราะห์ของวัสดุเซนเซอร์และการทำงานของโครงสร้างเฮเทอโรนาอย่างเป็นระบบนอกจากนี้ การศึกษาปฏิกิริยาพื้นผิวและการเปลี่ยนแปลงในอินเทอร์เฟซแบบเฮเทอโรโดยใช้วิธีการระบุลักษณะเฉพาะที่ทันสมัย ​​สามารถช่วยอธิบายกลไกของการรับรู้และให้คำแนะนำสำหรับการพัฒนาเซ็นเซอร์ตามวัสดุที่มีโครงสร้างแบบเฮเทอโรนาสุดท้าย การศึกษากลยุทธ์การผลิตเซนเซอร์สมัยใหม่อาจช่วยให้สามารถสร้างเซนเซอร์ก๊าซขนาดเล็กที่ระดับเวเฟอร์สำหรับการใช้งานทางอุตสาหกรรมได้
Genzel, NN และคณะการศึกษาระยะยาวของระดับไนโตรเจนไดออกไซด์ในร่มและอาการระบบทางเดินหายใจในเด็กที่เป็นโรคหอบหืดในเขตเมืองละแวกบ้าน.มุมมองด้านสุขภาพ116, 1428–1432 (2008)


โพสต์เวลา: พ.ย.-04-2022