Cur의 게이트 유도 캐리어 변조를 통한 암모니아 감지 성능 증폭

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8159(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

통제되지 않은 인간 및 산업 활동으로 인해 환경에서 유독 가스를 감지하기 위한 선택적 가스 센서에 대한 수요가 증가합니다. 기존의 저항성 가스 센서는 미리 결정된 감도와 가스 선택성이 좋지 않은 문제가 있습니다. 이 논문은 공기 중 암모니아를 선택적이고 민감하게 감지하기 위한 커큐민 감소 그래핀 산화물-실크 전계 효과 트랜지스터를 보여줍니다. 감지층은 X선 회절, FESEM 및 HRTEM을 통해 구조적 및 형태학적 특징을 확인했습니다. 감지층에 존재하는 기능적 부분을 분석하기 위해 라만 분광법, 푸리에 변환 적외선 분광법 및 X선 광전자 분광법을 수행했습니다. 커큐민 환원 그래핀 옥사이드는 감지층에 충분한 수산기를 도입하여 암모니아 증기에 대한 높은 수준의 선택성을 제공합니다. 센서 장치의 성능은 포지티브, 네거티브 및 제로 게이트 전압에서 평가되었습니다. 게이트 정전기학을 통한 채널의 캐리어 변조는 p형 환원 그래핀 옥사이드의 소수 캐리어(전자)가 센서 장치의 감도 향상에 중추적인 역할을 한다는 것을 보여주었습니다. 센서 응답은 0V 및 -3V에서 각각 23.2% 및 39.3%에 비해 0.6V 게이트 전압에서 50ppm 암모니아에 대해 634%로 향상되었습니다. 센서는 전자의 더 높은 이동성과 빠른 전하 이동 메커니즘으로 인해 0.6V에서 더 빠른 응답 및 복구를 나타냈습니다. 센서는 만족스러운 내습 특성과 높은 안정성을 나타냈습니다. 따라서 적절한 게이트 바이어스를 갖춘 커큐민 감소 그래핀 산화물-실크 전계 효과 트랜지스터 장치는 우수한 암모니아 감지를 설명하고 미래의 실온, 저전력, 휴대용 가스 감지 시스템의 잠재적인 후보가 될 수 있습니다.

화학, 식품 및 자동차 산업에서의 활동 증가로 인해 휴대용 및 배터리 작동식1 가스 검지기 개발에 대한 수요가 상당히 높습니다. 이러한 요구로 인해 소형화, 실내 온도 및 저전력 가스 센서 제조에 대한 집중적인 연구가 필요합니다. 이러한 맥락에서 금속 산화물 반도체(ZnO, TiO2, SnO2, WO3 등2,3,4,5)를 기반으로 하는 감지 층이 널리 연구되고 있습니다. 이러한 감지 레이어는 엄청난 감도로 인해 매우 매력적이지만 기능을 수행하려면 높은 작동 온도(일반적으로 200~450°C 범위)가 필요합니다. 금속 산화물의 고전력 예산으로 인해 휴대용 실온 가스 검지 시스템에서의 사용이 제한됩니다. 예를 들어, 상업적으로 이용 가능한 SnO2 기반 Taguchi 센서(Figaro Japan)는 200mW 전력을 사용합니다. 따라서 상온, 저전력 센서 개발에 대한 노력이 필요하다. 이와 관련하여 센서를 성숙한 CMOS 플랫폼과 통합하는 것을 목표로 하는 여러 시도가 있습니다6,7,8,9. 암모니아, 황화수소와 같은 특정 가스는 발화 온도가 낮고 인화성이 높습니다. 따라서 연구자들은 실온에서 작동하는 기능화된 나노물질의 합성에 중점을 두었습니다. 이러한 재료에는 2차원 나노물질(그래핀), 전이금속 디칼코게나이드(MoS2, WS2), 흑린, 금속 유기 프레임워크 등이 포함됩니다.

2차원 나노물질인 그래핀은 엄청난 표면적, 열적, 기계적 안정성, 높은 이동성 및 유연성으로 인해 상당한 주목을 받아 왔습니다10. 그래핀은 다양한 가스 분석물질에 대해 매우 민감한 것으로 밝혀졌습니다. 단일 탄소 원자층과 함께 2차원 벌집 구조는 다양한 분석물질에 대한 더 높은 감도를 촉진합니다. 결함이 없는 순수 그래핀은 다양한 가스에 대한 흡착 에너지가 낮습니다. 그래핀 매트릭스에 결함과 도펀트를 도입하면 흡착 에너지 수준이 향상되고 대상 분석물질과 그래핀 매트릭스 사이의 더 나은 전하 이동이 촉진됩니다. 그래핀의 화학적 박리는 그래핀 산화물로 이어지며, 이는 환원 시 환원된 그래핀 산화물(RGO)을 생성합니다. 환원그래핀옥사이드는 다양한 기능적 부분과 함께 여러 결함 부위로 구성되어 있으며, 이는 대상 가스의 흡착을 위한 여러 활성 부위를 도입합니다. RGO의 가장 큰 장점은 상온에서도 미량가스를 검출할 수 있다는 점이다. 이는 RGO를 차세대 실내 온도, 저전력, 휴대용 가스 센서에 활용하기에 이상적인 후보로 만듭니다.

350 ppm)11,12. In case of prolonged exposure, severe health issues are observed in human beings, including death. According to OSHA (Occupational safety and health administration), 15–28% ammonia concentration by volume in air is considered highly dangerous to health13. The flammable nature of ammonia demands fabrication of sensors that must operate at room temperature. Few chemo-resistive ammonia sensors based on graphene are developed11,14,15,16,17,18,19,20,21, however their performances are not satisfactory. RGO based sensors that are previously reported, suffer from large response and recovery, baseline drift, poor recoverability, and unsatisfactory selectivity. Earlier reports on graphene-based gas sensors lack analysis under humidity environments. In case of resistive sensors, once the sensing layer gets deposited, it cannot be further tuned or modulated. These factors boost the motivation towards development of Field effect transistor (FET) based gas sensors, where the channel can be modulated even after the sensor is fabricated. This strategy might facilitate "sensitivity enhancement" by controlling the number of effective carriers in the channel region22./p> type silicon wafer having resistivity 4–20 Ω-cm. A 200 nm thermal oxide (dry–wet-dry) was grown over silicon to achieve proper insulation. Deposition of 50 nm aluminum layer was carried out by thermal evaporation, which acted as the gate electrode. Dielectric layer of 200 nm silk solution was spin coated over the aluminum film. Source and drain electrodes were fabricated using DC sputtering, 20 nm titanium (Ti) adhesive layer was deposited followed by 100 nm gold (Au) through a shadow mask. Interdigit gap of 200 μm was achieved between the fingers. The width of the electrodes was 500 μm. The sensing material (Cur-rGO) was deposited onto the gaps by simple drop casting technique. The schematic of the fabricated Silk-FET device is depicted in Fig. 9./p>