ساخت سنسوری که آلاینده های گازی را با دقت بالا شناسایی می کند
به گزارش شاه بلاگ، اخیرا یک سنسور گازی با انتخاب گری بالا مبتنی بر اتصال شاتکی گرافن-سیلیکون طراحی شده که می تواند با تغییر شرایط نوری محیط، بین نواحی مختلف حساسیت گازی جابه جا شود.
به گزارش شاه بلاگ به نقل از مهر، این پژوهش توانایی های تشخیص قابل ملاحظه ای را نشان داده است که شامل دستیابی به حد تشخیص ۳۶ قسمت در میلیارد (ppb) برای دی اکسید نیتروژن (NO۲)، ۲۳۸ ppb برای آمونیاک (NH۳) و ۶۴۰ ppb برای استون (C۳H۶O) تحت تابش فرابنفش (UV) در ولتاژ -۰٫۴ ولت است. با این وجود، عملکرد این سنسور برای حفظ حساسیت مؤثر به یک منبع تغذیه نوری نیاز دارد.
عملکرد این سنسور به خصوصیت های منحصربه فرد اتصال شاتکی که هنگام ترکیب گرافن با سیلیکون نوع n ایجاد می شود، وابسته است. این پژوهش نشان داده که ارتفاع مانع شاتکی نسبت به جذب گاز بسیار حساس است و پاسخ اندازه گیری شده ای را عرضه می دهد. علاوه بر این، هنگامی که سنسور در غیاب نور عمل می کند، اثر دروازه ای از خود نشان داده است که با خمیدگی در منحنی جریان-ولتاژ (I-V) در حدود ۰٫۷ ولت مشخص می شود. این تغییر بایاس ناشی از تعامل بارهای گازی با سطح گرافن بوده و حساسیت دستگاه را زیاد می کند.
گرافن برای بیشتر از یک دهه توجه محققان را به خود جلب کرده است، که به طور عمده به علت خواص ساختاری، نوری، الکتریکی، حرارتی و مکانیکی بی نظیر آن است. واکنش پذیری بالای سطح دوبعدی و تحرک بالای حامل های آن، این ماده را به گزینه ای ایده آل برای کاربردهای سنسوری حساس در انواع مختلف سیستم های تشخیص گاز تبدیل نموده است. با این وجود، سنسورهای سنتی مبتنی بر گرافن با مشکلاتی همچون انتخاب پذیری پایین و کاهش عملکرد در اثر قرار گرفتن در معرض سطوح متغیر رطوبت نسبی در هوا مواجه بوده اند.
برای غلبه بر این محدودیت ها، راهبردی های مختلفی به کار گرفته شده است تا حساسیت، انتخاب پذیری و دوام سنسورهای مبتنی بر گرافن بهبود یابد. این شیوه ها شامل تزیین سطح گرافن با مواد کاتالیستی، ایجاد ساختارهای هیبریدی و استفاده از روش های تابش فرابنفش است. دستگاه اتصال شاتکی که در این مقاله بررسی شده، مزیتی قابل توجه نسبت به ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) سنتی عرضه می دهد، چون که حساسیت مشابهی را در ولتاژهای بایاس به مراتب پایین تر نشان داده است و کارآمدی تشخیص گاز را در شرایط رطوبتی بالا می برد.
برای ساخت دیودهای شاتکی، محققان کار را با یک ویفر سیلیکون نوع n شروع کردند، سپس یک لایه ۹۰ نانومتری از اکسید حرارتی (SiO۲) را روی سطح آن قرار دادند. سپس نواحی مشخصی برای حکاکی انتخاب شدند و بعد از آن یک لایه گرافن که از راه رسوب شیمیایی بخار (CVD) روی فویل مسی به دست آمده بود، روی زیرلایه سیلیکونی منتقل شد. تماسهای فلزی (Ni/Au) روی گرافن قرار داده شد تا اندازه گیری های الکتریکی امکانپذیر شود. اندازه ناحیه فعال حسگرها از ۲۵، ۰۰۰ میکرومتر مربع تا ۵۰، ۰۰۰ میکرومتر مربع متغیر بود که امکان کاربرد عملی در آزمایش های سنسوری گاز را افزایش می داد.
نتایج نشان داده است که دیود G-Si پاسخ قابل توجهی به گازهای مورد آزمایش نشان می دهد، به صورتی که تغییرات جریان به شکل تغییر نسبی در جریان سنسور نمایش داده شده است. حد تشخیص در شرایط تاریکی برای NO۲ در ابتدا ۴۷ ppb در بایاس ۰٫۷ ولت مشاهده شد، اما با کمک نور فرابنفش به ۳۶ ppb کاهش پیدا کرد. علاوه بر این، نتایج نشان داد که در معرض ۳ ppm از NO۲ در تاریکی، افزایش جریان حدود ۶۹٪ مشاهده شد که در شرایط نور فرابنفش به ۱۸۱٪ افزایش پیدا کرد.
در مورد آمونیاک، پاسخ های پایداری مشاهده شد، اما حد تشخیص در شرایط تاریکی ۶۲۹ ppb بود که با نور فرابنفش به ۲۳۸ ppb کاهش پیدا کرد، که نشان دهنده کارآمدی روش های افزایش انرژی ورودی است. آزمایش این سنسور با استون هم تغییرات کمتری در جریان نشان داد، اما همچنان حد تشخیص ۶۴۰ ppb تحت تابش UV را به دست آورد که به صورت قابل توجهی نسبت به شرایط تاریکی بهبود یافته بود.
علاوه بر این، عملکرد سنسور در محیط های مرطوب به دقت مورد بررسی قرار گرفت که نشان داد وجود رطوبت می تواند حساسیت سنسور را مختل کند. مشخص شد که تعامل مولکول های H۲O با جذب گازهای هدف رقابت کرده و بر آستانه های تشخیص تاثیر منفی می گذارد. با این حال، آن چه در این سنسور برجسته است، مقاومت آن در مقابل تأثیرات رطوبت است که آنرا به گزینه ای برتر نسبت به سایر سیستم های مبتنی بر گرافن تبدیل میکند.
در حالی که کارآمدی دیود G-Si از راه آزمایش های مختلف تأیید شده است، احتیاج به بررسی بیشتر در مورد قابلیت کاربرد آن در دنیای واقعی، بخصوص از نظر تکرارپذیری در دسته های تولیدی مختلف، همچنان احساس می شود. این مطالعه بر نگاهی تحول آفرین برای کاربردهای سنسوری گاز کم مصرف و مقرون به صرفه تاکید دارد و در عین حال اطمینان می دهد که دستگاه حتی در شرایط رطوبتی متغیر حساس باقی می ماند. چنین نوآوری هایی در فناوری حسگرها، پتانسیل گسترده ای برای حل چالش های مهم محیط زیستی و نظارت بر سلامت عمومی دارند.
منبع: shahblog.ir
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب