Amplificação do desempenho do sensor de amônia através da modulação da portadora induzida por porta em Cur

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8159 (2023) Cite este artigo

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Atividades humanas e industriais descontroladas levam ao aumento da demanda por sensores de gás seletivos para detecção de gases venenosos em nosso ambiente. Os sensores de gás resistivos convencionais sofrem de sensibilidade predeterminada e baixa seletividade entre os gases. Este artigo demonstra transistor de efeito de campo de óxido de grafeno reduzido com curcumina para detecção seletiva e sensível de amônia no ar. A camada sensora foi caracterizada por difração de raios X, FESEM e HRTEM para confirmar suas características estruturais e morfológicas. Espectroscopia Raman, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier e espectroscopia de fotoelétrons de raios-X foram realizadas para analisar as porções funcionais presentes na camada de detecção. O óxido de grafeno reduzido com curcumina introduz grupos hidroxila suficientes na camada de detecção para fornecer alto grau de seletividade em relação aos vapores de amônia. O desempenho do dispositivo sensor foi avaliado em tensão de porta positiva, negativa e zero. A modulação da portadora no canal através da eletrostática do portão revelou que os portadores minoritários (elétrons) no óxido de grafeno reduzido do tipo p desempenham um papel fundamental no aprimoramento da sensibilidade do dispositivo sensor. A resposta do sensor foi aprimorada para 634% para amônia de 50 ppm em tensão de porta de 0,6 V em comparação com 23,2% e 39,3% em 0 V e − 3 V, respectivamente. O sensor exibiu resposta e recuperação mais rápidas em 0,6 V devido à maior mobilidade dos elétrons e mecanismo de transferência rápida de carga. O sensor exibiu características satisfatórias de resistência à umidade e alta estabilidade. Portanto, o dispositivo de transistor de efeito de campo de seda de óxido de grafeno reduzido com curcumina com polarização de porta adequada elucida uma excelente detecção de amônia e pode ser um candidato potencial para o futuro sistema portátil de detecção de gás em temperatura ambiente e baixa potência.

Devido ao aumento das atividades nas indústrias química, alimentícia e automobilística, há uma demanda significativa para o desenvolvimento de detectores de gás manuais e operados por bateria1. Essas demandas exigem pesquisas intensivas para a fabricação de sensores de gás miniaturizados, de temperatura ambiente e de baixa potência. Neste contexto, camadas sensoras baseadas em semicondutores de óxidos metálicos (ZnO, TiO2, SnO2, WO3 etc.2,3,4,5) são amplamente exploradas. Essas camadas de detecção são altamente atraentes devido à sua enorme sensibilidade, mas seu funcionamento requer altas temperaturas de operação (normalmente na faixa de 200 a 450 °C). O orçamento de alta potência de óxidos metálicos limita seu uso em sistemas portáteis de detecção de gás em temperatura ambiente. Por exemplo, sensores Taguchi baseados em SnO2 (Figaro Japan) que estão disponíveis comercialmente, utilizam 200 mW de potência. Portanto, são necessários esforços para desenvolver sensores de temperatura ambiente e baixa potência. Existem várias tentativas nesse sentido6,7,8,9, que visam integrar os sensores com a plataforma CMOS amadurecida. Certos gases como amônia, sulfeto de hidrogênio têm baixa temperatura de ignição e são altamente inflamáveis. Portanto, os pesquisadores se concentraram na síntese de nanomateriais funcionalizados que operam em temperatura ambiente. Esses materiais incluem nanomateriais bidimensionais (grafeno), di-calcogenetos de metais de transição (MoS2, WS2), fósforo preto, estruturas metálicas orgânicas, etc.

O grafeno, um nanomaterial bidimensional, tem recebido atenção significativa devido à sua enorme área de superfície, estabilidade térmica e mecânica, alta mobilidade e flexibilidade10. O grafeno é considerado altamente sensível a diferentes analitos de gás. A estrutura bidimensional em favo de mel, juntamente com uma única camada de átomos de carbono, facilita uma maior sensibilidade em relação a diferentes analitos. O grafeno puro, livre de defeitos, tem pouca energia de adsorção para diferentes gases. A introdução de defeitos e dopantes na matriz de grafeno deve aumentar o nível de energia de adsorção e facilitar uma melhor transferência de carga entre os analitos alvo e a matriz de grafeno. A esfoliação química do grafeno leva ao óxido de grafeno, que na redução produz óxido de grafeno reduzido (RGO). O óxido de grafeno reduzido consiste em vários locais de defeitos junto com várias porções funcionais, que introduz vários locais ativos para adsorção de gases alvo. A maior vantagem do RGO é a capacidade de detectar gases residuais mesmo à temperatura ambiente. Isso torna o RGO um candidato ideal para ser utilizado em sensores de gás portáteis de temperatura ambiente, baixa potência e geração futura.

350 ppm)11,12. In case of prolonged exposure, severe health issues are observed in human beings, including death. According to OSHA (Occupational safety and health administration), 15–28% ammonia concentration by volume in air is considered highly dangerous to health13. The flammable nature of ammonia demands fabrication of sensors that must operate at room temperature. Few chemo-resistive ammonia sensors based on graphene are developed11,14,15,16,17,18,19,20,21, however their performances are not satisfactory. RGO based sensors that are previously reported, suffer from large response and recovery, baseline drift, poor recoverability, and unsatisfactory selectivity. Earlier reports on graphene-based gas sensors lack analysis under humidity environments. In case of resistive sensors, once the sensing layer gets deposited, it cannot be further tuned or modulated. These factors boost the motivation towards development of Field effect transistor (FET) based gas sensors, where the channel can be modulated even after the sensor is fabricated. This strategy might facilitate "sensitivity enhancement" by controlling the number of effective carriers in the channel region22./p> type silicon wafer having resistivity 4–20 Ω-cm. A 200 nm thermal oxide (dry–wet-dry) was grown over silicon to achieve proper insulation. Deposition of 50 nm aluminum layer was carried out by thermal evaporation, which acted as the gate electrode. Dielectric layer of 200 nm silk solution was spin coated over the aluminum film. Source and drain electrodes were fabricated using DC sputtering, 20 nm titanium (Ti) adhesive layer was deposited followed by 100 nm gold (Au) through a shadow mask. Interdigit gap of 200 μm was achieved between the fingers. The width of the electrodes was 500 μm. The sensing material (Cur-rGO) was deposited onto the gaps by simple drop casting technique. The schematic of the fabricated Silk-FET device is depicted in Fig. 9./p>