用于高灵敏度乙醇传感器的电纺Yb掺杂In2O3纳米纤维场效应晶体管

一

文献题目

Electrospun Yb-Doped In2O3 Nanofiber Field-Effect Transistors for Highly Sensitive Ethanol Sensors

二

文献信息

期刊：ACS Applied Materials & Interfaces

影响因子：IF  10.383

发表日期：2020-08-04

DOI：10.1021/acsami.0c12259

单位：School of Material Science and Engineering, Shanghai University, Jiading, Shanghai 201800, People’s Republic of China

三

文献内容

通过简单快速的电纺丝方法制备了基于Yb掺杂In2O3（InYbO）纳米纤维FET的乙醇气体传感器

4 mol % Yb掺杂的In2O3纳米纤维 FET 表现出良好的电气性能，包括 6.67 cm2/Vs 的高迁移率，可接受的阈值电压为 3.27 V，合适的开/关电流比为 107，以及增强的稳定性

InYbO纳米纤维FET传感器还显示出1ppm的检测下限和从灵敏度到选择性能力的改进的传感性能

四

结果与讨论

通过简单快速的电纺丝法制备了基于Yb掺杂In2O3（InYbO）纳米纤维FET的乙醇气体传感器。Yb的掺杂浓度从0逐步调整为6 mol%，其中以掺杂浓度为4mol%的In2O3纳米纤维FET显示出最佳的性能。制备的所有样品都具有均匀和连续直径的纤维形态，退火处理后样品仍能保持原貌，纳米纤维的直径从退火前的300±30 nm减小到75±5nm。Yb掺杂会导致InYbO纳米纤维中结晶度的降低和结构缺陷的形成，对于纯和掺杂Yb的In2O3纳米纤维，氧空位的值估计为35、28、25和23%（氧空位占所有氧物种的比率）。掺入Yb元素可以抑制界面陷阱状态并增强InYbO纳米纤维FET的偏置应力稳定性。如图所示，4mol%Yb-In2O3纳米纤维FET在电气性能和稳定性方面更适合于气体传感器应用。

在1-50ppm的乙醇浓度范围内，所有纳米纤维FET的灵敏度都随着乙醇气体浓度的增加而增加。其中，基于4mol%Yb-In2O3纳米纤维FET在1、5、10、20和50ppm时的最大响应值分别为15、25、40、70和120。如图所示，该传感器实现了近乎线性的响应-浓度关系。将该传感器与电阻型4mol%Yb-In2O3纳米纤维传感器相比，纳米纤维FET传感器比电阻型纳米纤维传感器表现更突出。当暴露于1ppm乙醇时，纳米纤维FET传感器的响应是电阻型纳米纤维传感器的响应的大约15倍。4mol%Yb-In2O3纳米纤维FET传感器在选择性方面可以很好地适合乙醇检测，响应和恢复时间都随着乙醇气体浓度的增加而减少，并且具有优异的稳定性。

基于4mol%Yb-In2O3纳米纤维FET传感器的传感机制可以利用电容电压（C−V）分析来详细评估表面电荷变化量。如图所示，乙醇气体分子能够引起滞后和界面缺陷态的增加趋势。在0-50ppm的乙醇浓度下，随着界面缺陷状态（Nt）的增加，所有C−V曲线都显示出明显的滞后（Δ）。乙醇气体浓度从0变化到50 ppm时，滞后水平从1.5 V变化至11 V。根据公式N_t=(C_i ∆)/q计算可得：0 ppm乙醇气体浓度时4mol%Yb-In2O3纳米纤维FET传感器的Nt值为2.25×1011 cm−2，而50 ppm时的Nt值为1.65×1012 cm−2。滞后和界面缺陷状态的水平都比0ppm乙醇气体的水平更大，这表明在栅极绝缘体和InYbO纳米纤维之间的界面处存在电荷载流子捕获行为。

转自：“科研一席话”微信公众号

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