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体积 2020年 |文章的ID 5890402 | https://doi.org/10.1155/2020/5890402

Janusz Smulko、Tomasz Chludziński Umut Cindemir,克拉斯g . Granqvist他温, 紫外线Light-Modulated Fluctuation-Enhanced气体传感层的石墨烯薄片/ TiO2纳米粒子”,杂志上的传感器, 卷。2020年, 文章的ID5890402, 9 页面, 2020年 https://doi.org/10.1155/2020/5890402

紫外线Light-Modulated Fluctuation-Enhanced气体传感层的石墨烯薄片/ TiO2纳米粒子

学术编辑器:鑫刘
收到了 2020年1月31日
修改后的 2020年5月19日
接受 2020年6月24日
发表 08年7月2020年

文摘

我们目前的实验结果fluctuation-enhanced气体传感的低电阻传感器制成的石墨烯薄片和TiO的混合物2纳米粒子。这两个组件由紫外光光催化和激活。两个不同波长的紫外发光二极管(362和394海里)被应用于调节的气体传感层。电阻噪声被记录在低频段,8赫兹和10 kHz之间。传感器的反应在合成空气和有毒的环境氛围2在选定的浓度(5、10和15 ppm)。我们观察到,闪烁噪声改变其频率不同的紫外线波长的依赖,从而提供额外的信息环境的气氛。功率谱密度改变了几次由于紫外线照射。传感器是在60和120°C,和气体感应紫外线的影响最为明显,较低的操作温度。我们得出这样的结论:紫外光激活气敏层,提高了气体在低浓度的检测2。这个结果是可取的的检测组件的气体混合物,和调制传感器可以代替数组独立电阻传感器将消耗更多的能量来加热。我们还表明,一个更先进的技术来制备气敏层,利用旋转涂布,会产生相应的层厚度约为几μ米,大约不到十倍的测试样本。应用紫外线诱导的影响,只有少数的穿透深度μ米,就会被放大。

1。介绍

电阻式气体传感器的当前利益,因为他们的低成本生产和简单的应用程序来检测范围的气体(1,2]。多种金属氧化物半导体(苔藓)——比如SnO2,我们3氧化锌,TiO2哞,3NiO,铁2O3表现出不同的气敏特性,可以用于检测各种气体。电阻改变在暴露于环境氛围。改变取决于减少或气体分子的氧化能力,可以用来确定气体浓度。

传感器被激活在温度升高,气体探测和操作温度决定了金属氧化物半导体传感器的选择性和灵敏度。等贵金属纳米颗粒,通常盟和Pt,还可以涂料传感器和诱导催化效果,以进一步提高选择性和灵敏度3]。对于某些应用程序,一个复杂的方面是气体混合物可能含有不同数量的湿度,这种情况,例如,呼出的气息分析医疗检查,在办公环境中,等。一个可以提高气体检测通过应用一系列的金属氧化物半导体气体传感器的选择性优化选择气体,但这个解决方案导致的额外成本准备的气体传感器及其在实际使用操作。此外,气体传感器需要额外的能量来操作数组在升高温度。因此,新型气敏为提高气体探测方法是理想的低成本之外需要应用MOS传感器和测量传感器的直流电阻。

一个方法提高气体传感利用低频(低- )提出了抗噪声和大约20年前(4,5]。具体来说,这种方法被发现有效提高选择性和灵敏度;它利用功率谱密度记录电阻噪声作为额外的信息来源对环境空气的气体传感器5,6]。这种方法被称为fluctuation-enhanced传感(FES) [5]。此外,记录1 / 噪声可以通过改变容易修改操作温度或通过紫外线照射到光催化材料(7]。

功率谱密度是频率的函数;其斜率可以改变当地在转角频率特征 通过adsorption-desorption事件,具体的时间常数 ,气体分子引发的环境空气中。一个类似的机制导致1 / 噪音闻名产生复合半导体(g r)事件。每个g r事件所描述的是洛伦兹的功率谱密度 ,在哪里 在频率决定了噪声强度 的时间常数是捕获状态。1 / 频谱是由总结独立事件在时间常数 和分布式对数之间的限制 (8]。任何偏离假定的对数分布 如。,due to scattering from charged impurities with specific properties—results in a local deviation from the 1/ 依赖。区别是通常观察到高原在给定转角频率。其强度和位置在频域中可能吸附气体分子的特征,利用低频噪声测量鉴定。

实验研究在single-layer-graphene场效应晶体管(FET)报道不同的拐角频率高原特色的一套气体(9]。高原的转角频率是可重复的一批标本,从而展示了潜在的菲斯高气体选择性的方法(10]。也观察到石墨烯层可能modulated-e.g。气体接触后,清洗去除吸附气体分子(9)——紫外线。这些结果暗示一个可以使用石墨烯气体传感和紫外线辐射增强其传感特性。

在二维材料,如石墨烯,气体分子吸附在表面上改变表面的潜力,而在电阻式气体传感器,气体分子改变颗粒之间的势垒。这一障碍不同大小不同的谷物中共同形成电阻气敏层。Single-layer-graphene具有稳定的物理性质,因此,可以看出高重复性的转角频率对不同气体。然而,与single-layer-graphene back-gated场效应晶体管的频道需要复杂和昂贵的技术。因此,我们提出研究层的二维材料,确保同质性能比的混合金属氧化物半导体颗粒的大小不同和各种潜在的障碍。

在目前的工作中,我们探索气体传感层的石墨烯薄片和二氧化钛(TiO2纳米粒子。材料都是光催化,因此很容易被紫外线照射。层可以通过低成本生产技术,特别是通过绘画和随后的支持解决方案位于金电极之间形成了气敏层(11]。我们的实验研究考虑1 /紫外线辐射的影响 噪音。此外,我们将讨论如何先进的为了实现这种技术增强气体传感。

2。材料与方法对传感器的准备

我们的传感器是由早先提出技术(11]。气敏层包括降低石墨烯氧化物的混合物(rGO)和TiO2纳米粒子。各种气体的实际利益,石墨烯是敏感和生成的1 / 噪音取决于环境气氛(12,13]。氧化石墨烯和氧化石墨烯被用作模板准备graphene-metal粒子纳米复合材料在早期工作14),但这些复合材料(石墨烯附着金属颗粒)的上下文中都是新的气体传感器和催化剂。在我们的探索性研究,报道下,我们研究了这种类型的混合物,并演示了其气敏应用潜力巨大。

在高温rGO蜂窝网络恶化,但这个过程可以通过引入TiO阻碍2纳米颗粒的气体敏感和具有光催化效果。TiO2特点是大型隙,约3.2 eV,因此,添加石墨烯将减少的气敏电阻层。有必要建立一个适当的体重TiO之间的比例2纳米颗粒和石墨烯为气敏保证一个合理的电导率测量(采用直流电阻和电阻波动),气体灵敏度高,稳定性和时间的准备材料。

气敏层由混合两种成分,绘画在衬底(图1在50°C),随后烘烤30分钟稳定结构的溶剂,即,稀释TiO的乙醇2纳米颗粒(Aeroxide TiO2P25)和醋酸正丁酯稀释石墨烯薄片(石墨烯超市uhc npd - 100毫升)(11]。四点金硅被用作电极接触;每一个黄金地带之间的距离是300年μm。气敏层非常多孔表面(图并显示一个大活跃2)。层的厚度低于75μ米,由于沉积技术,不同的甚至在单一基质高达25μm凹横截面。我们用不同的石墨烯/ TiO准备层2重量比率为了找到最有前途的成分为气敏应用程序(15]。气敏层表现出一些漂移在时域,但这种效果可以无视我们的实验研究限于几个月。我们意识到被认为是技术用于目前的潜在的气体传感层,调查和任何商业应用程序需要优化技术。

噪声测量可以在标本的直流电阻不大于数以百计的kΩ。气体传感器被放置在一个反馈回路的低噪声运算放大器工作电流电压转换器(16]。RC滤波器体现直流电阻、寄生电容决定了频率特性和低频噪声无法衡量适当时,直流电阻太高了。因此,我们选择了三个比率的石墨烯薄片和TiO。进一步的研究2纳米粒子,即5、10和20 wt %。这些层的电阻不超过20 kΩ在选择操作温度60到120°C。我们还准备了传感器TiO的1 wt %2纳米粒子,但这些样品有数万米的直流电阻Ω以及低气体敏感性,因此被排除在详细研究。选中的层进行了扫描电镜和显示多孔结构组成的石墨烯薄片装饰着TiO2纳米粒子(图2)。

3所示。测量装置

我们研究了气敏层接触选择环境大气压下观察直流电阻,电阻的变化波动频率较低。传感器被放置在一个金属气室体积的1升。气敏层敏感的各种气体,为了探索潜在的菲斯气体探测的方法,我们使用了一个环境空气有毒2气体,具有很大的实际利益。米质量(Analyt-MTC GFC17类型)是用于建立选定的浓度2稀释在空气合成。我们校准混合气体(100 ppm的没有2在N2携带气体)和合成空气(20% O2,80% N2),没有湿度在场。介绍了气体混合物进入气室流量低于200毫升/分钟,以避免气体湍流,这可能会提供一个假的波动源与电阻引起的波动adsorption-desorption事件。设定的工作温度是一个直流电压加热器后侧的硅衬底和由热电偶监控。

传感器被放置在一个反馈回路的低噪声运算放大器(箴言集成MAX4478)电流电压转换器。输出电压是记录下一个精确的数据采集板(国家仪器、模型pci - 4474与24位a / D转换器的分辨率)。输出电压是由直流偏置气敏层。这个电压有两个组件:一个直流电压根据阻力 的气敏层和一个随机元素与电阻成正比的波动。我们确认了1 /记录 噪声是由噪声产生的内气敏结构,即。,not by contact noise generated between the gold electrodes and the gas-sensing layer. This was verified by the square dependence between the DC voltage 在传感器和电压噪声的功率谱密度 (16]。因此,没有必要使用四点接触方法以减少最终接触噪音。我们的测量装置确保了归一化功率谱密度, ,等于阻力波动的归一化功率谱密度, (17]。

金属毒气室被用于与外部电磁干扰屏蔽。紫外线发光二极管被放置在距离1.5厘米的气敏层。两个紫外LED应用,指定1(类型T5F,首尔Optodevice), 2(类型OSV4YL5451B OptoSupply)。的偏置电流 紫外线发光二极管的设置,以保证相同的最大发出不同波长的光功率 (领1: , ;领导2: , )。这样的安排使我们看到紫外线的波长是如何影响生成的低频噪声和气体探测的能力。

4所示。实验结果和讨论

实验数据证实1 /的有效性 在低成本的气敏层噪声测量。1 / 几千赫噪声分量占主导地位,这意味着菲斯方法可以利用这些传感器采用低噪声测量装置。通过气敏层记录的电压采样频率 20 kHz。我们估计功率谱密度传感器的电压波动的平均512多光谱,并且每个谱估计到4096年使用电压噪声样本。功率谱密度的乘积与直流电压和频率被规范化,和 评估暴露任何从1 /差异 依赖(图3)。本产品提供了一个1 / 噪声组件作为平线在低频范围内。偏离1 / 噪音是表示成一个局部最大值。我们没有给光谱数据在频率接近最大频率 当数据采集板的抗锯齿滤波器衰减的信号。

除了1 / 噪声组件,控制几千赫频率范围内,我们发现了一个洛伦兹的转角频率70赫兹在黑暗条件下和在操作温度 60°C(图3(一个))。最大的洛伦兹两倍大于1 / 紫外线照射下噪声记录。洛伦兹转移到另一个频率范围在紫外线的照射。我们观察到,1,短波的排放,增加了白噪音组件与领导的辐照效应诱导的2。似乎更短的波长的更高的能源产生的散粒噪声。这种效果不是那么生动在更高的工作温度为120°C(图3 (b)),我们可以说明紫外线引起的散粒噪声相比不是那么强烈的热噪声传感层 实验结果表明,第二温度太高,与紫外线照射一起使用。

我们观察到一个类似1 /的斜率的变化 噪声传感器时的环境氛围2气体(图4)。气体的存在改变了洛伦兹(图4(一))在低浓度(5 ppm)以类似的方式随着紫外线照射,但没有增加领导的白噪音组件时观察到1(图3(一个))。更高浓度的不2(10、15 ppm)诱导增加1 / 噪声和白噪声的组件了几次。白噪音组件与散粒噪声和热噪声,在高浓度的没有2,它的增加也与直流电阻的变化有关。

当我们通过紫外线辐照气敏层与低浓度的环境氛围2(5 ppm),我们观察到1 /放大 以低频率噪音(低于10 Hz) 2只(图4)。LED发出2长波长的光(最大394海里)和提供更小的能量与LED相比1(最大362海里)。这一事实解释了为什么领导2诱导强烈的1 / 噪声频率低于10赫兹(图4 (c)1)而导致没有(图4 (b))。

我们应该强调,功率谱密度改变了几次,这些差异远远大于直流电阻的观察到的变化引起的紫外线照射或环境的氛围2。此外,洛伦兹的特点是一个角落频率,其价值是非常丰富的气体探测算法。这个结果可以解释为紫外线照射的激活机制在气体传感。众所周知,紫外线产生离子O2- - - - - -(g)覆盖表面的气敏颗粒(18]。这些离子有较弱的绑定到谷物多吸附离子O2- - - - - -。因此,任何变化引起的波动现象引入气体由于低结合能更强烈。此外,拐角频率 g r事件也会由于较低的能量,可见在更高的频率,观察到在我们的实验研究。

直流电阻取决于操作温度和石墨烯片/ TiO2比率。当紫外线、辐射传感器或有毒2介绍了气体,我们观察到的直流电阻下降。直流电阻的相对变化是大约60%的初始值最低的石墨烯薄片/ TiO调查25 wt %的比例。石墨烯片的传感器/ TiO220 wt %的比例大约几百的直流电阻Ω,观察到的最高浓度的下降不超过30% 15 ppm的没有2。石墨烯片的层/ TiO210 wt %的比例有数万kΩ的直流电阻。略高的直流电阻表现出了气敏层石墨烯片/ TiO25 wt %的比例。气敏的直流电阻层不同,因为不同的石墨烯薄片/ TiO2比率和由于厚度的差异测试标本。所有记录的直流电阻和时间序列的电压传感器,和文件的详细描述,在MATLAB工作区保存为数据集格式(文件 垫),可用于进一步的使用https://drive.pg.edu.pl/s/G4R5w0CMzjJpRIA

应该注意的是,石墨烯是敏感应用紫外线辐射的波长,和实验结果证实,在波长280纳米的紫外线会破坏和改变single-layer-graphene传感设备的特点9]。因此,操作温度和紫外线的波长决定的频率位置洛伦兹和它的存在。我们观察到,在120°C的工作温度,在SA的环境气氛,紫外线增强1 / 在低频率(图噪声5(一个))。在相同的操作温度和在黑暗条件下,但在15 ppm的环境气氛2,有一个洛伦兹的转角频率100赫兹(图5 (b))。拐角频率改变时紫外线应用。

我们得出结论,提出结果非常有前途的菲斯方法的实际应用方面实现低成本的气敏层。我们观察到几套的工作条件,洛伦兹发生的频率在不同的角落。他们的存在可以很容易地利用提高气体探测即使环境空气是一种气体混合物。结果是所观察到的类似与single-layer-graphene back-gated场效应晶体管的通道(9],频率所确定的角落,特点为不同研究气体,在一系列类似于目前观察到的频率工作。我们假设TiO的加入2减少了能带的纳米粒子,使得气体检测石墨烯片更敏感。不幸的是,引入纳米粒子改变1 / 噪音和改变其强度之间的各种样品的气敏层由于不可避免的缺陷诱导石墨烯表面。结果表明,考虑低成本技术利用一个二维材料(石墨烯片)可以接受的气敏特性。非常挑剔的结果接近,当然更敏感,利用single-layer-graphene传感器,这些传感器提供高度可重复的传感参数但非常脆弱的和昂贵的。

仍然存在与我们的技术相关问题,需要进一步深入研究,我们不知道如何可重复的和耐用的技术是研究气敏层。层相当厚的结果简单,而且非常便宜,技术,其厚度发生显著的变化。我们相信更好的结果可以达到旋转涂布技术。传感参数将被更多的可再生的,和传感层可以是薄一些μm。然后,我们期待一个更加显著的影响紫外线照射的传感特性。事实上,紫外线的穿透深度的石墨烯薄片/ TiO2不超过几层μm;它的价值取决于层的形态,是由特定的石墨烯薄片/ TiO2比率。这个问题必须研究实验以确定最佳的工艺参数。此外,一个非常薄层会减少响应时间和使气体探测更简单和测量时间明显短于上面的实验报告。减少响应时间要求先进的信号处理的微分值占气体探测,从而消除不可避免的飘在实际测量。也可以应用一些漂移消除算法(19为了减少这种不利影响,相同的解决方案可以用来减少传感器老化的影响。在未来的工作中,所选检测算法应该应用于检测环境空气中的气体(20.]。这些算法是专门为菲斯估计功率谱密度的方法和利用的变化(21]。

5。结论

我们给出了实验结果2通过低成本的气敏传感层制成的石墨烯薄片/ TiO2纳米颗粒混合物。层被紫外线辐照使用两个发光二极管调制不同的发射波长。菲斯法应用于检测环境气体,和1 /记录 噪声表现出洛伦兹频率在不同的角落。洛伦兹被调制的紫外线,可以用来探测周围的气体。初步工作表明,最优属性时获得的石墨烯薄片/ TiO2纳米粒子比5 wt %。传感层的直流电阻是10 kΩ并允许访问的低频噪声测量通过应用低成本技术体现低噪声运算放大器和a / D转换器。

此外,我们提出了推进技术运用旋转涂布降低气敏层的厚度,从而提高紫外光的调制。我们的初步结果表明,低成本可以选择敏感气体探测气体的方式类似于用更昂贵的传感器基于single-layer-graphene场效应晶体管晶体管。这个结果是有前途的检测组件的气体混合物,当调制传感器代替数组独立电阻传感器,消耗更多的能量来加热和需要大量的维护成本。该传感器可能应用在嵌入式应用中由于他们的低成本和低工作温度,不需要能量取暖。原则上,temperature-activated adsorption-desorption气体分子被紫外线所取代的调制产生类似的效果。但是,还需要更深入的研究来确定敏感性和重复性的气体传感器的选择性在目前讨论的工作。

同样的评论是有效确定气体传感器的响应在不同湿度和操作温度检测气体的最佳选择。的报道结果相对较低的温度(60°C, 120°C)对实际应用很重要因为传感器的能源消耗很小。

值得一提的是,各种二维材料(复合rGO, TiO2(22),几层的金属氧化物半导体2(23]),装饰着非盟的纳米粒子,具有光催化效果和增强他们的气体传感在紫外线下照射。直流电阻的观察到的变化是更深刻的紫外光激活adsorption-desorption流程。我们可以期待更好的结果时菲斯方法申请了这些材料。这意味着我们的呈现结果打开一个新的视角加强天然气新兴气敏传感材料。

我们应该强调,有新提议的物理现象,可以用来提高气体传感,包括摩擦电效应(24]甚至triboelectric-photoelectric耦合效应(25]。这些提案改善气体传感和建议的可穿戴传感器的应用。我们希望这种传感器应用于监测人类活动也可以利用菲斯方法和引入新的感应操作。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现使用MATLAB工作区格式( 垫)存入本地存储库(https://drive.pg.edu.pl/s/G4R5w0CMzjJpRIA),可用于进一步的使用。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

我们感谢Maciej Trawka博士与噪声时间序列记录他的帮助。乌普萨拉大学金融支持工作受到了欧洲研究委员会根据欧盟第七框架计划(fp7/2007 - 2013) /伦理委员会授予协议267234 (“GRINDOOR”)。

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