文献名称
Conductometric gas sensor based on p-type GaN hexagonal pits /PANI for trace-level NH3 detection at room temperature
作者信息
Dan Han a,b,c, Xiaomei Han a, Xiaoru Liu a, Junzhao Zhang c, Li Zhao d, Xiuli He e, Weidong Wangd, Bingshe Xu b,c, Shengbo Sang a,b,*
aShanxi Key Laboratory of Micro Nano Sensors & Artificial Intelligence Perception, College of Information and Computer, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China
bKey Laboratory of Interface Science and Engineering in Advanced Materials (Taiyuan University of Technology), Ministry of Education, Taiyuan 030024, China
cShanxi-Zheda Institute of Advanced Materials and Chemical Engineering, Taiyuan 030024, China
dBioengineering Research Center, Medical Innovation Research Division, Chinese PLA General Hospital, Beijing, China
eState Key Laboratory of Transducer Technology, Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
文献信息
期刊:Sensors and Actuators: B. Chemical
IF:8.4
日期:2023-03-17
DOI:10.1016/j.snb.2023.133688
文章亮点
Two NH3 gas sensors based on GaN-HP/PANI heterostructure were achieved.
The GaN-HP/PANI-2 shows superior response to a wide sensing range of 0.5–100 ppm NH3.
The GaN-HP/PANI-2 exhibits higher gas sensing response compared with the GaN-HP/PANI-1.
主要内容
采用湿法蚀刻和原位聚合制备了两种基于p型氮化镓(GaN)六方坑(GaN- hp)/聚苯胺(PANI)异质结构的氨(NH3)气体传感器。对刻蚀时间分别为20 min和30 min的p型GaN- hp /PANI传感器(GaN- hp /PANI-1和GaN- hp /PANI-2)的形貌和结构进行了表征。在室温下,GaN-HP/PANI- 1和GaN-HP/PANI-2的响应分别是纯PANI的3.2和6.3倍,这主要是由于p型GaN-HP与PANI之间的p-p结的气敏改善作用。此外,GaN-HP/PANI-2对100 ppm NH3的气敏响应增强了1.94倍,检测限较GaN-HP/PANI-1低,表明其性能高度依赖于蚀刻时间。与GaN-HP/PANI-1相比,GaN-HP/PANI-2的气敏性能的显著提高可归因于其更高的比表面积、更强的PANI质子化程度和p-p结效应的协同效应。此外,还探讨了两种传感器的选择性、重复性以及相对湿度对两种传感器气体传感性能的影响。该工作可为高性能GaN-HP/PANI气体传感器的开发提供有益的参考。
结果与讨论
通过扫描电镜系统地展示了GaN-HP/PANI-1和GaN-HP/PANI-2的形态特征(图1)。制备的聚苯胺纳米纤维既分散在表面,又形成了两种p型GaN-HP的薄层,如图a和b所示,可以提高对目标气体的吸附能力。Ga, N, O的EDS映射明确地验证了GaN-HP/PANI-1和GaN-HP/PANI-2表面存在Ga, N和O元素(图c和f)。此外,由于PANI的引入, EDS分析发现Ga/N = 1:1时GaN-HP/PANI-1和GaN-HP/PANI- 2的原子比近似于以往研究的原子比(Ga:N = 7:3)。此外,已经报道了p型GaN和p型GaN- hp平面蚀刻10-40 min的形貌,表明凹坑尺寸和蚀刻深度随着蚀刻时间的增加而增加,这可以增加比表面积。此外,p型GaN- hp蚀刻时间达到40 min时,现有GaN的面积急剧减少。蚀刻10-40 min的p型GaN和p型GaN- hp对NH3的响应较差。
p型GaN-HP GaNHP/PANI-1和GaN-HP/PANI-2在20 min和30 min的XRD谱图。p型GaN-HP在蚀刻时间为20和30 min时,GaN-HP/PANI-1和GaN-HP/PANI-2的(002)扩散FWHMs分别为244.9、300.6、307.0和343.0’’。p型GaN-HP在蚀刻时间为20和30 min时,GaN-HP/PANI-1和GaN-HP/PANI-2的(102)扩散FWHMs分别为307.4、275.8、385.2、404.5和407.5’’。该现象表明,原位聚合后样品的FWHM变宽,表明引入的缺陷数量增加,有利于气体吸附。
图a为 GaN-HP/ PANI在1-100 ppm范围内的 NH3气体浓度的响应。B为GaN-HP/ PANI-2在100-0.5 ppm 的NH3气体浓度的响应c为GaN-HP/ PANI-1在100-1 ppm NH3气体浓度下的耐蚀性d为GaN-HP/ PANI-2在100-0.5 ppm NH3气体浓度下的耐蚀性。e为GaN-HP/PANI-1和GaN-HP/PANI- 2的NH3响应与气体浓度的拟合方程。F为GaN-HP/PANI-1在室温下对1ppm NH3的抗性。g为GaN-HP/PANI-2在室温下对1ppm NH3的抗性。h-i为GaN-HP/PANI-1和GaN-HP/PANI-2对不同浓度NH3的响应曲线和恢复时间。
在p型GaN-HP/PANI复合材料中,PANI是影响NH3气体响应的主要因素。纯聚苯胺的NH3气敏机理可以归结为NH3吸附/脱附过程中的质子化/去质子化过程。在NH3中,酸化聚苯胺中的质子被NH3捕获。使聚苯胺从导电的祖母绿盐(ES)态转变为不导电的祖母绿碱(EB)态,这将增加纯聚苯胺传感器的电阻。与纯聚苯胺气体传感器相比,p型GaN-HP/聚苯胺大大提高了气体传感器对NH3的响应。这一现象可以归结为两个因素:p型GaN-HP的独特形态;p-p异质结的协同效应。p型GaN-HP表面分布着大量的纳米棒状聚苯胺,可以提供更多的表面活性位点和更大的表面积。当不同的半导体相互接触时,由于两种多数载流子的相互扩散,在界面处产生p-p异质结。上图为p型GaN-HP/PANI的界面能带图,说明了增强机理。PANI和p型GaN-HP的能带分别为2.8 eV和3.4 eV, PANI和p型GaN-HP的功函数分别为4.4 eV和6.8 eV。当两种材料相互接触时,由于PANI的费米能级高于p型GaN-HP,电子会从PANI转移到p型GaN-HP,空穴则流向相反方向。这可能导致在PANI处形成空穴耗尽层(HDL),在p型GaN-HP处形成空穴积累层(HAL),从而形成势垒。同时,为了平衡费米能级,带将被弯曲,这导致了一个额外的势垒。在空气中,氧分子转化为化学吸收的氧阴离子会产生空穴。由于空穴浓度的差异,这些空穴将被转移到HDL,这将缩小HDL,然后导致势垒高度的减少。NH3分子与化学吸收的氧阴离子的反应释放出被困住的电子,回到气敏材料的表面。此外,吸收的NH3分子可以降低聚苯胺的空穴浓度,使HDL变宽,导致聚苯胺导电途径的消失。由于GaN的电导率低于PANI,因此传感器的电阻主要由PANI层控制,因此在GaN- hp /PANI薄膜中,PANI电导率降低的协同效应可以产生比纯PANI更明显的电阻增加。
转自:“科研一席话”微信公众号
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