文献标题
Variation of shell thickness in ZnO-SnO2 core-shell nanowires for optimizing sensing behaviors to CO, C6H6, and C7H8 gases
文献信息
期刊：Sensors and Actuators B: Chemical
影响因子：IF 9.221
发表日期：2019-09-17
DOI：10.1016/j.snb.2019.127150
单位：Department of Materials Science and Engineering, Inha University, Incheon 22212, Republic of Korea
文献内容
We investigated the sensing behaviors of ZnO-SnO2 core-shell NWs,with the shell layer being deposited by ALD.
We obtained high sensor responses at 1 ppm of 18.24, 14.94, and 16.46, respectively, to CO, C7H8, and C6H6 gases.
The main sensing mechanism was related to the radial modulation effect as well as the volume fraction of the shell to the total volume of core-shell nanowires.
结果与讨论
采用两步生长技术制备了不同壳层厚度（0–120 nm）ZnO-SnO2核壳纳米线（C-S-NW）。通过气-液-固（VLS）生长技术控制ZnO纳米晶体上SnO2壳层的沉积厚度，并根据此研究壳层厚度对传感机制的影响。其中，壳层是通过原子层沉积技术（ALD）沉积的，且最佳的外壳厚度为40nm。传感器衬底上ZnO-SnO2 C-S-NW的典型形态如图所示，NW被成功地沉积在叉指电极之间，SnO2均匀且维持原形貌地沉积在ZnO芯上。随着SnO2壳层厚度的增加，产品的总体直径增加。
传感特性：传感器的响应在很大程度上取决于外壳厚度，具有不同外壳厚度的传感器显示出不同的响应。在所有情况下，原始传感器对目标气体的响应最低。传感器的响应随着壳厚度的增加而增加，在40nm厚的壳处达到最大值，然后当壳厚度增加到60nm时急剧减小。在300℃下，基于40nm壳厚度的传感器对1、5和10ppm的CO气体的响应分别为18.24、32.14和43.13；对1、5和10ppm的C7H8气体的响应分别为14.94、29.25和40.34；对1、5和10ppm的C6H6气体的响应分别为16.46、25.93和39.48。外壳厚度为40nm的传感器具有最短的响应和恢复时间，其对10ppm CO、C6H6和C7H8气体的响应时间仅为9s，恢复时间为57、25和25s。该传感器在五个连续循环中对10ppm C6H6气体的循环测试中的响应值仅在39.38和39.45之间波动，具有良好的重复性和长期稳定性。
在C-S-NWs气体传感器中，当壳层厚度等于或小于壳层的德拜长度（λD）时，壳层将完全耗尽，从而产生高的响应。电子壳层的调制程度取决于壳层厚度，如图所示，当壳层厚度与λD相当时，在暴露于还原气体时，电子回到壳层，导致从初始的完全耗尽电子的壳层形成部分耗尽电子的壳，C–S NW的电阻发生显著变化，从而观察到高响应。当壳体厚度>λD时，最初在空气中，壳体未完全耗尽。通过随后暴露于还原气体，电子耗尽层经历收缩，并且电阻将发生较小的变化。这导致气体响应较低。对于厚度≤λD的SnO2外壳，除了径向调制之外，还需要考虑其他因素来解释初始电阻和传感行为。如图b所示，在C-S-NWs中，C-S-NWs总体积的分数与壳体厚度成比例。因此，对还原气体的组合总响应可以可视为相对于外壳厚度的钟形曲线（图c）。径向调制和电阻调制这两种传感机制的贡献的净效应最终决定了C-S-NWs传感器的气体响应。
除了上述机制外，电场拖尾效应也不应被忽视。对于厚度≤λD的壳层，电流不仅限于壳层区域，而且穿过壳层和芯体。在这种情况下，外壳在空气中完全耗尽电子，并且通过随后暴露于还原气体而经历显著的电阻调制；相当一部分电子电流也通过核心NW，导致C-S NW的电阻变化可以忽略不计。然而，对于厚度≥λD的壳体，电流主要通过壳体，电阻调制主要由电阻的径向调制决定。
转自：“科研一席话”微信公众号
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