载流子迁移率主导的气体传感:SnO2纳米棒阵列传感器的室温气体传感模式

Carrier Mobility-Dominated Gas Sensing: A Room-Temperature Gas Sensing Mode for SnO2 Nanorod Array Sensors

载流子迁移率主导的气体传感:SnO2纳米棒阵列传感器的室温气体传感模式

文献来源:期刊：ACS Appl. Mater. Interfaces 2

作者：Shipu Xu等

通讯作者：Yong Lei

机构：Institute fr Physik & IMN MacroNano (ZIK), Technische Universitat Ilmenau

简介

吸附引起的载流子密度变化是目前无机半导体气敏技术的主流，它通常在高温下工作。除了载流子密度外，其他载流子特性也可能在气敏中起关键作用。作者发现，载流子迁移率可以作为主导气敏的有效参数，通过载流子迁移率主导的气敏模式实现无机半导体的室温气敏。为了演示cmdg，我们设计并制备了一种基于底部薄膜上SnO2纳米棒的规则阵列的气体传感器。研究发现，确定气敏模式的关键是调整纳米棒阵列的长度。当纳米棒长度从340 nm增加到40 nm时，气敏行为从传统的载流子密度模式转变为完整的载流子迁移模式。此外，与以载流子密度为主的气体传感相比，cmdg模式提高了传感器的灵敏度。cmdg被证明是一种新兴的室温高性能无机半导体气体传感器设计模式。

结果与讨论

SnO2薄膜(a)和SnO2纳米棒阵列(b)在空气中的电场。(c,d) SnO2薄膜(c)和SnO2纳米棒阵列(d)的气敏响应示意图(即电流变化)。在恒定电压下，由于吸附导致载流子迁移率下降较大的SnO2纳米棒阵列会比SnO2薄膜表现出更明显的电流下降，反映出明显的CMDGS响应。

SnO2纳米棒阵列气体传感器制造。(a)在器件衬底上制造SnO2纳米棒阵列的程序示意图:(a1)将UTAM转移到前驱体溶液;(a2) UTAM浮在前驱体溶液上;(a3)用器件基板拾取UTAM;(a4)覆盖器件基板的UTAM;所选区域的放大图像，显示所述溶液渗透所述UTAM通道和所述底部间隔;(a5)对所述UTAM和所述器件基板进行干燥和退火;(a6)去除UTAM后得到的SnO2纳米棒阵列。(b)未去除UTAM的SnO2纳米棒阵列的SEM图像。(c) SnO2纳米棒阵列的平面视图。(d,e) 340 nm (d上端)、40 nm (d下端)、140 nm (e上端)、110 nm (e下端)不同纳米棒长度的SnO2纳米棒阵列截面图。在340 nm长度的纳米棒阵列(d上端)上可以观察到明显的40 nm厚的底膜。

SnO2纳米棒阵列气体传感器的气敏特性。(a−d)不同纳米棒长度的SnO2纳米棒阵列，如340 (a)、140 (b)、110 (c)和40 nm (d)，在室温下对25ppm乙醇、异丙醇和丙酮气体的气敏响应。随着奈米棒长度从340减少到40 nm,所有传感响应不同正(/ I0 > 1)负(/ I0 < 1)。(e) / I0 SnO2奈米棒气体传感器阵列与奈米棒的长度(340、140、110、80、40岁和20海里)在25 ppm乙醇气体的检测,描述CMDGS(也就是说,它/ I0 < 1)替代品CDDGS(也就是说,它/ I0 > 1)奈米棒的长度小于或等于80海里。(f) 40 nm长度的SnO2纳米棒阵列在室温下对18、12、6和3 ppm乙醇气体随时间的气敏响应。插图比较了40nm的原始It /I0与6个月后的It /I0。

SnO2纳米棒阵列的电特性。(a,b) 340 nm长度的纳米棒阵列(a)和40 nm长度的纳米棒阵列(b)在空气中的两个理想区域上的电场强度:(i)底膜表面和(ii)纳米棒与底膜之间的界面。(c,d) 340 nm长度的SnO2纳米棒阵列(c)和40 nm长度的SnO2纳米棒阵列(d)在不同检测气氛下，在室温下得到的id - Vds曲线，Vg = 0 V。(e,f) 340 nm长度的SnO2纳米棒阵列(e)和40 nm长度的SnO2纳米棒阵列(f)在不同检测气氛下，在室温下得到的id - Vg转移曲线，Vds = 4 V。

总结

作者提出了一种不同于无机半导体气体传感器的cmdg气敏模式。为了证明这种cmdg，作者团队首先在底部薄膜上设计和制造了一个规则的SnO2纳米棒阵列，然后将其用于室温气体传感。通过调节排列纳米棒的长度，气敏行为从CDDGS模式转变为完整的cmdg模式。所实现的cmdgs模式气体传感器的灵敏度是CDDGS模式的4倍以上。预计所提出的cmdg模式将适用于其他不同无机半导体的气敏系统，为气敏传感器的设计提供概念。

转自：“科研一席话”微信公众号

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