文摘

二氧化钛(TiO2)薄膜被气急败坏的无线电频率(RF)磁控溅射方法,曾作为扩展的传感膜栅场效应晶体管(EGFET) pH值传感检测应用程序。TiO的2薄膜沉积在氧化铟锡(ITO)镀膜玻璃基板在室温和200°C,分别。沉积温度对薄膜性能的影响和pH检测应用进行了分析。TiO的2样品用作EGFET传感膜pH-sensor和电流电压(电流-电压)、磁滞和漂移特性检查。TiO的敏感性2EGFET传感膜得到的传输特性(电流-电压)为不同的衬底加热温度曲线。TiO2薄膜气急败坏的在室温下实现更高的灵敏度59.89 mV / pH值相比一个沉积在200°C表示低灵敏度的37.60 mV / pH值。此外TiO的滞后和漂移2薄膜沉积在室温下显示出较低的值相比,一个在200°C。我们也测试了操作温度对性能的影响的EGFET pH-sensing,发现温度效应是非常小的。

1。介绍

TiO2是一种金属氧化物材料,已成为一个重要的工程材料由于通用性的电子和光学性质在各种应用程序中使用色素增感太阳能电池在许多领域包括(1,2],催化剂[3),在半导体工作电极(4),介质层材料(5,6),气体传感器(7),药物传感器(8,也为pH检测传感膜(9- - - - - -12]。TiO2是一个有趣的材料由于其优点,如化学和温度稳定性好,高介电常数、折射率指数,高介电常数和生物相容性。

TiO2被广泛用作pH传感器以检测H+离子。通常有两种类型的电化学传感器,研究了pH值传感的离子敏感场效应晶体管(ISFET) [9)和扩展栅场效应晶体管(EGFET) [10,13]。ISFET的区分这两个设备是由传感膜的场效应晶体管(FET)这是捏造的场效应晶体管和直接与电解液接触,虽然EGFET包括场效应晶体管和传感膜分为两个部分,只有传感膜直接与电解液接触而场效应晶体管被孤立。EGFET配置提供了更多的优势而ISFET像低成本、减少光和温度敏感性,还会简单的包装(14]。

在这项工作中,我们报告TiO的应用2作为EGFET pH传感器的传感膜,探讨了沉积温度的依赖。沉积温度保持在较低的范围由于采用柔性基板的过程的可能性。然后,沉积薄膜的物理性质以及EGFET检查传感器特征的转移特征,磁滞,漂移和温度补偿测试。对比EGFET ISFET也模拟实验证明EGFET的工作温度稳定。

2。方法

2.1。TiO的制造2传感膜

TiO的2传感膜沉积在ITO镀膜玻璃,作为底物。同时,伊藤的导电层是用来被连接到商业晶体管(NDP6060L)的城门。沉积过程发生前,ITO镀膜玻璃在超声波清洗槽10分钟50°C使用甲醇和去离子水(DIW)交替确保ITO是免费的从灰尘和污染。之后,伊藤被氮气干燥之前准备好。在沉积过程中,目标是接受presputtered过程大约300秒,消除目标表面上的任何污染和稳定溅射条件。TiO2薄膜被堆积在清洗ITO镀膜玻璃的顶部通过射频磁控溅射系统(SNTEK负责5004)。TiO的299.99%的高纯度目标和一个直径4英寸。射频磁控溅射TiO条件的细节2薄膜在表中做了总结1。场发射扫描电子显微镜、FESEM (JEOL-JSM 7600 f),及拉曼光谱(Jobin Yvon Horiba)被用来分析薄膜的表面形态和结构属性。与此同时,TiO的元素组成2被观察到的能量色散x射线能谱(EDX)和TiO的表面粗糙度2分析了利用原子力显微镜(AFM)。

表1
射频磁控溅射TiO的条件2薄膜。
2.2。EGFET传感器:测量设置
2.2.1。传输特性(电流-电压)测量设置

沉积薄膜是准备电流电压(电流-电压)测量。之前电流-电压测量进行了,ITO的undeposited区与金属线和附加银膏。为了避免泄漏电流,薄膜封装用环氧树脂1厘米 1厘米的传感区域被定义在沉积薄膜。完成传感膜被连接到门的商业MOSFET (NDP 6060 l)。然后,封装薄膜和参考电极(Ag) / AgCl)一起沉浸在各种酸碱缓冲方案1.8,4,6.2,8.1,10,12。据(15),参比电极需要正确操作ISFET的电解液可以建立潜在的半导体衬底。通过使用半导体参数设备B1500A分析器模型,传输特性和漏极电流与参考电压( )获得。为了避免光线和环境效应,所有测量进行黑盒的空间环境。图1显示了电流电压(电流-电压使用TiO)测量设置EGFET2气急败坏的传感膜。


图1
EGFET传感器测量设置。
2.2.2。磁滞和漂移测量设置

测量系统的滞后和漂移由EGFET TiO2传感膜,参比电极,恒流恒压读出接口电路(CVCC ROIC),数据记录器,也与信号电脑录音软件。沉积TiO漂移测量2传感膜和参比电极浸在缓冲溶液的pH值4 12小时TiO的输出电压2传感膜被使用数据记录器记录和存储。与此同时,个人电脑是用来显示的图像记录数据。测量重复了各种缓冲溶液的pH值为7,10和12 12小时,相应的。之后,使用相同的测量设置的漂移,pH值循环的滞回曲线进行了7 4 7 10 7和7 10 7 4 7为500秒。

2.2.3。EGFET和ISFET比较温度的实验仿真

这个实验是模拟实验操作温度的影响在EGFET和ISFET传感器性能。如前所述,ISFET,自传感膜是直接在门口制作的场效应晶体管,晶体管将沉浸在解决方案在测量;因此,阅读会受到温度的影响。另一方面,EGFET,只有传感膜作为扩展栅场效应晶体管将沉浸在测量。在这项工作中,我们模拟ISFET,沉浸与参比电极传感膜和MOSFET pH缓冲方案在热板上。pH缓冲溶液的温度变化从24到70°C通过增加5°C的每一步。至于EGFET模拟,只有传感膜(扩展门)和MOSFET沉浸在pH缓冲解决方案上测量和热板的温度是不同的在相同的范围。测量设置由EGFET传感膜和参比电极,商业MOSFET,恒流恒压读出接口电路(CVCC ROIC),数字万用表,热板。

3所示。结果和讨论

3.1。TiO的物理特性2薄膜

数据2(一个)和2 (b)显示TiO的表面形态2薄膜沉积在室温和在200°C,分别。不同沉积温度结果的图像显示在不同表面结构的薄膜。薄膜沉积在室温下显示一个粗略的和非均匀表面大多无特征的晶界。另一方面,一个在200°C的展品小颗粒也显示了粒子的聚集具有更均匀的表面结构。它可能发生由于温度较高的高动能重组TiO 200°C2粒子。沉积TiO的材料成分2经EDX鉴定。EDX显示两个沉积薄膜含有钛(Ti)和氧(O2)元素。其他元素,存在于薄膜硅(Si)和铟()从ITO玻璃衬底和碳(C)峰值可能源自环境污染。TiO的2薄膜厚度测量的表面分析器的薄膜沉积在室温下是61.55 nm略厚而在200°C 60 nm。可以说,更高的温度诱发更多的聚集和密集的电影关于膜厚度方向导致更薄和紧凑的电影。沉积TiO的表面粗糙度2分析了薄膜通过使用原子力显微镜(AFM),如图3(一个)和3 (b)。随着衬底温度的增加,沉积薄膜的表面粗糙度下降。粗糙度减少从7.123到2.841 nm随着衬底温度的增加从室温到200°C,分别。通过site-binding模型理论、传感性能将提高随着表面网站数量的增加。粮食的增加规模可以提高传感性能的属性作为传感膜沉积薄膜时(16]。图4显示了TiO的拉曼光谱2薄膜沉积在室温和在200°C。测量进行了514.5 nm的激发波长的范围200 - 1000厘米−1。水晶TiO2称为锐钛矿、金红石和板钛矿将表现出拉曼峰144,447,153厘米−1(17- - - - - -19]。然而,从图4可以观察到,没有顶点,这显然表明TiO沉积2薄膜非晶结构。

(一)
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(b)
(b)
图2
TiO的表面形态和EDX分析2室温和薄膜沉积在(a) (b) 200°C。
(一)
(一)
(b)
(b)
图3
TiO的AFM图像2室温和薄膜沉积在(a) (b) 200°C。

图4
TiO的拉曼光谱2室温和薄膜沉积在(a) (b) 200°C。
3.2。EGFET传感器特征
3.2.1之上。传输特性( )和pH敏感性

数据5(一个)和5 (b)显示,传输特性( 气急败坏的TiO2薄膜在不同缓冲溶液的pH值1.8至12。与此同时,相应的 与pH值图的插图所示。传感器的灵敏度和线性来自斜率的线性回归图,分别。在这个测量,漏极电压( )被固定在500 mV基准电压( )被从−2到3 V。这两个图表显示类似的转让行为特征的阈值电压变化从左到右。右边的阈值电压的改变增加了pH值的减少是由于表面的潜力。表面电位电压传感膜之间的关系和pH缓冲的解决方案可以通过site-binding模型理论解释(15]。图6显示了发生的反应之间的传感膜的表面和pH缓冲溶液。从图可以看出6传感膜的表面表示,德州仪器可以在三种不同形式的负面(TiO−),正面的( )和中性(TiOH)。表面电位的变化取决于缓冲溶液pH值的价值。表面电位电压的依赖( )之间的传感膜和缓冲溶液pH值可以表示为20.] 在哪里 表示缓冲溶液pH值值在零电荷点, 是电子电荷, 是玻尔兹曼常数, 是绝对温度, 是敏感参数。的关系 和表面单位面积上可以表示为(20.] 在哪里 和 分别基本酸平衡常数和平衡常数,然后呢 是双电层电容的派生Gouy-Chapman-Stern模型(21]。根据(1),更高的线性响应之间的表面电位电压传感膜和pH缓冲溶液可以获得,从而导致更高的敏感性参数,β。因此,当 是固定的, 应用于商业MOSFET (NDP 6060 l)变化与缓冲溶液pH值的值。

(一)
(一)
(b)
(b)
图5
传输特性( TiO)曲线2室温和薄膜沉积在(a) (b) 200°C的pH值1.8,,6.2,8.1,10,12。插图显示了pH值依赖的参考电压( )的阴谋。传感器灵敏度和线性度的计算从这个阴谋。

图6
site-binding模型的示意图。

两个沉积TiO的灵敏度和线性度2不同衬底的薄膜加热温度在表中做了总结2。沉积TiO的灵敏度和线性度2薄膜的计算输出电压从相应的点 = 100µ答:室温沉积薄膜显示灵敏度和线性度的59.89 mV / pH值和0.93503,分别。另一方面,灵敏度和线性度得到的薄膜在200°C 37.60 mV / pH值0.95132。很明显,室温TiO2薄膜相比,灵敏度高,线性好,显示200°C。这个结果可能归因于TiO的更高的表面粗糙度2相比,薄膜沉积在室温下沉积在200°C的观察到在前表面形态图像(图2从AFM粗糙度分析(图)3)。据很多(21- - - - - -24),更高的表面粗糙度提供了更好的pH敏感性。尽管薄膜非晶所观察到的拉曼光谱,可以预期,薄膜沉积在室温下样品结晶度较低而沉积在200°C可能促进更多的结合位点,与更高的灵敏度(25]。通过比较(26),花王等人使用更高温度的800°C获得更高的灵敏度。与此同时,在这篇文章中,我们使用更低的温度产生更高的灵敏度低成本。

表2
TiO的灵敏度和线性度2薄膜。
3.2.2。磁滞和漂移特性

磁滞特性的传感器测量输出补偿电压对应于pH值的变化缓冲解决方案指定的时间间隔。传感膜浸泡在酸碱缓冲方案从循环7 4 7 10 7和7 10 7 4 7在每个pH值为500秒。数据7(一)和7 (b)显示了典型的磁滞回路( )和磁滞宽度( )所示的数据7 (c)和7 (d)。在数据显示7 (c)和7 (d),它是发现TiO2薄膜沉积在室温下表现出更低的输出电压而200°C薄膜。这是因为TiO的表面粗糙度越高2薄膜在室温下存放,导致减少记忆效应(27]。图7 (c)表明TiO的滞环宽度2薄膜沉积在室温下是5.3 mV pH值7和9 mV 4 7 10 7和7 10 7 4 7环,分别。与此同时,在200°C的滞环宽度是7.9 mV和13.8 mV pH值在同一循环如图7 (d)。清楚地看到,acid-side滞后小于基方面滞后。根据姚明et al ., pH传感器的不对称滞后是由于不同的扩散率H+噢,−离子传感膜的埋葬地点(10]。电化学传感器的低磁滞值表示好的特点。这是因为高价值的滞后和漂移将限制从传感器获得的准确性(15]。漂移和滞后的现象可能是由于绝缘子的缓慢进步的水化膜的运输以及某些物种在整个绝缘子电影,影响semiconductor-insulator接口(15]。

(一)
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(b)
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(c)
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(d)
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图7
磁滞特性的pH值循环7 4 7 10 7和7 10 7 4 TiO的72室温和薄膜沉积在(a) (b) 200°C。显示了磁滞宽度(c)和TiO (d)2薄膜沉积在室温和200°C,分别。

电化学传感器的耐用性和可靠性测试通过使用漂移测量。漂移测量完成后每个缓冲溶液pH值在300秒。TiO的漂移特性2薄膜测量pH值4 - 12策划的输出电压随时间变化数据所示8(一个)和8 (b)。房间温度的漂移率在图示例8(一个)0.09766 mV / h, 2.6007 mV / h, 0.59152 mV / h,和0.041692 mV / h的pH值4,7,10和12。这些示例沉积在200°C 0.81103 mV / h, 4.4062 mV / h, 0.46916 mV / h和0.32618 mV / h。传感膜沉积在室温下有一个明显的小漂移而沉积在200°C,从而表明pH传感器的良好的耐久性和可靠性为12小时。

(一)
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(b)
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图8
沉积TiO的漂移特性2薄膜(a)衬底加热温度在室温和(b)衬底加热温度为200°C对酸碱4和12之间的pH值的变化。
3.2.3。ISFET和EGFET比较温度的实验仿真

温度实验仿真分析,输出电压传感膜的反应对温度的变化在不同的缓冲溶液的pH值4 - 12所示。我们可以看到数据9(一个)和9 (b)EGFET温度实验模拟显示;与此同时ISFET温度实验模拟数据所示9 (c)和9 (d)。显然从这些数据,输出电压响应对传感膜对溶解温度的变化对EGFET ISFET相比更加稳定。输出公差对薄膜沉积在室温和200°C EGFET和ISFET温度实验模拟总结表3。EGFET,薄膜给低输出耐受电压/ 1°C。薄膜与ISFET相比,都显示了更高的输出电压公差每1°C。从这些结果,这是证明有一个延长传感膜的大门对MOSFET传感器系统可以消除温度的影响,因为它是表明,pH缓冲溶液温度的变化没有给出重要的输出电压值传感膜。间接地,这个温度补偿测试说明了利用EGFET ISFET。因此,EGFET显示更好的耐热性比ISFET传感器性能好。

表3
宽容TiO的电压输出2薄膜沉积在室温和200°C对pH值变化酸碱4和12之间EGFET ISFET温度实验模拟。
(一)
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(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图9
EGFET温度TiO的实验仿真2室温和薄膜沉积在(a) (b) 200°C和ISFET温度TiO的实验仿真2薄膜沉积在(c)房间的温度和pH值(d) 200°c到酸碱4和12之间的差异。

4所示。结论

在这工作,TiO2薄膜是准备使用射频磁控溅射方法在不同沉积温度传感膜的ITO镀膜玻璃衬底上EGFET pH传感器。TiO的表面形态2薄膜沉积在室温下显示出一个粗略的和非均匀表面大多无特征的晶界相比,200°C的展品小谷物和也显示了粒子的聚集具有更均匀的表面结构。典型的转移特征( )EGFET pH传感器获得每个沉积薄膜在不同的温度下。TiO2薄膜沉积在室温下表现出更高的灵敏度和线性度的59.89 mV / pH值和0.93503,分别。相比之下,TiO2薄膜沉积在200°C表示略低灵敏度和线性度的37.60 mV / pH值0.95132,相应。这是由于TiO的更高的表面粗糙度2薄膜沉积在室温沉积相比,一个在200°C的观察表面形态和AFM图像。从拉曼光谱,薄膜非晶;因此可以预期,薄膜沉积在室温下样品结晶度较低而沉积在200°C可能促进更多的结合位点,与更高的灵敏度。TiO的滞后和漂移2薄膜沉积在室温下显示出较低的值相比,一个在200°C。低磁滞和漂移值表明好的电化学传感器的特点,因为高价值的滞后和漂移会限制传感器的准确性。的温度补偿测试薄膜的礼物可能相同的输出电压公差;然而,它给出了一个不同的输出电压公差EGFET和ISFET。EGFET给更低的输出电压公差比ISFET / 1°C。它可以断定TiO2薄膜沉积在室温下具有良好的灵敏度,线性度,可靠性和耐久性,适用于pH值传感膜。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢纳电子中心的所有成员(净),各种大学马拉,UiTM, NEMS和光子学集群的分布式天线有限公司所有的研究设施。马来西亚教育部支持的部分工作是在利基研究资助计划(项目代码600 - rmi / nrg 5/3 (6/2013))。