헤테로나노구조 금속 산화물

마이크로시스템 및 나노공학 8권, 기사 번호: 85(2022) 이 기사 인용

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고성능, 휴대형, 소형화 가스 센서의 개발로 인해 환경 모니터링, 보안, 의료 진단 및 농업 분야에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 다양한 감지 도구 중에서 MOS(금속 산화물 반도체) 기반 화학 저항성 가스 센서는 상업용 응용 분야에서 가장 널리 사용되는 선택이며 높은 안정성, 저렴한 비용 및 높은 감도라는 장점을 가지고 있습니다. 센서 성능을 더욱 향상시키는 가장 중요한 방법 중 하나는 MOS 나노물질로부터 MOS 기반 나노규모 이종접합(이종 나노구조 MOS)을 구성하는 것입니다. 그러나 헤테로 나노 구조 MOS 기반 센서의 감지 메커니즘은 상당히 복잡하다는 점에서 단일 MOS 기반 가스 센서의 감지 메커니즘과 다릅니다. 센서의 성능은 감지 물질의 물리적 및 화학적 특성(예: 입자 크기, 결함 밀도 및 물질의 산소 결손), 작동 온도 및 장치 구조를 포함한 다양한 매개변수의 영향을 받습니다. 본 리뷰에서는 헤테로나노구조 MOS 기반 센서의 감지 메커니즘을 분석하여 고성능 가스 센서 설계의 여러 개념을 소개합니다. 또한 감지 물질과 작동 전극 사이의 상호 연결에 의해 결정되는 기하학적 장치 구조의 영향에 대해 논의합니다. 센서의 감지 동작을 체계적으로 조사하기 위해 이 검토에서는 서로 다른 헤테로나노 구조 재료를 기반으로 하는 세 가지 일반적인 유형의 기하학적 장치 구조의 일반적인 감지 메커니즘을 소개하고 논의합니다. 본 리뷰는 향후 가스 센서의 감지 메커니즘을 연구하고 고성능 가스 센서를 설계하는 독자들에게 지침을 제공할 것입니다.

대기 오염은 인간과 유기체의 안녕을 위협하는 점점 더 우려되는 문제이자 전 세계적으로 심각한 환경 문제가 되고 있습니다. 가스 오염 물질을 흡입하면 호흡기 질환, 폐암, 백혈병, 심지어 조기 사망 등 많은 건강 문제가 발생할 수 있습니다1,2,3,4. 2012년부터 2016년까지 수백만 명의 사람들이 대기 오염으로 사망했으며 매년 수십억 명의 사람들이 열악한 대기 질에 직면하고 있는 것으로 보고되었습니다5. 따라서 실시간 피드백과 높은 감지 성능(예: 감도, 선택성, 안정성, 응답 및 복구 시간)을 제공할 수 있는 휴대용 및 소형 가스 센서를 개발하는 것이 중요합니다. 환경 모니터링 외에도 가스 센서는 보안6,7,8, 의료 진단9,10, 양식업11 및 기타 분야12에서도 중요한 역할을 합니다.

현재까지 광학13,14,15,16,17,18, 전기화학19,20,21,22 및 화학 저항 센서23,24와 같은 다양한 감지 메커니즘을 기반으로 하는 여러 유형의 휴대용 가스 센서가 제공되었습니다. 그중에서도 금속 산화물 반도체(MOS) 기반 화학 저항 센서는 높은 안정성과 저렴한 비용으로 인해 상용 응용 분야에서 가장 널리 사용됩니다. MOS의 저항 변화를 간단히 감지함으로써 오염 물질의 농도를 얻을 수 있습니다. 1960년대 초, ZnO 필름을 기반으로 한 최초의 화학저항성 가스 센서가 보고되었으며, 이는 가스 감지 분야에서 큰 관심을 불러일으켰습니다27,28. 현재까지 다양한 MOS가 가스 감지 재료로 사용되었으며 물리적 특성에 따라 전자가 대부분의 전하 캐리어인 n형 MOS와 홀이 대부분의 전하인 p형 MOS로 나눌 수 있습니다. 캐리어. 일반적으로 p형 MOS는 n형 MOS보다 덜 인기가 있습니다. 그 이유는 p형 MOS의 감지 응답(Sp)이 n형 MOS의 제곱근에 비례하기 때문입니다(\(S_p = \sqrt {S_n}\ )) 동일한 가정(예: 동일한 형태학적 구성 및 공기 중 동일한 밴드 굽힘 변경)29,30. 그러나 단일 MOS 기반 센서의 실제 적용에는 여전히 감지 한계가 부족하고 감도와 선택성이 떨어지는 등 몇 가지 문제가 있습니다. 선택성 문제는 "전자 코"로 알려진 센서 배열을 구성하고 학습 벡터 양자화(LVQ), 주성분 분석(PCA) 및 부분 최소 제곱(PLS)과 같은 계산 분석 알고리즘을 결합함으로써 어느 정도 해결될 수 있습니다. 분석31,32,33,34,35. 또한, 저차원 MOS32,36,37,38,39(예: 1차원(1D), 0D 및 2D 나노물질)의 제조 및 다른 나노물질(예: MOS40,41,42, 고귀한 물질)을 사용한 백본 MOS의 변형 나노규모 이종접합(즉, 이종나노구조 MOS)을 구성하기 위한 금속 나노입자(NP)43,44, 탄소 나노물질45,46 및 전도성 폴리머47,48)는 위에서 언급한 문제를 해결하기 위한 또 다른 바람직한 접근법입니다. 기존의 두꺼운 MOS 필름과 비교하여 비표면적이 큰 저차원 MOS는 가스 흡착을 위한 더 많은 활성화 사이트를 제공하고 가스 확산을 촉진할 수 있습니다. 또한, MOS 기반 헤테로나노구조의 설계는 헤테로인터페이스에서 캐리어 전송을 추가로 변조할 수 있어 다양한 작업 기능으로 인해 더 큰 저항 변화를 초래할 수 있습니다. 더욱이, MOS 헤테로나노구조 설계에서 발생하는 일부 화학적 효과(예: 촉매 활성 및 시너지 표면 반응)도 센서 성능을 향상시킬 수 있습니다50,53,54. MOS 기반 헤테로나노 구조의 설계 및 구성은 센서 성능을 향상시키는 유망한 접근 방식이지만 현재의 화학 저항 센서는 종종 시간이 많이 걸리고 비효율적인 시행착오 유형 접근 방식을 사용합니다. 따라서 MOS 기반 가스 센서의 센싱 메커니즘을 이해하는 것은 고성능 센서의 방향 설계에 대한 지침을 제공할 수 있으므로 중요합니다.

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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