इंडोर कार्बन मोनोऑक्साइड कार्बन डाइऑक्साइड मीथेन क्लोरीन और अन्य बहु-पैरामीटर गैस डिटेक्टर अलार्म उपकरण

पर्यावरण निगरानी, ​​सुरक्षा, चिकित्सा निदान और कृषि के क्षेत्र में उच्च प्रदर्शन, पोर्टेबल और लघु गैस सेंसर का विकास बढ़ रहा है।विभिन्न डिटेक्शन टूल्स में, मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर (MOS) केमो-रेसिस्टिव गैस सेंसर अपनी उच्च स्थिरता, कम लागत और उच्च संवेदनशीलता के कारण व्यावसायिक अनुप्रयोगों के लिए सबसे लोकप्रिय विकल्प हैं।सेंसर के प्रदर्शन को और बेहतर बनाने के लिए सबसे महत्वपूर्ण दृष्टिकोणों में से एक एमओएस नैनोमैटिरियल्स से नैनोसाइज्ड एमओएस-आधारित हेटेरोजंक्शन (हेटेरो-नैनोस्ट्रक्चर्ड एमओएस) का निर्माण है।हालांकि, हेटेरोनोस्ट्रक्चर्ड एमओएस सेंसर का सेंसिंग मैकेनिज्म सिंगल एमओएस गैस सेंसर से अलग है, क्योंकि यह काफी जटिल है।संवेदनशील सामग्री के भौतिक और रासायनिक गुणों (जैसे अनाज का आकार, दोष घनत्व, और सामग्री ऑक्सीजन रिक्तियों), ऑपरेटिंग तापमान और डिवाइस संरचना सहित विभिन्न मापदंडों से सेंसर का प्रदर्शन प्रभावित होता है।यह समीक्षा विषम नैनोसंरचित एमओएस सेंसर के संवेदन तंत्र का विश्लेषण करके उच्च प्रदर्शन गैस सेंसर को डिजाइन करने के लिए कई अवधारणाएं प्रस्तुत करती है।इसके अलावा, संवेदनशील सामग्री और काम कर रहे इलेक्ट्रोड के बीच संबंध द्वारा निर्धारित डिवाइस की ज्यामितीय संरचना के प्रभाव पर चर्चा की जाती है।सेंसर व्यवहार का व्यवस्थित रूप से अध्ययन करने के लिए, यह लेख विभिन्न हेटेरोनोस्ट्रक्चर सामग्री के आधार पर उपकरणों की तीन विशिष्ट ज्यामितीय संरचनाओं की धारणा के सामान्य तंत्र का परिचय और चर्चा करता है।यह अवलोकन भविष्य के पाठकों के लिए एक मार्गदर्शक के रूप में काम करेगा जो गैस सेंसर के संवेदनशील तंत्र का अध्ययन करते हैं और उच्च प्रदर्शन गैस सेंसर विकसित करते हैं।
वायु प्रदूषण एक तेजी से गंभीर समस्या है और एक गंभीर वैश्विक पर्यावरणीय समस्या है जो लोगों और जीवित प्राणियों की भलाई के लिए खतरा है।गैसीय प्रदूषकों के साँस लेने से कई स्वास्थ्य समस्याएं हो सकती हैं जैसे श्वसन रोग, फेफड़े का कैंसर, ल्यूकेमिया और यहां तक ​​कि अकाल मृत्यु 1,2,3,4।2012 से 2016 तक, वायु प्रदूषण से लाखों लोगों के मारे जाने की सूचना मिली थी, और हर साल अरबों लोग खराब वायु गुणवत्ता के संपर्क में थे।इसलिए, पोर्टेबल और लघु गैस सेंसर विकसित करना महत्वपूर्ण है जो वास्तविक समय प्रतिक्रिया और उच्च पहचान प्रदर्शन (जैसे, संवेदनशीलता, चयनात्मकता, स्थिरता, और प्रतिक्रिया और पुनर्प्राप्ति समय) प्रदान कर सकता है।पर्यावरण निगरानी के अलावा, गैस सेंसर 6,7,8 सुरक्षा, चिकित्सा निदान 9,10, जलीय कृषि 11 और अन्य क्षेत्रों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।
आज तक, विभिन्न संवेदन तंत्रों पर आधारित कई पोर्टेबल गैस सेंसर पेश किए गए हैं, जैसे कि ऑप्टिकल13,14,15,16,17,18, इलेक्ट्रोकेमिकल19,20,21,22 और रासायनिक प्रतिरोधक सेंसर23,24।उनमें से, धातु-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर (एमओएस) रासायनिक प्रतिरोधक सेंसर वाणिज्यिक अनुप्रयोगों में उनकी उच्च स्थिरता और कम लागत के कारण सबसे लोकप्रिय हैं।एमओएस प्रतिरोध में परिवर्तन का पता लगाकर संदूषक एकाग्रता को केवल निर्धारित किया जा सकता है।1960 के दशक की शुरुआत में, ZnO पतली फिल्मों पर आधारित पहले कीमो-प्रतिरोधक गैस सेंसर की सूचना दी गई, जिससे गैस का पता लगाने के क्षेत्र में बहुत रुचि पैदा हुई।आज, कई अलग-अलग एमओएस गैस संवेदनशील सामग्री के रूप में उपयोग किए जाते हैं, और उन्हें उनके भौतिक गुणों के आधार पर दो श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: अधिकांश चार्ज वाहक के रूप में इलेक्ट्रॉनों के साथ एन-टाइप एमओएस और बहुसंख्यक चार्ज वाहक के रूप में छेद वाले पी-टाइप एमओएस।चार्ज वाहक।सामान्य तौर पर, पी-टाइप एमओएस एन-टाइप एमओएस से कम लोकप्रिय है क्योंकि पी-टाइप एमओएस (एसपी) की आगमनात्मक प्रतिक्रिया एन-टाइप एमओएस (\(S_p = \sqrt {) के वर्गमूल के समानुपाती होती है। S_n}\ ) ) समान मान्यताओं पर (उदाहरण के लिए, समान रूपात्मक संरचना और हवा में बैंड के झुकने में समान परिवर्तन) 29,30।हालाँकि, सिंगल-बेस MOS सेंसर अभी भी अपर्याप्त पहचान सीमा, कम संवेदनशीलता और व्यावहारिक अनुप्रयोगों में चयनात्मकता जैसी समस्याओं का सामना करते हैं।चयनात्मकता के मुद्दों को कुछ हद तक सेंसर (जिसे "इलेक्ट्रॉनिक नाक" कहा जाता है) बनाकर और कम्प्यूटेशनल विश्लेषण एल्गोरिदम जैसे प्रशिक्षण वेक्टर क्वांटिज़ेशन (एलवीक्यू), प्रमुख घटक विश्लेषण (पीसीए), और आंशिक कम से कम वर्ग (पीएलएस) विश्लेषण शामिल करके संबोधित किया जा सकता है। 32, 33, 34, 35. इसके अलावा, निम्न-आयामी MOS32,36,37,38,39 (जैसे एक-आयामी (1D), 0D और 2D नैनोमटेरियल्स) का उत्पादन, साथ ही अन्य नैनोमटेरियल्स का उपयोग ( उदाहरण के लिए MOS40,41,42, नोबल मेटल नैनोपार्टिकल्स (NPs))43,44, कार्बन नैनोमैटेरियल्स 45,46 और कंडक्टिव पॉलिमर 47,48) नैनोस्केल हेटेरोजंक्शंस (यानी, हेटेरोनोस्ट्रक्चर्ड MOS) बनाने के लिए उपरोक्त समस्याओं को हल करने के लिए अन्य पसंदीदा दृष्टिकोण हैं।पारंपरिक मोटी एमओएस फिल्मों की तुलना में, उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र वाले निम्न-आयामी एमओएस गैस सोखने के लिए अधिक सक्रिय साइट प्रदान कर सकते हैं और गैस प्रसार को सुविधाजनक बना सकते हैं।इसके अलावा, एमओएस-आधारित हेटेरोनोस्ट्रक्चर का डिज़ाइन हेटेरोइंटरफेस पर वाहक परिवहन को और अधिक ट्यून कर सकता है, जिसके परिणामस्वरूप विभिन्न ऑपरेटिंग कार्यों 50,51,52 के कारण प्रतिरोध में बड़े बदलाव होते हैं।इसके अलावा, कुछ रासायनिक प्रभाव (जैसे, उत्प्रेरक गतिविधि और सहक्रियात्मक सतह प्रतिक्रियाएं) जो एमओएस हेटेरोनोस्ट्रक्चर के डिजाइन में होते हैं, सेंसर के प्रदर्शन में भी सुधार कर सकते हैं। सेंसर प्रदर्शन, आधुनिक कीमो-प्रतिरोधक सेंसर आमतौर पर परीक्षण और त्रुटि का उपयोग करते हैं, जो समय लेने वाली और अक्षम है।इसलिए, एमओएस आधारित गैस सेंसर के सेंसिंग तंत्र को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह उच्च प्रदर्शन दिशात्मक सेंसर के डिजाइन का मार्गदर्शन कर सकता है।
हाल के वर्षों में, एमओएस गैस सेंसर तेजी से विकसित हुए हैं और एमओएस नैनोस्ट्रक्चर 55,56,57, कमरे के तापमान गैस सेंसर 58,59, विशेष एमओएस सेंसर सामग्री 60,61,62 और विशेष गैस सेंसर 63 पर कुछ रिपोर्ट प्रकाशित की गई हैं।अन्य समीक्षाओं में एक समीक्षा पत्र एमओएस के आंतरिक भौतिक और रासायनिक गुणों के आधार पर गैस सेंसर के संवेदन तंत्र को स्पष्ट करने पर केंद्रित है, जिसमें ऑक्सीजन रिक्तियों की भूमिका 64, हेटेरोनोस्ट्रक्चर की भूमिका 55, 65 और हेटेरोइंटरफेस 66 पर चार्ज ट्रांसफर शामिल हैं। इसके अलावा , कई अन्य पैरामीटर सेंसर के प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं, जिसमें हेटरोस्ट्रक्चर, अनाज का आकार, ऑपरेटिंग तापमान, दोष घनत्व, ऑक्सीजन रिक्तियां, और यहां तक ​​कि संवेदनशील सामग्री के खुले क्रिस्टल प्लेन 25,67,68,69,70,71 शामिल हैं।72, 73. हालांकि, संवेदन सामग्री और कार्यशील इलेक्ट्रोड के बीच संबंध द्वारा निर्धारित डिवाइस की (शायद ही कभी उल्लेखित) ज्यामितीय संरचना, सेंसर की संवेदनशीलता को भी महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती है74,75,76 (अधिक विवरण के लिए अनुभाग 3 देखें) .उदाहरण के लिए, कुमार एट अल।77 ने एक ही सामग्री के आधार पर दो गैस सेंसर की सूचना दी (उदाहरण के लिए, TiO2@NiO और NiO@TiO2 पर आधारित दो-परत गैस सेंसर) और विभिन्न डिवाइस ज्यामिति के कारण NH3 गैस प्रतिरोध में विभिन्न परिवर्तनों को देखा।इसलिए, गैस-संवेदन तंत्र का विश्लेषण करते समय, डिवाइस की संरचना को ध्यान में रखना महत्वपूर्ण है।इस समीक्षा में, लेखक विभिन्न विषम नैनोस्ट्रक्चर और डिवाइस संरचनाओं के लिए एमओएस-आधारित पहचान तंत्र पर ध्यान केंद्रित करते हैं।हमारा मानना ​​है कि यह समीक्षा उन पाठकों के लिए एक मार्गदर्शक के रूप में काम कर सकती है जो गैस का पता लगाने के तंत्र को समझना और उसका विश्लेषण करना चाहते हैं और भविष्य के उच्च प्रदर्शन वाले गैस सेंसर के विकास में योगदान कर सकते हैं।
अंजीर पर।1a एकल MOS पर आधारित गैस सेंसिंग तंत्र के मूल मॉडल को दर्शाता है।जैसे ही तापमान बढ़ता है, MOS सतह पर ऑक्सीजन (O2) अणुओं का सोखना MOS से इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करेगा और आयनिक प्रजाति (जैसे O2- और O-) का निर्माण करेगा।फिर, एन-टाइप एमओएस के लिए एक इलेक्ट्रॉन कमी परत (ईडीएल) या पी-टाइप एमओएस के लिए एक छेद संचय परत (एचएएल) एमओएस 15, 23, 78 की सतह पर बनाई जाती है। ओ 2 और के बीच की बातचीत MOS सतह के चालन बैंड को MOS को ऊपर की ओर मोड़ने और एक संभावित अवरोध बनाने का कारण बनता है।इसके बाद, जब सेंसर लक्ष्य गैस के संपर्क में आता है, तो एमओएस की सतह पर adsorbed गैस आयनिक ऑक्सीजन प्रजातियों के साथ प्रतिक्रिया करती है, या तो इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करती है (ऑक्सीकरण गैस) या इलेक्ट्रॉनों को दान करती है (गैस को कम करती है)।लक्ष्य गैस और एमओएस के बीच इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण ईडीएल या एचएएल 30,81 की चौड़ाई को समायोजित कर सकता है जिसके परिणामस्वरूप एमओएस सेंसर के समग्र प्रतिरोध में परिवर्तन होता है।उदाहरण के लिए, एक कम करने वाली गैस के लिए, इलेक्ट्रॉनों को कम करने वाली गैस से एन-टाइप एमओएस में स्थानांतरित किया जाएगा, जिसके परिणामस्वरूप कम ईडीएल और कम प्रतिरोध होता है, जिसे एन-टाइप सेंसर व्यवहार कहा जाता है।इसके विपरीत, जब एक पी-टाइप एमओएस एक कम करने वाली गैस के संपर्क में आता है जो पी-टाइप संवेदनशीलता व्यवहार को निर्धारित करता है, एचएएल सिकुड़ जाता है और इलेक्ट्रॉन दान के कारण प्रतिरोध बढ़ जाता है।ऑक्सीकरण गैसों के लिए, सेंसर प्रतिक्रिया गैसों को कम करने के लिए विपरीत है।
गैसों को कम करने और ऑक्सीकरण करने के लिए एन-टाइप और पी-टाइप एमओएस के लिए बुनियादी पहचान तंत्र बी सेमीकंडक्टर गैस सेंसर में शामिल प्रमुख कारक और भौतिक-रासायनिक या भौतिक गुण 89
बुनियादी पहचान तंत्र के अलावा, व्यावहारिक गैस सेंसर में उपयोग किए जाने वाले गैस का पता लगाने वाले तंत्र काफी जटिल होते हैं।उदाहरण के लिए, गैस सेंसर का वास्तविक उपयोग उपयोगकर्ता की जरूरतों के आधार पर कई आवश्यकताओं (जैसे संवेदनशीलता, चयनात्मकता और स्थिरता) को पूरा करना चाहिए।ये आवश्यकताएं संवेदनशील सामग्री के भौतिक और रासायनिक गुणों से निकटता से संबंधित हैं।उदाहरण के लिए, Xu et al.71 ने प्रदर्शित किया कि SnO2 आधारित सेंसर उच्चतम संवेदनशीलता प्राप्त करते हैं जब क्रिस्टल व्यास (d) SnO271 की डेबी लंबाई (λD) के दोगुने के बराबर या उससे कम होता है।जब d 2λD, O2 अणुओं के सोखने के बाद SnO2 पूरी तरह से समाप्त हो जाता है, और कम करने वाली गैस के लिए सेंसर की प्रतिक्रिया अधिकतम होती है।इसके अलावा, कई अन्य पैरामीटर सेंसर के प्रदर्शन को प्रभावित कर सकते हैं, जिसमें ऑपरेटिंग तापमान, क्रिस्टल दोष और यहां तक ​​​​कि सेंसिंग सामग्री के उजागर क्रिस्टल प्लेन शामिल हैं।विशेष रूप से, ऑपरेटिंग तापमान के प्रभाव को लक्ष्य गैस के सोखने और सोखने की दरों के बीच संभावित प्रतिस्पर्धा के साथ-साथ सोखने वाले गैस अणुओं और ऑक्सीजन कणों के बीच सतह की प्रतिक्रियाशीलता द्वारा समझाया गया है।क्रिस्टल दोषों का प्रभाव ऑक्सीजन रिक्तियों की सामग्री से दृढ़ता से संबंधित है [83, 84]।खुले क्रिस्टल चेहरों की विभिन्न प्रतिक्रियाशीलता से सेंसर का संचालन भी प्रभावित हो सकता है67,85,86,87।कम घनत्व वाले खुले क्रिस्टल विमान उच्च ऊर्जा वाले अधिक असंगठित धातु के पिंजरों को प्रकट करते हैं, जो सतह सोखना और प्रतिक्रियाशीलता को बढ़ावा देते हैं।तालिका 1 में कई प्रमुख कारक और उनसे जुड़े बेहतर अवधारणात्मक तंत्र सूचीबद्ध हैं।इसलिए, इन भौतिक मापदंडों को समायोजित करके, पता लगाने के प्रदर्शन में सुधार किया जा सकता है, और सेंसर के प्रदर्शन को प्रभावित करने वाले प्रमुख कारकों को निर्धारित करना महत्वपूर्ण है।
Yamazoe89 और Shimanoe et al.68,71 ने सेंसर धारणा के सैद्धांतिक तंत्र पर कई अध्ययन किए और सेंसर प्रदर्शन, विशेष रूप से रिसेप्टर फ़ंक्शन, ट्रांसड्यूसर फ़ंक्शन और उपयोगिता (छवि 1 बी) को प्रभावित करने वाले तीन स्वतंत्र प्रमुख कारकों का प्रस्ताव दिया।.रिसेप्टर फ़ंक्शन गैस अणुओं के साथ बातचीत करने के लिए एमओएस सतह की क्षमता को संदर्भित करता है।यह फ़ंक्शन एमओएस के रासायनिक गुणों से निकटता से संबंधित है और विदेशी स्वीकर्ता (उदाहरण के लिए, धातु एनपी और अन्य एमओएस) को पेश करके काफी सुधार किया जा सकता है।ट्रांसड्यूसर फ़ंक्शन गैस और एमओएस सतह के बीच प्रतिक्रिया को एमओएस की अनाज सीमाओं के प्रभुत्व वाले विद्युत सिग्नल में परिवर्तित करने की क्षमता को संदर्भित करता है।इस प्रकार, संवेदी कार्य एमओसी कण आकार और विदेशी रिसेप्टर्स के घनत्व से काफी प्रभावित होता है।Katoch et al.90 ने बताया कि ZnO-SnO2 नैनोफिब्रिल्स के दाने के आकार में कमी के परिणामस्वरूप ट्रांसड्यूसर कार्यक्षमता के अनुरूप कई हेटेरोजंक्शन और सेंसर संवेदनशीलता में वृद्धि हुई।Wang et al.91 ने Zn2GeO4 के विभिन्न अनाज आकारों की तुलना की और अनाज की सीमाओं को शुरू करने के बाद सेंसर संवेदनशीलता में 6.5 गुना वृद्धि का प्रदर्शन किया।उपयोगिता एक अन्य प्रमुख सेंसर प्रदर्शन कारक है जो आंतरिक एमओएस संरचना में गैस की उपलब्धता का वर्णन करता है।यदि गैस के अणु आंतरिक एमओएस में प्रवेश और प्रतिक्रिया नहीं कर सकते हैं, तो सेंसर की संवेदनशीलता कम हो जाएगी।उपयोगिता एक विशेष गैस की प्रसार गहराई से निकटता से संबंधित है, जो संवेदन सामग्री के छिद्र आकार पर निर्भर करती है।सकाई एट अल।92 ने गैसों को प्रवाहित करने के लिए सेंसर की संवेदनशीलता को प्रतिरूपित किया और पाया कि गैस के आणविक भार और सेंसर झिल्ली के छिद्र त्रिज्या दोनों सेंसर झिल्ली में विभिन्न गैस प्रसार गहराई पर सेंसर की संवेदनशीलता को प्रभावित करते हैं।ऊपर की चर्चा से पता चलता है कि उच्च प्रदर्शन वाले गैस सेंसर को रिसेप्टर फ़ंक्शन, ट्रांसड्यूसर फ़ंक्शन और उपयोगिता को संतुलित और अनुकूलित करके विकसित किया जा सकता है।
उपरोक्त कार्य एकल एमओएस के बुनियादी धारणा तंत्र को स्पष्ट करता है और कई कारकों पर चर्चा करता है जो एमओएस के प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं।इन कारकों के अलावा, हेटरोस्ट्रक्चर पर आधारित गैस सेंसर सेंसर और रिसेप्टर कार्यों में काफी सुधार करके सेंसर के प्रदर्शन में और सुधार कर सकते हैं।इसके अलावा, हेटेरोनोस्ट्रक्चर उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं को बढ़ाकर, चार्ज ट्रांसफर को विनियमित करके और अधिक सोखना साइट बनाकर सेंसर के प्रदर्शन में और सुधार कर सकते हैं।तिथि करने के लिए, एमओएस हेटेरोनोस्ट्रक्चर पर आधारित कई गैस सेंसरों का अध्ययन बढ़ाया संवेदन के लिए तंत्र पर चर्चा करने के लिए किया गया है 95,96,97।मिलर एट अल।55 ने कई तंत्रों को संक्षेप में प्रस्तुत किया है, जो सतह-निर्भर, इंटरफ़ेस-निर्भर और संरचना-निर्भर सहित हेटेरोनोस्ट्रक्चर की संवेदनशीलता में सुधार करने की संभावना है।उनमें से, इंटरफ़ेस-निर्भर प्रवर्धन तंत्र एक सिद्धांत में सभी इंटरफ़ेस इंटरैक्शन को कवर करने के लिए बहुत जटिल है, क्योंकि हेटेरोनोस्ट्रक्चर सामग्री (उदाहरण के लिए, एनएन-हेटेरोजंक्शन, पीएन-हेटेरोजंक्शन, पीपी-हेटेरोजंक्शन, आदि) पर आधारित विभिन्न सेंसर का उपयोग किया जा सकता है। .शोट्की गाँठ)।आमतौर पर, एमओएस-आधारित हेटेरोनोस्ट्रक्चर्ड सेंसर में हमेशा दो या अधिक उन्नत सेंसर तंत्र 98,99,100 शामिल होते हैं।इन प्रवर्धन तंत्रों का सहक्रियात्मक प्रभाव सेंसर संकेतों के स्वागत और प्रसंस्करण को बढ़ा सकता है।इस प्रकार, शोधकर्ताओं को उनकी जरूरतों के अनुसार बॉटम-अप गैस सेंसर विकसित करने में मदद करने के लिए विषम नैनोस्ट्रक्चर सामग्री के आधार पर सेंसर की धारणा के तंत्र को समझना महत्वपूर्ण है।इसके अलावा, डिवाइस की ज्यामितीय संरचना भी सेंसर 74, 75, 76 की संवेदनशीलता को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर सकती है। सेंसर के व्यवहार का व्यवस्थित रूप से विश्लेषण करने के लिए, विभिन्न हेटेरोनोस्ट्रक्चर सामग्री के आधार पर तीन डिवाइस संरचनाओं के संवेदन तंत्र प्रस्तुत किए जाएंगे। और नीचे चर्चा की।
एमओएस आधारित गैस सेंसर के तेजी से विकास के साथ, विभिन्न हेटेरो-नैनोस्ट्रक्चर्ड एमओएस का प्रस्ताव किया गया है।हेटेरोइंटरफेस पर चार्ज ट्रांसफर घटकों के विभिन्न फर्मी स्तरों (ईएफ) पर निर्भर करता है।हेटेरोइंटरफेस पर, इलेक्ट्रॉन एक तरफ से एक बड़े ईएफ के साथ दूसरी तरफ एक छोटे ईएफ के साथ चलते हैं जब तक कि उनके फर्मी स्तर संतुलन तक नहीं पहुंच जाते हैं, और इसके विपरीत छेद।फिर हेटेरोइंटरफेस पर वाहक समाप्त हो जाते हैं और एक घटिया परत बनाते हैं।एक बार जब सेंसर लक्ष्य गैस के संपर्क में आ जाता है, तो हेटेरोनोस्ट्रक्चर्ड एमओएस कैरियर एकाग्रता में परिवर्तन होता है, जैसा कि बैरियर की ऊंचाई होती है, जिससे डिटेक्शन सिग्नल में वृद्धि होती है।इसके अलावा, हेटेरोनोस्ट्रक्चर बनाने के विभिन्न तरीकों से सामग्री और इलेक्ट्रोड के बीच अलग-अलग संबंध होते हैं, जो विभिन्न डिवाइस ज्यामिति और विभिन्न संवेदन तंत्र की ओर जाता है।इस समीक्षा में, हम तीन ज्यामितीय उपकरण संरचनाओं का प्रस्ताव करते हैं और प्रत्येक संरचना के लिए संवेदन तंत्र पर चर्चा करते हैं।
यद्यपि गैस का पता लगाने के प्रदर्शन में हेटेरोजंक्शन बहुत महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, पूरे सेंसर की डिवाइस ज्यामिति भी पता लगाने के व्यवहार को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर सकती है, क्योंकि सेंसर चालन चैनल का स्थान डिवाइस ज्यामिति पर अत्यधिक निर्भर है।हेटरोजंक्शन एमओएस उपकरणों की तीन विशिष्ट ज्यामिति पर चर्चा की गई है, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है। पहले प्रकार में, दो एमओएस कनेक्शन दो इलेक्ट्रोड के बीच बेतरतीब ढंग से वितरित किए जाते हैं, और प्रवाहकीय चैनल का स्थान मुख्य एमओएस द्वारा निर्धारित किया जाता है, दूसरा है विभिन्न एमओएस से विषम नैनोस्ट्रक्चर का गठन, जबकि केवल एक एमओएस इलेक्ट्रोड से जुड़ा है।इलेक्ट्रोड जुड़ा हुआ है, फिर प्रवाहकीय चैनल आमतौर पर एमओएस के अंदर स्थित होता है और सीधे इलेक्ट्रोड से जुड़ा होता है।तीसरे प्रकार में, दो सामग्रियों को दो इलेक्ट्रोडों से अलग-अलग जोड़ा जाता है, जो दो सामग्रियों के बीच गठित एक हेट्रोजंक्शन के माध्यम से डिवाइस का मार्गदर्शन करता है।
यौगिकों के बीच एक हाइफ़न (जैसे "SnO2-NiO") इंगित करता है कि दो घटक बस मिश्रित हैं (प्रकार I)।दो कनेक्शनों के बीच एक "@" चिन्ह (जैसे "SnO2@NiO") इंगित करता है कि मचान सामग्री (NiO) को टाइप II सेंसर संरचना के लिए SnO2 से सजाया गया है।एक स्लैश (जैसे "NiO/SnO2") एक प्रकार III सेंसर डिज़ाइन को इंगित करता है।
एमओएस कंपोजिट पर आधारित गैस सेंसर के लिए, दो एमओएस तत्व बेतरतीब ढंग से इलेक्ट्रोड के बीच वितरित किए जाते हैं।एमओएस कंपोजिट तैयार करने के लिए कई फैब्रिकेशन विधियों को विकसित किया गया है, जिसमें सोल-जेल, कोप्रेसिपिटेशन, हाइड्रोथर्मल, इलेक्ट्रोस्पिनिंग और मैकेनिकल मिक्सिंग मेथड 98,102,103,104 शामिल हैं।हाल ही में, धातु-कार्बनिक ढांचे (एमओएफ), धातु केंद्रों और कार्बनिक लिंकर्स से बना झरझरा क्रिस्टलीय संरचित सामग्री का एक वर्ग, झरझरा एमओएस कंपोजिट105,106,107,108 के निर्माण के लिए टेम्पलेट्स के रूप में उपयोग किया गया है।यह ध्यान देने योग्य है कि यद्यपि एमओएस कंपोजिट का प्रतिशत समान है, विभिन्न निर्माण प्रक्रियाओं का उपयोग करते समय संवेदनशीलता विशेषताओं में काफी भिन्नता हो सकती है। 109,110 उदाहरण के लिए, गाओ एट अल। 109 ने एमओओ 3 ± एसएनओ 2 कंपोजिट के आधार पर एक ही परमाणु अनुपात के साथ दो सेंसर तैयार किए। (Mo:Sn = 1:1.9) और पाया कि विभिन्न निर्माण विधियों से अलग-अलग संवेदनशीलता होती है।शापोशनिक एट अल।110 ने बताया कि सह-अवक्षेपित SnO2-TiO2 की गैसीय H2 की प्रतिक्रिया यांत्रिक रूप से मिश्रित सामग्री से समान Sn / Ti अनुपात पर भी भिन्न होती है।यह अंतर इसलिए उत्पन्न होता है क्योंकि एमओपी और एमओपी क्रिस्टलीय आकार के बीच संबंध विभिन्न संश्लेषण विधियों 109, 110 के साथ बदलता रहता है।जब दाता घनत्व और अर्धचालक प्रकार के संदर्भ में अनाज का आकार और आकार सुसंगत होता है, तो प्रतिक्रिया समान रहनी चाहिए यदि संपर्क ज्यामिति 110 नहीं बदलती है।स्टेरज़ एट अल।111 ने बताया कि SnO2-Cr2O3 कोर-शीथ (CSN) नैनोफाइबर और ग्राउंड SnO2-Cr2O3 CSN की पहचान विशेषताएँ लगभग समान थीं, यह सुझाव देते हुए कि नैनोफाइबर आकारिकी कोई लाभ प्रदान नहीं करती है।
विभिन्न निर्माण विधियों के अलावा, दो अलग-अलग MOSFETs के अर्धचालक प्रकार भी सेंसर की संवेदनशीलता को प्रभावित करते हैं।दो एमओएसएफईटी एक ही प्रकार के अर्धचालक (एनएन या पीपी जंक्शन) या विभिन्न प्रकार (पीएन जंक्शन) के आधार पर इसे दो श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है।जब गैस सेंसर एक ही प्रकार के एमओएस कंपोजिट पर आधारित होते हैं, तो दो एमओएस के दाढ़ अनुपात को बदलकर, संवेदनशीलता प्रतिक्रिया विशेषता अपरिवर्तित रहती है, और सेंसर संवेदनशीलता एनएन- या पीपी-हेटेरोजंक्शन की संख्या के आधार पर भिन्न होती है।जब एक घटक समग्र (जैसे 0.9 ZnO-0.1 SnO2 या 0.1 ZnO-0.9 SnO2) में प्रबल होता है, तो चालन चैनल प्रमुख MOS द्वारा निर्धारित किया जाता है, जिसे होमोजंक्शन चालन चैनल 92 कहा जाता है।जब दो घटकों के अनुपात तुलनीय होते हैं, तो यह माना जाता है कि चालन चैनल में हेटेरोजंक्शन 98,102 का प्रभुत्व है।यामाज़ो एट अल।112,113 ने बताया कि दो घटकों के विषम संपर्क क्षेत्र सेंसर की संवेदनशीलता में काफी सुधार कर सकते हैं क्योंकि घटकों के विभिन्न परिचालन कार्यों के कारण गठित हेटेरोजंक्शन बाधा इलेक्ट्रॉनों के संपर्क में आने वाले सेंसर की बहाव गतिशीलता को प्रभावी ढंग से नियंत्रित कर सकती है।विभिन्न परिवेशी गैसें 112,113।अंजीर पर।चित्रा 3ए से पता चलता है कि विभिन्न ZnO सामग्री (0 से 10 mol% Zn से) के साथ SnO2-ZnO रेशेदार पदानुक्रमित संरचनाओं पर आधारित सेंसर चुनिंदा इथेनॉल का पता लगा सकते हैं।उनमें से, SnO2-ZnO फाइबर (7 mol.% Zn) पर आधारित एक सेंसर ने बड़ी संख्या में विषमताओं के गठन और विशिष्ट सतह क्षेत्र में वृद्धि के कारण उच्चतम संवेदनशीलता दिखाई, जिससे कनवर्टर के कार्य में वृद्धि हुई और सुधार हुआ संवेदनशीलता 90 हालांकि, ZnO सामग्री में 10 mol.% की और वृद्धि के साथ, माइक्रोस्ट्रक्चर SnO2-ZnO समग्र सतह सक्रियण क्षेत्रों को लपेट सकता है और सेंसर संवेदनशीलता को कम कर सकता है।इसी तरह की प्रवृत्ति NiO-NiFe2O4 pp हेटेरोजंक्शन कंपोजिट पर आधारित विभिन्न Fe/Ni अनुपातों (चित्र 3b)114 पर आधारित सेंसरों के लिए भी देखी गई है।
SnO2-ZnO फाइबर (7 mol.% Zn) की SEM छवियां और 260 डिग्री सेल्सियस पर 100 पीपीएम की एकाग्रता के साथ विभिन्न गैसों के लिए सेंसर प्रतिक्रिया;54बी विभिन्न गैसों के 50 पीपीएम पर शुद्ध NiO और NiO-NiFe2O4 कंपोजिट पर आधारित सेंसर की प्रतिक्रियाएं, 260 डिग्री सेल्सियस;114 (सी) xSnO2-(1-x)Co3O4 संरचना में नोड्स की संख्या का योजनाबद्ध आरेख और xSnO2-(1-x)Co3O4 संरचना प्रति 10 पीपीएम सीओ, एसीटोन, सी 6 एच 6 और एसओ 2 की संबंधित प्रतिरोध और संवेदनशीलता प्रतिक्रियाएं Sn/Co 98 . के दाढ़ अनुपात को बदलकर 350 डिग्री सेल्सियस पर गैस
pn-MOS कंपोजिट MOS115 के परमाणु अनुपात के आधार पर विभिन्न संवेदनशीलता व्यवहार दिखाते हैं।सामान्य तौर पर, एमओएस कंपोजिट का संवेदी व्यवहार अत्यधिक निर्भर होता है जिस पर एमओएस सेंसर के लिए प्राथमिक चालन चैनल के रूप में कार्य करता है।इसलिए, कंपोजिट की प्रतिशत संरचना और नैनोस्ट्रक्चर को चिह्नित करना बहुत महत्वपूर्ण है।Kim et al.98 ने इलेक्ट्रोस्पिनिंग और उनके सेंसर गुणों का अध्ययन करके xSnO2 ± (1-x) Co3O4 समग्र नैनोफाइबर की एक श्रृंखला को संश्लेषित करके इस निष्कर्ष की पुष्टि की।उन्होंने देखा कि SnO2-Co3O4 समग्र सेंसर का व्यवहार SnO2 (छवि 3c) 98 के प्रतिशत को कम करके n-प्रकार से p-प्रकार में बदल गया।इसके अलावा, हेटेरोजंक्शन-प्रधान सेंसर (0.5 SnO2-0.5 Co3O4 पर आधारित) ने होमोजंक्शन-प्रमुख सेंसर (जैसे, उच्च SnO2 या Co3O4 सेंसर) की तुलना में C6H6 के लिए उच्चतम संचरण दर दिखाई।0.5 SnO2-0.5 Co3O4 आधारित सेंसर का अंतर्निहित उच्च प्रतिरोध और समग्र सेंसर प्रतिरोध को संशोधित करने की इसकी अधिक क्षमता C6H6 के प्रति इसकी उच्चतम संवेदनशीलता में योगदान करती है।इसके अलावा, SnO2-Co3O4 हेटेरोइंटरफेस से उत्पन्न होने वाले जाली बेमेल दोष गैस अणुओं के लिए अधिमान्य सोखना साइट बना सकते हैं, जिससे सेंसर प्रतिक्रिया 109, 116 बढ़ जाती है।
सेमीकंडक्टर-प्रकार MOS के अलावा, MOS-117 के रसायन विज्ञान का उपयोग करके MOS कंपोजिट के स्पर्श व्यवहार को भी अनुकूलित किया जा सकता है।Huo et al.117 ने Co3O4-SnO2 कंपोजिट तैयार करने के लिए एक सरल सोख-बेक विधि का उपयोग किया और पाया कि 10% के Co/Sn मोलर अनुपात पर, सेंसर ने H2 के लिए एक p-टाइप डिटेक्शन प्रतिक्रिया और एक n-टाइप संवेदनशीलता प्रदर्शित की। एच2.जवाब।CO, H2S और NH3 गैसों के प्रति सेंसर प्रतिक्रियाएं चित्र 4a117 में दर्शाई गई हैं।कम Co/Sn अनुपात में, SnO2 ± SnO2 नैनोग्रेन सीमाओं पर कई समरूपताएं बनती हैं और H2 (अंजीर। 4b, c) 115 के लिए n-प्रकार सेंसर प्रतिक्रियाएं प्रदर्शित करती हैं।Co/Sn अनुपात में 10 mol तक की वृद्धि के साथ।%, SnO2-SnO2 समरूपों के बजाय, कई Co3O4-SnO2 विषमकोण एक साथ बनाए गए थे (चित्र 4d)।चूंकि Co3O4 H2 के संबंध में निष्क्रिय है, और SnO2, H2 के साथ दृढ़ता से प्रतिक्रिया करता है, आयनिक ऑक्सीजन प्रजातियों के साथ H2 की प्रतिक्रिया मुख्य रूप से SnO2117 की सतह पर होती है।इसलिए, इलेक्ट्रॉन SnO2 में चले जाते हैं और Ef SnO2 कंडक्शन बैंड में शिफ्ट हो जाते हैं, जबकि Ef Co3O4 अपरिवर्तित रहता है।नतीजतन, सेंसर का प्रतिरोध बढ़ जाता है, यह दर्शाता है कि उच्च सह / एसएन अनुपात वाली सामग्री पी-टाइप सेंसिंग व्यवहार (छवि 4e) प्रदर्शित करती है।इसके विपरीत, CO, H2S और NH3 गैसें SnO2 और Co3O4 सतहों पर आयनिक ऑक्सीजन प्रजातियों के साथ प्रतिक्रिया करती हैं, और इलेक्ट्रॉन गैस से सेंसर की ओर बढ़ते हैं, जिसके परिणामस्वरूप बाधा ऊंचाई और n- प्रकार की संवेदनशीलता (छवि 4f) में कमी आती है।.यह अलग सेंसर व्यवहार विभिन्न गैसों के साथ Co3O4 की अलग-अलग प्रतिक्रियाशीलता के कारण है, जिसे आगे यिन एट अल द्वारा पुष्टि की गई थी।118.इसी तरह, कटोच एट अल।119 ने प्रदर्शित किया कि SnO2-ZnO कंपोजिट में H2 के लिए अच्छी चयनात्मकता और उच्च संवेदनशीलता है।यह व्यवहार इसलिए होता है क्योंकि H के s-कक्षक और O के p-कक्षक के बीच प्रबल संकरण के कारण H परमाणुओं को ZnO की O स्थिति में आसानी से अधिशोषित किया जा सकता है, जिससे ZnO120,121 का धातुकरण होता है।
H2, CO, NH3 और H2S जैसी विशिष्ट कम करने वाली गैसों के लिए एक Co/Sn-10% गतिशील प्रतिरोध घटता, b, c Co3O4/SnO2 कम% m पर H2 के लिए समग्र संवेदन तंत्र आरेख।Co/Sn, df Co3O4 एक उच्च Co/Sn/SnO2 सम्मिश्र के साथ H2 और CO, H2S और NH3 के तंत्र का पता लगाना
इसलिए, हम उपयुक्त निर्माण विधियों को चुनकर, कंपोजिट के दाने के आकार को कम करके और एमओएस कंपोजिट के दाढ़ अनुपात को अनुकूलित करके आई-टाइप सेंसर की संवेदनशीलता में सुधार कर सकते हैं।इसके अलावा, संवेदनशील सामग्री के रसायन विज्ञान की गहरी समझ सेंसर की चयनात्मकता को और बढ़ा सकती है।
टाइप II सेंसर संरचनाएं एक और लोकप्रिय सेंसर संरचना है जो विभिन्न प्रकार की विषम नैनोस्ट्रक्चर सामग्री का उपयोग कर सकती है, जिसमें एक "मास्टर" नैनोमटेरियल और दूसरा या तीसरा नैनोमटेरियल शामिल है।उदाहरण के लिए, नैनोकणों, कोर-शेल (सीएस) और बहुपरत हेटेरोनोस्ट्रक्चर सामग्री से सजाए गए एक-आयामी या दो-आयामी सामग्री आमतौर पर टाइप II सेंसर संरचनाओं में उपयोग की जाती हैं और नीचे विस्तार से चर्चा की जाएगी।
पहले हेटेरोनोस्ट्रक्चर सामग्री (सजाए गए हेटेरोनोस्ट्रक्चर) के लिए, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है। 2 बी (1), सेंसर के प्रवाहकीय चैनल एक आधार सामग्री से जुड़े होते हैं।हेटेरोजंक्शन के गठन के कारण, संशोधित नैनोकणों गैस सोखना या desorption के लिए अधिक प्रतिक्रियाशील साइट प्रदान कर सकते हैं, और संवेदी प्रदर्शन 109,122,123,124 में सुधार करने के लिए उत्प्रेरक के रूप में भी कार्य कर सकते हैं।युआन एट अल.41 ने उल्लेख किया है कि WO3 नैनोवायरों को CeO2 नैनोडॉट्स से सजाने से CeO2@WO3 हेटेरोइंटरफेस और CeO2 सतह पर अधिक सोखने वाली साइटें मिल सकती हैं और एसीटोन के साथ प्रतिक्रिया के लिए अधिक रसायनयुक्त ऑक्सीजन प्रजातियां उत्पन्न हो सकती हैं।गुनावन एट अल।125. एक-आयामी Au@α-Fe2O3 पर आधारित एक अति-उच्च संवेदनशीलता एसीटोन सेंसर प्रस्तावित किया गया है और यह देखा गया है कि सेंसर की संवेदनशीलता ऑक्सीजन स्रोत के रूप में O2 अणुओं के सक्रियण द्वारा नियंत्रित होती है।एयू एनपी की उपस्थिति एसीटोन के ऑक्सीकरण के लिए ऑक्सीजन अणुओं के जाली ऑक्सीजन में पृथक्करण को बढ़ावा देने वाले उत्प्रेरक के रूप में कार्य कर सकती है।इसी तरह के परिणाम चोई एट अल द्वारा प्राप्त किए गए थे।9 जहां एक पीटी उत्प्रेरक का उपयोग आयनित ऑक्सीजन प्रजातियों में सोखने वाले ऑक्सीजन अणुओं को अलग करने और एसीटोन के प्रति संवेदनशील प्रतिक्रिया को बढ़ाने के लिए किया गया था।2017 में, इसी शोध दल ने प्रदर्शित किया कि द्विधात्विक नैनोकण एकल महान धातु नैनोकणों की तुलना में उत्प्रेरण में अधिक कुशल हैं, जैसा कि चित्र 5126 में दिखाया गया है। 5a एपोफेरिटिन कोशिकाओं का उपयोग करके प्लैटिनम-आधारित द्विधात्वीय (PtM) NPs के लिए निर्माण प्रक्रिया का एक योजनाबद्ध है। 3 एनएम से कम का औसत आकार।फिर, इलेक्ट्रोस्पिनिंग विधि का उपयोग करते हुए, एसीटोन या एच 2 एस (छवि 5 बी-जी) के प्रति संवेदनशीलता और चयनात्मकता बढ़ाने के लिए नैनोफाइबर प्राप्त किए गए।हाल ही में, एकल परमाणु उत्प्रेरक (एसएसी) ने परमाणुओं और ट्यून किए गए इलेक्ट्रॉनिक संरचनाओं के उपयोग की अधिकतम दक्षता के कारण उत्प्रेरण और गैस विश्लेषण के क्षेत्र में उत्कृष्ट उत्प्रेरक प्रदर्शन दिखाया है।शिन एट अल।129 ने गैस का पता लगाने के लिए Pt@MCN@SnO2 इनलाइन फाइबर तैयार करने के लिए रासायनिक स्रोतों के रूप में Pt-SA एंकर कार्बन नाइट्राइड (MCN), SnCl2 और PVP नैनोशीट का उपयोग किया।Pt@MCN (0.13 wt.% से 0.68 wt.%) की बहुत कम सामग्री के बावजूद, गैसीय फॉर्मलाडेहाइड Pt@MCN@SnO2 का पता लगाने का प्रदर्शन अन्य संदर्भ नमूनों (शुद्ध SnO2, MCN@SnO2 और Pt NPs@) से बेहतर है। एसएनओ 2)।.इस उत्कृष्ट पहचान प्रदर्शन को Pt SA उत्प्रेरक की अधिकतम परमाणु दक्षता और SnO2129 सक्रिय साइटों की न्यूनतम कवरेज के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है।
PtM-apo (PtPd, PtRh, PtNi) नैनोकणों को प्राप्त करने के लिए Apoferritin-लोडेड एनकैप्सुलेशन विधि;bd प्रिस्टिन WO3, PtPd@WO3, PtRn@WO3, और Pt-NiO@WO3 नैनोफाइबर के गतिशील गैस संवेदनशील गुण;उदाहरण के लिए, PtPd@WO3, PtRn@WO3 और Pt-NiO@WO3 नैनोफाइबर सेंसर के 1 पीपीएम इंटरफेरिंग गैस के चयनात्मकता गुणों पर आधारित 126
इसके अलावा, मचान सामग्री और नैनोकणों के बीच गठित विषमताएं भी सेंसर के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए रेडियल मॉड्यूलेशन तंत्र के माध्यम से चालन चैनलों को प्रभावी ढंग से संशोधित कर सकती हैं।अंजीर पर।चित्र 6a गैसों को कम करने और ऑक्सीकरण करने और संबंधित सेंसर तंत्र के लिए शुद्ध SnO2 और Cr2O3@SnO2 नैनोवायरों की सेंसर विशेषताओं को दर्शाता है।शुद्ध SnO2 नैनोवायर की तुलना में, गैसों को कम करने के लिए Cr2O3@SnO2 नैनोवायर की प्रतिक्रिया बहुत बढ़ जाती है, जबकि ऑक्सीकरण गैसों की प्रतिक्रिया खराब हो जाती है।ये घटनाएं एसएनओ 2 नैनोवायरों के चालन चैनलों के स्थानीय मंदी से संबंधित पीएन हेटेरोजंक्शन की रेडियल दिशा में निकटता से संबंधित हैं।गैसों को कम करने और ऑक्सीकरण करने के संपर्क में आने के बाद शुद्ध SnO2 नैनोवायर की सतह पर EDL चौड़ाई को बदलकर सेंसर प्रतिरोध को आसानी से ट्यून किया जा सकता है।हालांकि, Cr2O3@SnO2 नैनोवायरों के लिए, हवा में SnO2 नैनोवायरों का प्रारंभिक DEL शुद्ध SnO2 नैनोवायरों की तुलना में बढ़ जाता है, और एक हेटेरोजंक्शन के गठन के कारण चालन चैनल को दबा दिया जाता है।इसलिए, जब सेंसर को कम करने वाली गैस के संपर्क में लाया जाता है, तो फंसे हुए इलेक्ट्रॉनों को SnO2 नैनोवायर में छोड़ दिया जाता है और EDL काफी कम हो जाता है, जिसके परिणामस्वरूप शुद्ध SnO2 नैनोवायर की तुलना में उच्च संवेदनशीलता होती है।इसके विपरीत, जब ऑक्सीकरण गैस पर स्विच किया जाता है, तो डीईएल का विस्तार सीमित होता है, जिसके परिणामस्वरूप कम संवेदनशीलता होती है।इसी तरह के संवेदी प्रतिक्रिया परिणाम चोई एट अल।, 133 द्वारा देखे गए थे जिसमें पी-टाइप डब्लूओ 3 नैनोकणों से सजाए गए एसएनओ 2 नैनोवायर ने गैसों को कम करने के लिए काफी बेहतर संवेदी प्रतिक्रिया दिखाई, जबकि एन-सजाए गए एसएनओ 2 सेंसर ने ऑक्सीकरण गैसों की संवेदनशीलता में सुधार किया था।TiO2 नैनोकणों (चित्र। 6b) 133। यह परिणाम मुख्य रूप से SnO2 और MOS (TiO2 या WO3) नैनोकणों के विभिन्न कार्य कार्यों के कारण है।पी-टाइप (एन-टाइप) नैनोकणों में, फ्रेमवर्क सामग्री (एसएनओ 2) का चालन चैनल रेडियल दिशा में फैलता है (या अनुबंध), और फिर, कमी (या ऑक्सीकरण) की क्रिया के तहत, आगे विस्तार (या छोटा) गैस के SnO2 - पसली के चालन चैनल का (चित्र 6b)।
संशोधित LF MOS द्वारा प्रेरित रेडियल मॉडुलन तंत्र।शुद्ध SnO2 और Cr2O3@SnO2 नैनोवायरों और संबंधित संवेदन तंत्र योजनाबद्ध आरेखों के आधार पर 10 पीपीएम कम करने और ऑक्सीकरण करने वाली गैसों के लिए गैस प्रतिक्रियाओं का सारांश;और WO3@SnO2 नैनोरोड्स और डिटेक्शन मैकेनिज्म की संबंधित योजनाएं133
बाइलेयर और मल्टीलेयर हेटरोस्ट्रक्चर उपकरणों में, डिवाइस के चालन चैनल पर इलेक्ट्रोड के सीधे संपर्क में परत (आमतौर पर नीचे की परत) का प्रभुत्व होता है, और दो परतों के इंटरफेस पर गठित हेट्रोजंक्शन नीचे की परत की चालकता को नियंत्रित कर सकता है। .इसलिए, जब गैसें शीर्ष परत के साथ परस्पर क्रिया करती हैं, तो वे निचली परत के चालन चैनलों और डिवाइस के प्रतिरोध 134 को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर सकती हैं।उदाहरण के लिए, कुमार एट अल।77 ने NH3 के लिए TiO@NiO और NiO@TiO2 डबल लेयर के विपरीत व्यवहार की सूचना दी।यह अंतर इसलिए उत्पन्न होता है क्योंकि दो सेंसर के चालन चैनल विभिन्न सामग्रियों (क्रमशः NiO और TiO2) की परतों में हावी होते हैं, और फिर अंतर्निहित चालन चैनलों में भिन्नताएं भिन्न होती हैं।
बाइलेयर या मल्टीलेयर हेटेरोनोस्ट्रक्चर आमतौर पर स्पटरिंग, एटॉमिक लेयर डिपोजिशन (एएलडी) और सेंट्रीफ्यूजेशन 56,70,134,135,136 द्वारा निर्मित होते हैं।फिल्म की मोटाई और दो सामग्रियों के संपर्क क्षेत्र को अच्छी तरह से नियंत्रित किया जा सकता है।आंकड़े 7ए और बी इथेनॉल का पता लगाने के लिए स्पटरिंग द्वारा प्राप्त NiO@SnO2 और Ga2O3@WO3 नैनोफिल्म दिखाते हैं।हालांकि, ये विधियां आम तौर पर फ्लैट फिल्मों का उत्पादन करती हैं, और ये फ्लैट फिल्में उनके कम विशिष्ट सतह क्षेत्र और गैस पारगम्यता के कारण 3 डी नैनोस्ट्रक्चर सामग्री से कम संवेदनशील होती हैं।इसलिए, विशिष्ट सतह क्षेत्र 41,52,138 को बढ़ाकर अवधारणात्मक प्रदर्शन में सुधार करने के लिए विभिन्न पदानुक्रमों के साथ द्विपरत फिल्मों के निर्माण के लिए एक तरल-चरण रणनीति का भी प्रस्ताव किया गया है।झू एट अल139 संयुक्त स्पटरिंग और हाइड्रोथर्मल तकनीक एच2एस डिटेक्शन (छवि 7सी) के लिए एसएनओ2 नैनोवायर्स (जेएनओ@एसएनओ2 नैनोवायर्स) पर अत्यधिक ऑर्डर किए गए ZnO नैनोवायरों का उत्पादन करने के लिए।1 पीपीएम एच2एस के लिए इसकी प्रतिक्रिया स्पटरड ZnO@SnO2 नैनोफिल्म्स पर आधारित सेंसर की तुलना में 1.6 गुना अधिक है।लियू एट अल।52 ने थर्मल एनीलिंग (छवि 10डी) के बाद पदानुक्रमित SnO@NiO नैनोस्ट्रक्चर को गढ़ने के लिए स्वस्थानी रासायनिक बयान विधि में दो-चरण का उपयोग करते हुए एक उच्च प्रदर्शन H2S सेंसर की सूचना दी।पारंपरिक स्पटरड SnO2@NiO बाइलेयर फिल्मों की तुलना में, SnO2@NiO पदानुक्रमित बाइलेयर संरचना के संवेदनशीलता प्रदर्शन में विशिष्ट सतह क्षेत्र 52,137 में वृद्धि के कारण काफी सुधार हुआ है।
एमओएस पर आधारित डबल लेयर गैस सेंसर।इथेनॉल का पता लगाने के लिए NiO@SnO2 नैनोफिल्म;इथेनॉल का पता लगाने के लिए 137b Ga2O3@WO3 नैनोफिल्म;135c उच्च आदेशित SnO2@ZnO H2S डिटेक्शन के लिए बाइलेयर पदानुक्रमित संरचना;139d SnO2@NiO H2S52 का पता लगाने के लिए द्वि-परत पदानुक्रमित संरचना।
कोर-शेल हेटेरोनोस्ट्रक्चर (सीएसएचएन) पर आधारित टाइप II उपकरणों में, संवेदन तंत्र अधिक जटिल है, क्योंकि चालन चैनल आंतरिक शेल तक सीमित नहीं हैं।निर्माण मार्ग और पैकेज की मोटाई (hs) दोनों ही प्रवाहकीय चैनलों के स्थान को निर्धारित कर सकते हैं।उदाहरण के लिए, बॉटम-अप संश्लेषण विधियों का उपयोग करते समय, चालन चैनल आमतौर पर आंतरिक कोर तक सीमित होते हैं, जो संरचना में दो-परत या बहुपरत डिवाइस संरचनाओं के समान होता है (चित्र। 2b(3)) 123, 140, 141, 142, 143. जू एट अल।144 ने α-Fe2O3 नैनोरोड्स पर NiO या CuO NPs की एक परत जमा करके CSHN NiO@α-Fe2O3 और CuO@α-Fe2O3 प्राप्त करने के लिए एक बॉटम-अप दृष्टिकोण की सूचना दी जिसमें चालन चैनल केंद्रीय भाग द्वारा सीमित था।(नैनोरोड्स α-Fe2O3)।लियू एट अल।142 सिलिकॉन नैनोवायरों के तैयार सरणियों पर TiO2 जमा करके CSHN TiO2 @ Si के मुख्य भाग तक चालन चैनल को प्रतिबंधित करने में भी सफल रहा।इसलिए, इसका संवेदी व्यवहार (पी-टाइप या एन-टाइप) केवल सिलिकॉन नैनोवायर के सेमीकंडक्टर प्रकार पर निर्भर करता है।
हालाँकि, अधिकांश रिपोर्ट किए गए CSHN- आधारित सेंसर (चित्र 2b(4)) को संश्लेषित CS सामग्री के पाउडर को चिप्स पर स्थानांतरित करके गढ़ा गया था।इस मामले में, सेंसर का चालन पथ आवास की मोटाई (एचएस) से प्रभावित होता है।किम के समूह ने गैस का पता लगाने के प्रदर्शन पर एचएस के प्रभाव की जांच की और संभावित पहचान तंत्र का प्रस्ताव रखा 100,112,145,146,147,148। ऐसा माना जाता है कि इस संरचना के संवेदन तंत्र में दो कारक योगदान करते हैं: (1) खोल के ईडीएल का रेडियल मॉड्यूलेशन और (2) विद्युत क्षेत्र धुंधला प्रभाव (चित्र 8) 145। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि चालन चैनल वाहकों की संख्या ज्यादातर शेल परत तक ही सीमित होती है जब hs > D शेल लेयर145 का होता है। ऐसा माना जाता है कि इस संरचना के संवेदन तंत्र में दो कारक योगदान करते हैं: (1) खोल के ईडीएल का रेडियल मॉड्यूलेशन और (2) विद्युत क्षेत्र धुंधला प्रभाव (चित्र 8) 145। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि चालन चैनल वाहकों की संख्या ज्यादातर शेल परत तक ही सीमित होती है जब hs > D शेल लेयर145 का होता है। 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 > डी оболочки145. यह माना जाता है कि इस संरचना की धारणा के तंत्र में दो कारक शामिल हैं: (1) खोल के ईडीएल का रेडियल मॉड्यूलेशन और (2) विद्युत क्षेत्र को धुंधला करने का प्रभाव (चित्र 8) 145। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि वाहक चालन चैनल मुख्य रूप से शेल तक ही सीमित होता है जब hs> D शेल 145।यह माना जाता है कि इस संरचना के पता लगाने के तंत्र में दो कारक योगदान करते हैं: (1) खोल के डीईएल का रेडियल मॉड्यूलेशन और (2) विद्युत क्षेत्र स्मियरिंग का प्रभाव (चित्र। 8) 145।hs > λD145 > D145 сследователи отметили, то канал роводимости огда hs > λD145 оболочки, количество носителей вочномоно. शोधकर्ताओं ने नोट किया कि चालन चैनल जब एचएस> D145 खोल के, वाहक की संख्या मुख्य रूप से खोल द्वारा सीमित होती है।इसलिए, CSHN पर आधारित सेंसर के प्रतिरोधक मॉड्यूलेशन में, क्लैडिंग DEL का रेडियल मॉड्यूलेशन प्रबल होता है (चित्र 8a)।हालांकि, शेल के hs D पर, शेल द्वारा अधिशोषित ऑक्सीजन कण और CS हेटेरोजंक्शन में बनने वाले हेट्रोजंक्शन इलेक्ट्रॉनों से पूरी तरह से समाप्त हो जाते हैं। इसलिए, चालन चैनल न केवल शेल परत के अंदर स्थित है, बल्कि आंशिक रूप से मुख्य भाग में भी स्थित है, खासकर जब hs <λD शेल परत का। इसलिए, चालन चैनल न केवल शेल परत के अंदर स्थित है, बल्कि आंशिक रूप से मुख्य भाग में भी स्थित है, खासकर जब hs <λD शेल परत का। отому канал роводимости располагается не только внутри оболочечного слоя, но и астично в сло इसलिए, चालन चैनल न केवल शेल परत के अंदर स्थित है, बल्कि आंशिक रूप से मुख्य भाग में भी स्थित है, विशेष रूप से शेल परत के hs <λD पर।hs <λडी एचएस <λडी оэтому канал роводимости располагается не только внутри оболочки, но и астично в сердцевине, ос. इसलिए, चालन चैनल न केवल शेल के अंदर स्थित है, बल्कि आंशिक रूप से कोर में भी स्थित है, विशेष रूप से शेल के hs <λD पर।इस मामले में, पूरी तरह से समाप्त इलेक्ट्रॉन खोल और आंशिक रूप से समाप्त कोर परत दोनों पूरे सीएसएचएन के प्रतिरोध को संशोधित करने में मदद करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप विद्युत क्षेत्र पूंछ प्रभाव (छवि 8 बी) होता है।कुछ अन्य अध्ययनों ने एचएस प्रभाव 100,148 का विश्लेषण करने के लिए इलेक्ट्रिक फील्ड टेल के बजाय ईडीएल वॉल्यूम अंश अवधारणा का उपयोग किया है।इन दो योगदानों को ध्यान में रखते हुए, CSHN प्रतिरोध का कुल मॉड्यूलेशन अपने सबसे बड़े मूल्य तक पहुँच जाता है, जब hs म्यान D के बराबर होता है, जैसा कि चित्र 8c में दिखाया गया है।इसलिए, सीएसएचएन के लिए इष्टतम एचएस शेल λD के करीब हो सकता है, जो प्रयोगात्मक टिप्पणियों 99,144,145,146,149 के अनुरूप है।कई अध्ययनों से पता चला है कि hs CSHN-आधारित pn-heterojunction sensors40,148 की संवेदनशीलता को भी प्रभावित कर सकता है।ली एट अल।148 और बाई एट अल।40 ने क्लैडिंग ALD चक्र को बदलकर pn-heterojunction CSHN सेंसर, जैसे TiO2@CuO और ZnO@NiO के प्रदर्शन पर hs के प्रभाव की व्यवस्थित रूप से जांच की।परिणामस्वरूप, संवेदी व्यवहार p-टाइप से n-टाइप में बदल गया, जिसमें hs40,148 की वृद्धि हुई।यह व्यवहार इस तथ्य के कारण है कि पहले (एएलडी चक्रों की सीमित संख्या के साथ) हेटरोस्ट्रक्चर को संशोधित हेटेरोनोस्ट्रक्चर माना जा सकता है।इस प्रकार, चालन चैनल कोर परत (पी-टाइप एमओएसएफईटी) द्वारा सीमित है, और सेंसर पी-टाइप डिटेक्शन व्यवहार प्रदर्शित करता है।जैसे-जैसे एएलडी चक्रों की संख्या बढ़ती है, क्लैडिंग परत (एन-टाइप एमओएसएफईटी) अर्ध-निरंतर हो जाती है और एक चालन चैनल के रूप में कार्य करती है, जिसके परिणामस्वरूप एन-टाइप संवेदनशीलता होती है।इसी तरह के संवेदी संक्रमण व्यवहार पी.एन. शाखित हेटेरोनोस्ट्रक्चर 150,151 के लिए सूचित किया गया है।झोउ एट अल।150 ने Mn3O4 नैनोवायर की सतह पर Zn2SnO4 सामग्री को नियंत्रित करके Zn2SnO4@Mn3O4 शाखित हेटेरोनोस्ट्रक्चर की संवेदनशीलता की जांच की।जब Zn2SnO4 नाभिक Mn3O4 सतह पर बने, तो एक p-प्रकार की संवेदनशीलता देखी गई।Zn2SnO4 सामग्री में और वृद्धि के साथ, शाखित Zn2SnO4@Mn3O4 हेटेरोनोस्ट्रक्चर पर आधारित सेंसर एन-टाइप सेंसर व्यवहार में बदल जाता है।
सीएस नैनोवायर के दो-कार्यात्मक सेंसर तंत्र का एक वैचारिक विवरण दिखाया गया है।ए प्रतिरोध मॉड्यूलेशन इलेक्ट्रॉन-अपूर्ण गोले के रेडियल मॉड्यूलेशन के कारण, बी प्रतिरोध मॉड्यूलेशन पर स्मियरिंग का नकारात्मक प्रभाव, और सी दोनों प्रभावों के संयोजन के कारण सीएस नैनोवायरों का कुल प्रतिरोध मॉड्यूलेशन 40
अंत में, टाइप II सेंसर में कई अलग-अलग पदानुक्रमित नैनोस्ट्रक्चर शामिल हैं, और सेंसर का प्रदर्शन प्रवाहकीय चैनलों की व्यवस्था पर अत्यधिक निर्भर है।इसलिए, सेंसर के चालन चैनल की स्थिति को नियंत्रित करना और टाइप II सेंसर के विस्तारित सेंसिंग तंत्र का अध्ययन करने के लिए उपयुक्त हेटेरोनोस्ट्रक्चर्ड एमओएस मॉडल का उपयोग करना महत्वपूर्ण है।
टाइप III सेंसर संरचनाएं बहुत आम नहीं हैं, और चालन चैनल क्रमशः दो इलेक्ट्रोड से जुड़े दो अर्धचालकों के बीच गठित एक विषमता पर आधारित है।अद्वितीय उपकरण संरचनाएं आमतौर पर माइक्रोमैचिनिंग तकनीकों के माध्यम से प्राप्त की जाती हैं और उनके संवेदन तंत्र पिछले दो सेंसर संरचनाओं से बहुत भिन्न होते हैं।टाइप III सेंसर का IV वक्र आमतौर पर हेटेरोजंक्शन गठन 48,152,153 के कारण विशिष्ट सुधार विशेषताओं को प्रदर्शित करता है।एक आदर्श हेटेरोजंक्शन के I-V विशेषता वक्र को हेटेरोजंक्शन बैरियर की ऊंचाई पर इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन के थर्मिओनिक तंत्र द्वारा वर्णित किया जा सकता है152,154,155।
जहां वीए बायस वोल्टेज है, ए डिवाइस क्षेत्र है, के बोल्ट्ज़मान स्थिरांक है, टी पूर्ण तापमान है, क्यू वाहक चार्ज है, जेएन और जेपी क्रमशः छेद और इलेक्ट्रॉन प्रसार वर्तमान घनत्व हैं।आईएस रिवर्स संतृप्ति धारा का प्रतिनिधित्व करता है, जिसे इस प्रकार परिभाषित किया गया है: 152,154,155
इसलिए, पीएन हेटेरोजंक्शन की कुल धारा आवेश वाहकों की सांद्रता में परिवर्तन और विषमता के अवरोध की ऊंचाई में परिवर्तन पर निर्भर करती है, जैसा कि समीकरणों (3) और (4) 156 में दिखाया गया है।
जहां nn0 और pp0 एन-टाइप (पी-टाइप) एमओएस में इलेक्ट्रॉनों (छेद) की एकाग्रता हैं, \(V_{bi}^0\) अंतर्निहित क्षमता है, डीपी (डीएन) का प्रसार गुणांक है इलेक्ट्रॉनों (छेद), एलएन (एलपी) इलेक्ट्रॉनों (छेद) की प्रसार लंबाई है, Ev (ΔEc) हेटेरोजंक्शन पर वैलेंस बैंड (चालन बैंड) की ऊर्जा बदलाव है।यद्यपि वर्तमान घनत्व वाहक घनत्व के समानुपाती है, यह घातांकीय रूप से \(V_{bi}^0\) के व्युत्क्रमानुपाती होता है।इसलिए, वर्तमान घनत्व में समग्र परिवर्तन दृढ़ता से हेटेरोजंक्शन बाधा की ऊंचाई के मॉड्यूलेशन पर निर्भर करता है।
जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, हेटेरो-नैनोस्ट्रक्चर्ड एमओएसएफईटी (उदाहरण के लिए, टाइप I और टाइप II डिवाइस) का निर्माण व्यक्तिगत घटकों के बजाय सेंसर के प्रदर्शन में काफी सुधार कर सकता है।और टाइप III उपकरणों के लिए, सामग्री की रासायनिक संरचना के आधार पर, हेटेरोनोस्ट्रक्चर प्रतिक्रिया दो घटकों 48,153 से अधिक या एक घटक 76 से अधिक हो सकती है।कई रिपोर्टों से पता चला है कि हेटेरोनोस्ट्रक्चर की प्रतिक्रिया एक घटक की तुलना में बहुत अधिक है, जब घटकों में से एक लक्ष्य गैस 48,75,76,153 के प्रति असंवेदनशील है।इस मामले में, लक्ष्य गैस केवल संवेदनशील परत के साथ बातचीत करेगी और संवेदनशील परत की शिफ्ट एफई और हेटेरोजंक्शन बाधा की ऊंचाई में बदलाव का कारण बनेगी।तब डिवाइस की कुल धारा महत्वपूर्ण रूप से बदल जाएगी, क्योंकि यह समीकरण के अनुसार विषमता बाधा की ऊंचाई से विपरीत रूप से संबंधित है।(3) और (4) 48,76,153।हालांकि, जब एन-टाइप और पी-टाइप दोनों घटक लक्ष्य गैस के प्रति संवेदनशील होते हैं, तो पता लगाने का प्रदर्शन कहीं बीच में हो सकता है।जोस एट अल.76 ने स्पटरिंग द्वारा एक झरझरा NiO/SnO2 फिल्म NO2 सेंसर का निर्माण किया और पाया कि सेंसर संवेदनशीलता केवल NiO आधारित सेंसर की तुलना में अधिक थी, लेकिन SnO2 आधारित सेंसर की तुलना में कम थी।सेंसर।यह घटना इस तथ्य के कारण है कि SnO2 और NiO NO276 के विपरीत प्रतिक्रिया प्रदर्शित करते हैं।इसके अलावा, क्योंकि दो घटकों में अलग-अलग गैस संवेदनशीलता होती है, उनमें ऑक्सीकरण और गैसों को कम करने का पता लगाने की प्रवृत्ति समान हो सकती है।उदाहरण के लिए, क्वोन एट अल।157 ने तिरछी स्पटरिंग द्वारा एक NiO/SnO2 pn-heterojunction गैस सेंसर का प्रस्ताव दिया, जैसा कि चित्र 9a में दिखाया गया है।दिलचस्प बात यह है कि NiO/SnO2 pn-heterojunction सेंसर ने H2 और NO2 (चित्र 9a) के लिए समान संवेदनशीलता प्रवृत्ति दिखाई।इस परिणाम को हल करने के लिए, क्वोन एट अल।157 ने व्यवस्थित रूप से जांच की कि कैसे NO2 और H2 वाहक सांद्रता को बदलते हैं और IV-विशेषताओं और कंप्यूटर सिमुलेशन (चित्र। 9bd) का उपयोग करके दोनों सामग्रियों के \(V_{bi}^0\) को ट्यून करते हैं।आंकड़े 9बी और सी क्रमशः p-NiO (pp0) और n-SnO2 (nn0) के आधार पर सेंसर के वाहक घनत्व को बदलने के लिए H2 और NO2 की क्षमता प्रदर्शित करते हैं।उन्होंने दिखाया कि पी-टाइप NiO का pp0 NO2 वातावरण में थोड़ा बदल गया, जबकि यह H2 वातावरण (चित्र 9b) में नाटकीय रूप से बदल गया।हालाँकि, n-प्रकार SnO2 के लिए, nn0 विपरीत तरीके से व्यवहार करता है (चित्र 9c)।इन परिणामों के आधार पर, लेखकों ने निष्कर्ष निकाला कि जब एच2 को एनआईओ/एसएनओ2 पीएन हेटेरोजंक्शन पर आधारित सेंसर पर लागू किया गया था, तो एनएन0 में वृद्धि से जेएन में वृद्धि हुई, और \(V_{bi}^0\) ने एक प्रतिक्रिया में कमी (चित्र। 9d)।NO2 के संपर्क में आने के बाद, SnO2 में nn0 में बड़ी कमी और NiO में pp0 में थोड़ी वृद्धि दोनों ही \(V_{bi}^0\) में एक बड़ी कमी की ओर ले जाती है, जो संवेदी प्रतिक्रिया में वृद्धि सुनिश्चित करती है (चित्र 9d) ) 157 निष्कर्ष रूप में, वाहकों की सांद्रता में परिवर्तन और \(V_{bi}^0\) से कुल धारा में परिवर्तन होता है, जो आगे पता लगाने की क्षमता को प्रभावित करता है।
गैस सेंसर का सेंसिंग मैकेनिज्म टाइप III डिवाइस की संरचना पर आधारित है।स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) क्रॉस-अनुभागीय छवियां, p-NiO/n-SnO2 नैनोकॉइल डिवाइस और p-NiO/n-SnO2 नैनोकॉइल हेटेरोजंक्शन सेंसर के H2 और NO2 के लिए 200 डिग्री सेल्सियस पर सेंसर गुण;b, c-डिवाइस का क्रॉस-सेक्शनल SEM, और p-NiO b-लेयर और n-SnO2 c-लेयर वाले डिवाइस के सिमुलेशन परिणाम।b p-NiO सेंसर और c n-SnO2 सेंसर शुष्क हवा में और H2 और NO2 के संपर्क में आने के बाद I-V विशेषताओं को मापते हैं और मेल खाते हैं।p-NiO में b-होल घनत्व का एक द्वि-आयामी नक्शा और n-SnO2 परत में c-इलेक्ट्रॉनों का एक रंग स्केल के साथ नक्शा सेंटौरस TCAD सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके तैयार किया गया था।डी सिमुलेशन परिणाम शुष्क हवा में p-NiO/n-SnO2 का 3D नक्शा, वातावरण में H2 और NO2157 दिखाते हैं।
सामग्री के रासायनिक गुणों के अलावा, टाइप III डिवाइस की संरचना स्व-संचालित गैस सेंसर बनाने की संभावना को प्रदर्शित करती है, जो टाइप I और टाइप II उपकरणों के साथ संभव नहीं है।उनके अंतर्निहित विद्युत क्षेत्र (बीईएफ) के कारण, पीएन हेटेरोजंक्शन डायोड संरचनाओं का उपयोग आमतौर पर फोटोवोल्टिक उपकरणों के निर्माण के लिए किया जाता है और रोशनी के तहत कमरे के तापमान पर स्व-संचालित फोटोइलेक्ट्रिक गैस सेंसर बनाने की क्षमता 74,158,159,160,161 होती है।हेटेरोइंटरफेस पर बीईएफ, सामग्री के फर्मी स्तरों में अंतर के कारण, इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े को अलग करने में भी योगदान देता है।स्व-संचालित फोटोवोल्टिक गैस सेंसर का लाभ इसकी कम बिजली की खपत है क्योंकि यह रोशनी की ऊर्जा को अवशोषित कर सकता है और फिर बाहरी शक्ति स्रोत की आवश्यकता के बिना स्वयं या अन्य लघु उपकरणों को नियंत्रित कर सकता है।उदाहरण के लिए, तनुमा और सुगियामा162 ने SnO2-आधारित पॉलीक्रिस्टलाइन CO2 सेंसर को सक्रिय करने के लिए सौर कोशिकाओं के रूप में NiO / ZnO pn हेटेरोजंक्शन तैयार किए हैं।गाद एट अल।74 ने एक Si/ZnO@CdS pn हेटेरोजंक्शन पर आधारित एक स्व-संचालित फोटोवोल्टिक गैस सेंसर की सूचना दी, जैसा कि चित्र 10a में दिखाया गया है।लंबवत रूप से उन्मुख ZnO नैनोवायर सीधे p- प्रकार के सिलिकॉन सबस्ट्रेट्स पर उगाए गए ताकि Si / ZnO pn हेटेरोजंक्शन बनाया जा सके।तब CdS नैनोकणों को रासायनिक सतह संशोधन द्वारा ZnO नैनोवायर की सतह पर संशोधित किया गया था।अंजीर पर।10a O2 और इथेनॉल के लिए ऑफ-लाइन Si/ZnO@CdS सेंसर प्रतिक्रिया परिणाम दिखाता है।रोशनी के तहत, Si/ZnO हेटेरोइंटरफेस पर BEP के दौरान इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े के अलग होने के कारण ओपन-सर्किट वोल्टेज (Voc) जुड़े डायोड की संख्या के साथ रैखिक रूप से बढ़ता है 74,161।वोक को एक समीकरण द्वारा दर्शाया जा सकता है।(5) 156,
जहां एनडी, एनए, और नी क्रमशः दाताओं, स्वीकर्ता और आंतरिक वाहकों की सांद्रता हैं, और के, टी, और क्यू पिछले समीकरण के समान पैरामीटर हैं।ऑक्सीकरण गैसों के संपर्क में आने पर, वे ZnO नैनोवायर से इलेक्ट्रॉन निकालते हैं, जिससे \(N_D^{ZnO}\) और Voc में कमी आती है।इसके विपरीत, गैस की कमी के परिणामस्वरूप Voc (चित्र 10a) में वृद्धि हुई।ZnO को CdS नैनोकणों से सजाते समय, CdS नैनोकणों में photoexcited इलेक्ट्रॉनों को ZnO के कंडक्शन बैंड में अंतःक्षिप्त किया जाता है और adsorbed गैस के साथ इंटरैक्ट किया जाता है, जिससे धारणा दक्षता 74,160 बढ़ जाती है।हॉफमैन एट अल द्वारा Si / ZnO पर आधारित एक समान स्व-संचालित फोटोवोल्टिक गैस सेंसर की सूचना दी गई थी।160, 161 (चित्र 10बी)।यह सेंसर काम के कार्य को समायोजित करने के लिए अमीन-कार्यात्मक ZnO नैनोकणों ([3- (2-एमिनोइथाइलामिनो) प्रोपाइल] ट्राइमेथोक्सीसिलेन) (एमिनो-फंक्शनल-एसएएम) और थियोल ((3-मर्कैप्टोप्रोपाइल) -फंक्शनल की एक लाइन का उपयोग करके तैयार किया जा सकता है। NO2 (trimethoxysilane) (thiol-functionalized-SAM)) के चयनात्मक पता लगाने के लिए लक्ष्य गैस का (चित्र। 10b) 74,161।
एक प्रकार III डिवाइस की संरचना के आधार पर एक स्व-संचालित फोटोइलेक्ट्रिक गैस सेंसर।Si/ZnO@CdS पर आधारित एक स्व-संचालित फोटोवोल्टिक गैस सेंसर, सूर्य के प्रकाश के तहत ऑक्सीकृत (O2) और कम (1000 पीपीएम इथेनॉल) गैसों के लिए स्व-संचालित संवेदन तंत्र और सेंसर प्रतिक्रिया;74बी स्व-संचालित फोटोवोल्टिक गैस सेंसर सी जेडएनओ/जेडएनओ सेंसर पर आधारित है और टर्मिनल एमाइन और थियोल्स के साथ जेडएनओ एसएएम के क्रियात्मककरण के बाद विभिन्न गैसों के लिए सेंसर प्रतिक्रियाएं 161
इसलिए, टाइप III सेंसर के संवेदनशील तंत्र पर चर्चा करते समय, हेटेरोजंक्शन बाधा की ऊंचाई में परिवर्तन और वाहक एकाग्रता को प्रभावित करने के लिए गैस की क्षमता को निर्धारित करना महत्वपूर्ण है।इसके अलावा, रोशनी फोटोजेनरेटेड वाहक उत्पन्न कर सकती है जो गैसों के साथ प्रतिक्रिया करती है, जो स्वयं संचालित गैस का पता लगाने के लिए आशाजनक है।
जैसा कि इस साहित्य समीक्षा में चर्चा की गई है, सेंसर के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए कई अलग-अलग एमओएस हेटेरोनोस्ट्रक्चर तैयार किए गए हैं।वेब ऑफ साइंस डेटाबेस को विभिन्न कीवर्ड (मेटल ऑक्साइड कंपोजिट, कोर-शीथ मेटल ऑक्साइड, लेयर्ड मेटल ऑक्साइड और सेल्फ-पावर्ड गैस एनालाइजर) के साथ-साथ विशिष्ट विशेषताओं (बहुतायत, संवेदनशीलता / चयनात्मकता, बिजली उत्पादन क्षमता, निर्माण) के लिए खोजा गया था। .विधि इन तीन उपकरणों में से तीन की विशेषताओं को तालिका 2 में दिखाया गया है। उच्च प्रदर्शन गैस सेंसर के लिए समग्र डिजाइन अवधारणा पर यामाज़ो द्वारा प्रस्तावित तीन प्रमुख कारकों का विश्लेषण करके चर्चा की गई है।एमओएस हेटरोस्ट्रक्चर सेंसर के लिए तंत्र गैस सेंसर को प्रभावित करने वाले कारकों को समझने के लिए, विभिन्न एमओएस मापदंडों (जैसे, अनाज का आकार, ऑपरेटिंग तापमान, दोष और ऑक्सीजन रिक्ति घनत्व, खुले क्रिस्टल विमान) का सावधानीपूर्वक अध्ययन किया गया है।डिवाइस संरचना, जो सेंसर के संवेदन व्यवहार के लिए भी महत्वपूर्ण है, की उपेक्षा की गई है और शायद ही कभी चर्चा की गई है।यह समीक्षा तीन विशिष्ट प्रकार की डिवाइस संरचना का पता लगाने के लिए अंतर्निहित तंत्र पर चर्चा करती है।
एक प्रकार I सेंसर में अनाज के आकार की संरचना, निर्माण विधि, और संवेदन सामग्री की विषमताओं की संख्या सेंसर की संवेदनशीलता को बहुत प्रभावित कर सकती है।इसके अलावा, सेंसर का व्यवहार घटकों के दाढ़ अनुपात से भी प्रभावित होता है।टाइप II डिवाइस संरचनाएं (सजावटी हेटेरोनोस्ट्रक्चर, बाइलेयर या मल्टीलेयर फिल्में, एचएसएसएन) दो या दो से अधिक घटकों से युक्त सबसे लोकप्रिय उपकरण संरचनाएं हैं, और केवल एक घटक इलेक्ट्रोड से जुड़ा है।इस उपकरण संरचना के लिए, चालन चैनलों के स्थान का निर्धारण और उनके सापेक्ष परिवर्तन धारणा के तंत्र का अध्ययन करने में महत्वपूर्ण हैं।क्योंकि टाइप II उपकरणों में कई अलग-अलग पदानुक्रमित हेटेरोनोस्ट्रक्चर शामिल हैं, कई अलग-अलग संवेदन तंत्र प्रस्तावित किए गए हैं।एक प्रकार III संवेदी संरचना में, प्रवाहकत्त्व चैनल में हेटेरोजंक्शन पर गठित एक हेट्रोजंक्शन का प्रभुत्व होता है, और धारणा तंत्र पूरी तरह से अलग होता है।इसलिए, टाइप III सेंसर के लिए लक्ष्य गैस के संपर्क में आने के बाद हेटेरोजंक्शन बैरियर की ऊंचाई में परिवर्तन को निर्धारित करना महत्वपूर्ण है।इस डिजाइन के साथ, बिजली की खपत को कम करने के लिए स्व-संचालित फोटोवोल्टिक गैस सेंसर बनाए जा सकते हैं।हालाँकि, चूंकि वर्तमान निर्माण प्रक्रिया बल्कि जटिल है और संवेदनशीलता पारंपरिक एमओएस-आधारित कीमो-प्रतिरोधक गैस सेंसर की तुलना में बहुत कम है, फिर भी स्व-संचालित गैस सेंसर के अनुसंधान में बहुत प्रगति हुई है।
पदानुक्रमित हेटेरोनोस्ट्रक्चर वाले गैस एमओएस सेंसर के मुख्य लाभ गति और उच्च संवेदनशीलता हैं।हालाँकि, MOS गैस सेंसर की कुछ प्रमुख समस्याएं (जैसे, उच्च परिचालन तापमान, दीर्घकालिक स्थिरता, खराब चयनात्मकता और प्रजनन क्षमता, आर्द्रता प्रभाव, आदि) अभी भी मौजूद हैं और उन्हें व्यावहारिक अनुप्रयोगों में उपयोग करने से पहले संबोधित करने की आवश्यकता है।आधुनिक एमओएस गैस सेंसर आमतौर पर उच्च तापमान पर काम करते हैं और बहुत अधिक बिजली की खपत करते हैं, जो सेंसर की दीर्घकालिक स्थिरता को प्रभावित करता है।इस समस्या को हल करने के लिए दो सामान्य दृष्टिकोण हैं: (1) लो पावर सेंसर चिप्स का विकास;(2) नई संवेदनशील सामग्री का विकास जो कम तापमान या कमरे के तापमान पर भी काम कर सकती है।लो-पावर सेंसर चिप्स के विकास के लिए एक दृष्टिकोण सिरेमिक और सिलिकॉन163 पर आधारित माइक्रोहीटिंग प्लेट्स बनाकर सेंसर के आकार को कम करना है।सिरेमिक आधारित माइक्रो हीटिंग प्लेट्स प्रति सेंसर लगभग 50-70 एमवी की खपत करती हैं, जबकि अनुकूलित सिलिकॉन आधारित माइक्रो हीटिंग प्लेट्स 300 डिग्री सेल्सियस 163,164 पर लगातार संचालन करते समय प्रति सेंसर 2 मेगावाट जितनी कम खपत कर सकती हैं।नई संवेदन सामग्री का विकास ऑपरेटिंग तापमान को कम करके बिजली की खपत को कम करने का एक प्रभावी तरीका है, और सेंसर स्थिरता में भी सुधार कर सकता है।चूंकि सेंसर की संवेदनशीलता को बढ़ाने के लिए एमओएस का आकार कम किया जा रहा है, एमओएस की थर्मल स्थिरता एक चुनौती बन जाती है, जिससे सेंसर सिग्नल 165 में बहाव हो सकता है।इसके अलावा, उच्च तापमान हेटेरोइंटरफेस पर सामग्री के प्रसार और मिश्रित चरणों के गठन को बढ़ावा देता है, जो सेंसर के इलेक्ट्रॉनिक गुणों को प्रभावित करता है।शोधकर्ताओं की रिपोर्ट है कि उपयुक्त सेंसिंग सामग्री का चयन करके और एमओएस हेटेरोनोस्ट्रक्चर विकसित करके सेंसर के इष्टतम ऑपरेटिंग तापमान को कम किया जा सकता है।अत्यधिक क्रिस्टलीय एमओएस हेटेरोनोस्ट्रक्चर बनाने के लिए कम तापमान विधि की खोज स्थिरता में सुधार के लिए एक और आशाजनक दृष्टिकोण है।
एमओएस सेंसर की चयनात्मकता एक और व्यावहारिक मुद्दा है क्योंकि विभिन्न गैसें लक्ष्य गैस के साथ सह-अस्तित्व में हैं, जबकि एमओएस सेंसर अक्सर एक से अधिक गैसों के प्रति संवेदनशील होते हैं और अक्सर क्रॉस संवेदनशीलता प्रदर्शित करते हैं।इसलिए, सेंसर की चयनात्मकता को लक्ष्य गैस के साथ-साथ अन्य गैसों में बढ़ाना व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है।पिछले कुछ दशकों में, प्रशिक्षण वेक्टर क्वांटिज़ेशन (एलवीक्यू), प्रिंसिपल कंपोनेंट एनालिसिस (पीसीए) जैसे कम्प्यूटेशनल विश्लेषण एल्गोरिदम के संयोजन में "इलेक्ट्रॉनिक नाक (ई-नाक)" नामक गैस सेंसर के निर्माण के द्वारा चुनाव को आंशिक रूप से संबोधित किया गया है। आदि ई.यौन समस्याएं।आंशिक कम वर्ग (पीएलएस), आदि। 31, 32, 33, 34। इलेक्ट्रॉनिक नाक की क्षमता में सुधार के लिए दो मुख्य कारक (सेंसिंग सामग्री के प्रकार और कम्प्यूटेशनल विश्लेषण से निकटता से संबंधित सेंसर की संख्या) महत्वपूर्ण हैं। गैसों की पहचान करने के लिए169.हालांकि, सेंसर की संख्या बढ़ाने के लिए आमतौर पर कई जटिल निर्माण प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है, इसलिए इलेक्ट्रॉनिक नाक के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए एक सरल विधि खोजना महत्वपूर्ण है।इसके अलावा, अन्य सामग्रियों के साथ एमओएस को संशोधित करने से सेंसर की चयनात्मकता भी बढ़ सकती है।उदाहरण के लिए, एनपी पीडी के साथ संशोधित एमओएस की अच्छी उत्प्रेरक गतिविधि के कारण एच 2 का चयनात्मक पता लगाया जा सकता है।हाल के वर्षों में, कुछ शोधकर्ताओं ने आकार बहिष्करण 171,172 के माध्यम से सेंसर चयनात्मकता में सुधार के लिए एमओएस एमओएफ सतह को लेपित किया है।इस काम से प्रेरित होकर, भौतिक क्रियाशीलता किसी तरह चयनात्मकता की समस्या को हल कर सकती है।हालांकि, सही सामग्री चुनने में अभी भी बहुत काम किया जाना बाकी है।
समान परिस्थितियों और विधियों के तहत निर्मित सेंसर की विशेषताओं की पुनरावृत्ति बड़े पैमाने पर उत्पादन और व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए एक और महत्वपूर्ण आवश्यकता है।आमतौर पर, उच्च थ्रूपुट गैस सेंसर बनाने के लिए सेंट्रीफ्यूजेशन और डिपिंग विधियाँ कम लागत वाली विधियाँ हैं।हालांकि, इन प्रक्रियाओं के दौरान, संवेदनशील सामग्री एकत्र हो जाती है और संवेदनशील सामग्री और सब्सट्रेट के बीच संबंध कमजोर हो जाता है68, 138, 168। नतीजतन, सेंसर की संवेदनशीलता और स्थिरता काफी बिगड़ जाती है, और प्रदर्शन पुन: उत्पन्न हो जाता है।स्पटरिंग, एएलडी, स्पंदित लेजर डिपोजिशन (पीएलडी), और भौतिक वाष्प जमाव (पीवीडी) जैसी अन्य निर्माण विधियां सीधे पैटर्न वाले सिलिकॉन या एल्यूमिना सबस्ट्रेट्स पर बिलीयर या मल्टीलेयर एमओएस फिल्मों के उत्पादन की अनुमति देती हैं।ये तकनीक संवेदनशील सामग्रियों के निर्माण से बचती हैं, सेंसर पुनरुत्पादन सुनिश्चित करती हैं, और प्लानर पतली-फिल्म सेंसर के बड़े पैमाने पर उत्पादन की व्यवहार्यता प्रदर्शित करती हैं।हालांकि, इन फ्लैट फिल्मों की संवेदनशीलता आमतौर पर उनके छोटे विशिष्ट सतह क्षेत्र और कम गैस पारगम्यता के कारण 3 डी नैनोस्ट्रक्चर सामग्री की तुलना में बहुत कम है।संरचित माइक्रोएरे पर विशिष्ट स्थानों पर एमओएस हेटेरोनोस्ट्रक्चर बढ़ने और संवेदनशील सामग्रियों के आकार, मोटाई और आकारिकी को ठीक से नियंत्रित करने के लिए नई रणनीतियां उच्च प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य और संवेदनशीलता के साथ वेफर-स्तरीय सेंसर के कम लागत वाले निर्माण के लिए महत्वपूर्ण हैं।उदाहरण के लिए, लियू एट अल।174 ने विशिष्ट स्थानों पर सीटू नी (ओएच) 2 नैनोवॉल में वृद्धि करके उच्च-थ्रूपुट क्रिस्टलीय बनाने के लिए एक संयुक्त टॉप-डाउन और बॉटम-अप रणनीति का प्रस्ताव रखा।.माइक्रोबर्नर के लिए वेफर्स।
इसके अलावा, व्यावहारिक अनुप्रयोगों में सेंसर पर आर्द्रता के प्रभाव पर विचार करना भी महत्वपूर्ण है।पानी के अणु सेंसर सामग्री में सोखना साइटों के लिए ऑक्सीजन अणुओं के साथ प्रतिस्पर्धा कर सकते हैं और लक्ष्य गैस के लिए सेंसर की जिम्मेदारी को प्रभावित कर सकते हैं।ऑक्सीजन की तरह, पानी भौतिक सोखना के माध्यम से एक अणु के रूप में कार्य करता है, और रसायन विज्ञान के माध्यम से विभिन्न ऑक्सीकरण स्टेशनों पर हाइड्रॉक्सिल रेडिकल या हाइड्रॉक्सिल समूहों के रूप में भी मौजूद हो सकता है।इसके अलावा, पर्यावरण के उच्च स्तर और परिवर्तनशील आर्द्रता के कारण, लक्ष्य गैस के लिए सेंसर की विश्वसनीय प्रतिक्रिया एक बड़ी समस्या है।इस समस्या को हल करने के लिए कई रणनीतियाँ विकसित की गई हैं, जैसे कि गैस प्रीकॉन्सेंट्रेशन177, नमी क्षतिपूर्ति और क्रॉस-रिएक्टिव जाली विधियाँ178, साथ ही सुखाने की विधियाँ179,180।हालांकि, ये विधियां महंगी, जटिल हैं और सेंसर की संवेदनशीलता को कम करती हैं।आर्द्रता के प्रभावों को दबाने के लिए कई सस्ती रणनीतियां प्रस्तावित की गई हैं।उदाहरण के लिए, SnO2 को Pd नैनोकणों से सजाना, adsorbed ऑक्सीजन के आयनिक कणों में रूपांतरण को बढ़ावा दे सकता है, जबकि SnO2 को पानी के अणुओं के लिए उच्च आत्मीयता वाली सामग्री के साथ कार्यात्मक बनाना, जैसे NiO और CuO, पानी के अणुओं पर नमी की निर्भरता को रोकने के दो तरीके हैं।.सेंसर 181, 182, 183। इसके अलावा, हाइड्रोफोबिक सतहों को 36,138,184,185 बनाने के लिए हाइड्रोफोबिक सामग्री का उपयोग करके आर्द्रता के प्रभाव को भी कम किया जा सकता है।हालांकि, नमी प्रतिरोधी गैस सेंसर का विकास अभी भी प्रारंभिक चरण में है, और इन मुद्दों को हल करने के लिए और अधिक उन्नत रणनीतियों की आवश्यकता है।
अंत में, पता लगाने के प्रदर्शन में सुधार (जैसे, संवेदनशीलता, चयनात्मकता, कम इष्टतम ऑपरेटिंग तापमान) एमओएस हेटेरोनोस्ट्रक्चर बनाकर हासिल किया गया है, और विभिन्न बेहतर पहचान तंत्र प्रस्तावित किए गए हैं।किसी विशेष सेंसर के संवेदन तंत्र का अध्ययन करते समय, डिवाइस की ज्यामितीय संरचना को भी ध्यान में रखा जाना चाहिए।गैस सेंसर के प्रदर्शन को और बेहतर बनाने और भविष्य में शेष चुनौतियों का समाधान करने के लिए नई संवेदन सामग्री में अनुसंधान और उन्नत निर्माण रणनीतियों में अनुसंधान की आवश्यकता होगी।सेंसर विशेषताओं के नियंत्रित ट्यूनिंग के लिए, सेंसर सामग्री की सिंथेटिक विधि और हेटेरोनोस्ट्रक्चर के कार्य के बीच व्यवस्थित रूप से संबंध बनाना आवश्यक है।इसके अलावा, आधुनिक लक्षण वर्णन विधियों का उपयोग करते हुए सतह प्रतिक्रियाओं और हेटेरोइंटरफेस में परिवर्तन का अध्ययन उनकी धारणा के तंत्र को स्पष्ट करने में मदद कर सकता है और हेटेरोनोस्ट्रक्चर सामग्री के आधार पर सेंसर के विकास के लिए सिफारिशें प्रदान कर सकता है।अंत में, आधुनिक सेंसर निर्माण रणनीतियों का अध्ययन उनके औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए वेफर स्तर पर लघु गैस सेंसर के निर्माण की अनुमति दे सकता है।
जेनजेल, एनएन एट अल।शहरी क्षेत्रों में अस्थमा से पीड़ित बच्चों में इनडोर नाइट्रोजन डाइऑक्साइड के स्तर और श्वसन संबंधी लक्षणों का एक अनुदैर्ध्य अध्ययन।अड़ोस-पड़ोस।स्वास्थ्य दृष्टिकोण।116, 1428-1432 (2008)।