二氧化钛(TiO2)薄膜应用的传感膜extended-gate场效应晶体管(EGFET) pH传感器。TiO2通过旋转涂布薄膜沉积方法和旋转速度和旋转的影响持续时间的pH值传感TiO的行为2薄膜。自旋涂TiO2薄膜与商业金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)形成扩展的盖茨和MOSFET在读出集成接口电路完成EGFET pH传感器系统。自旋速度参数的调查,获得了最高的灵敏度为样例旋转在3000 rpm固定旋转时间的60年代,60.3 mV / pH值。敏感性进一步加强实现68 mV / pH值具有良好的线性度为0.9943时,旋转时间是75年代在每分钟3000转的速度。
Ion-sensitive场效应晶体管(ISFET) pH传感器是在1972年首次提出Bergveld [
Extended-gate场效应晶体管(EGFET) [
在这个研究中,TiO2薄膜被用作EGFET pH传感器的传感膜。TiO2是一种n型半导体(
TiO2解决方案是由以下混合物:绝对乙醇(C2H5哦,系统,99.8%)、去离子的水(DI) (H2O, Milli-Q优势A10),冰醋酸(棉酚)(CH3羧基,Friedemann施密特,99.8%),特里同x - 100 (C34H62年O11R&M化学品,98%)和(IV)钛异丙醇盐(Ti [OCH (CH(方式确定)3)2]4Sigma-Aldrich, 97%)。绝对乙醇和去离子水作为溶剂,使用方式确定为前体,棉酚作为稳定剂,特里同x - 100作为表面活性剂。首先,两个不同的容器,也准备了两种解决方案,第一个解决方案(方案一)包含绝对乙醇的混合物,棉酚和方式确定。第二方案(解决方案B)的混合物绝对乙醇、去离子水,特里同x - 100。两种解决方案在磁力搅拌器搅拌1小时在室温下。1小时后,解决方案B是注入容器溶液的混合物被持续搅拌形成TiO另一个小时2溶胶-凝胶法的解决方案。
化学反应主要包括水解和缩合导致凝固TiO的前体分子2(
水解过程中(
准备的TiO2解决方案被沉积在氧化铟锡(ITO)衬底。ITO基体面积2×1厘米2但只有一半(1×1厘米2)的衬底区域与TiO沉积2解决方案,如图
TiO2ITO衬底上沉积区。
的沉积TiO2薄膜在200°C 10分钟然后干去除剩余的溶剂残留。然后postdeposition退火工艺应用。进行了退火工艺在400°C的温度为15分钟。表
不同的参数列表。
| 旋转速度(转速) |
旋转时间(秒) |
|---|---|
| 1000年 | 30. |
| 2000年 | 45 |
| 3000年 | 60 |
| 4000年 | 75年 |
每个捏造传感膜因其灵敏度测试对pH值的解决方案通过连接到商业化MOSFET的栅MOSFET的扩展门形式,因此EGFET名称。将结构与读出接口电路(ROIC) [
pH值测量设置EGFET pH传感器。
顾名思义,溶胶-凝胶法旋转涂布涉及纺纱过程。虽然简单,需要使用适当的速度旋转基板,以便统一的电影可以获得和优化的灵敏度可以达到。从理论上讲,旋转速度的增加会逐渐减少薄膜厚度(
Ti厚度值
| 旋转速度(转速) | 厚度(nm) |
|---|---|
| 1000转 | 40.40 |
| 2000转 | 33.50 |
| 3000转 | 22.87 |
| 4000转 | 18.80 |
在旋转过程的早期阶段,TiO2仍然像液体。这种液体允许TiO的行为2解决方案被均匀地分散在基质表面通过由于旋转产生的离心力的影响。除了传播TiO2均匀、离心力也扔掉TiO过剩2解决方案从底物,因为它正在旋转
TiO2膜厚度变化对旋转速度的依赖。
图
因此,厚度变化引起的旋转速度操作表明,旋转速度影响TiO的pH值传感性能2薄膜,可以看到图
输出电压
所有样品表现出良好的灵敏度和线性度与超过50 mV / pH值和线性约0.99。这一趋势,我们可以看到在图
TiO2薄膜pH值传感灵敏度和线性依赖旋转速度。
然而,4000 rpm,示例显示了3000 rpm传感性能恶化而样本。这表明,虽然薄薄膜将提高灵敏度,TiO多薄是有限度的2传感膜应该是捏造的,给予良好的pH值传感性能。极限是发现在3000转;因此这个速度的结论是优化纺丝速度产生一个高灵敏度溶胶-凝胶涂层TiO旋转2传感膜。
线性回归(线性)确定两个变量之间存在的关系。在pH值传感,验证的可靠性和适用性检测氢离子传感材料。装配式TiO的2传感膜旋转速度不同,但所有样本显示高线性值(约0.99),尽管略有减少可以看到更高的旋转速度,如图
除了改变传感特性,自旋速率变化也观察到改变TiO的粗糙度2电影。每个样品的表面粗糙度在图表示
TiO的表面粗糙度2样品将在(a) 1000 rpm, (b) 2000 rpm, (c) 3000 rpm, (d) 4000 rpm。
有两个重要的因素需要考虑,同时旋转薄膜涂层衬底的旋转速度和旋转时间
Ti的厚度
| 旋转时间(秒) | 厚度(nm) |
|---|---|
| 30. | 35.83 |
| 45 | 28.93 |
| 60 | 23.68 |
| 75年 | 20.73 |
在旋转涂布过程中,液体溶胶-凝胶前体最终成为固体薄膜时被沉积在衬底上。离心力作用于TiO沉积2液体是依赖于所使用的旋转速度。然而在旋转的时间参数,在3000 rpm的速度保持不变。因此,膜厚度的变化,如表中列出
膜厚度变化对旋转时间的依赖。
此外,旋转时间也已被证明能够改变捏造TiO的敏感性2电影。图
影响不同的纺丝时间对pH TiO的灵敏度和线性度2电影。
旋转时间变化也被发现影响薄膜的表面粗糙度。图
粗糙度的样品旋转在不同时间:(a) 30秒,(b) 45秒,(c) 60秒,(d) 75秒。
之间的关系旋转涂布参数和TiO的性能2传感膜EGFET pH值传感应用。所有的样本都使用过程简单,成本低廉,溶胶-凝胶法成功制造旋转涂布技术。本研究证明TiO的能力2在检测和传感H+,可以看出,所有样本的线性表现出超过0.98实现。得出最优旋转速度产生一个高灵敏度膜3000 rpm,从60.3 mV / pH值的敏感性。除此之外还发现理想旋转时间是75秒,这个样本有很大的敏感性68 mV / pH值很好的线性度为0.9943。
赞助商的资金没有参与这项研究的设计,在收集、分析、和解释数据,写的手稿,并决定发表的结果。
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
这项研究部分由邻蒙古马来西亚利基研究资助计划(nrg)下(项目代码:600 - rmi / nrg 5/3(7/2013))和学院科研管理与创新(IRMI),各种大学马拉(UiTM)。作者要感谢NANO-SciTech中心(望远镜),科学(IOS)研究所UiTM, AFM设施。