ساخت حسگری که آلاینده های گازی را با دقت بالا شناسایی می کند

به گزارش خبرگزاری مهر، این پژوهش توانایی های تشخیص چشمگیری را نشان می دهد که شامل دستیابی به حد تشخیص 36 قسمت در میلیارد (ppb) برای دی اکسید نیتروژن (NO2)، 238 ppb برای آمونیاک (NH3) و 640 ppb برای استون (C3H6O) تحت تابش فرابنفش (UV) در ولتاژ -0٫4 ولت است. با این حال، عملکرد این حسگر برای حفظ حساسیت مؤثر به یک منبع تغذیه نوری نیاز دارد.

عملکرد این حسگر به ویژگی 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 ارائه می دهد. علاوه بر این، هنگامی که حسگر در غیاب نور عمل می کند، اثر دروازه ای از خود نشان می دهد که با خمیدگی در منحنی جریان-ولتاژ (I-V) در حدود 0٫7 ولت مشخص می شود. این تغییر بایاس ناشی از تعامل بارهای گازی با سطح گرافن بوده و حساسیت دستگاه را افزایش می دهد.

گرافن برای بیش از یک دهه توجه پژوهشگران را به خود جلب کرده است، که عمدتاً به دلیل 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 حسگری حساس در انواع مختلف سیستم های تشخیص گاز تبدیل کرده است. با این حال، حسگرهای سنتی مبتنی بر گرافن با مشکلاتی از جمله 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 حسگرهای مبتنی بر گرافن بهبود یابد. این روش ها شامل تزئین 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 ارائه می دهد، چرا که حساسیت مشابهی را در ولتاژهای بایاس به مراتب پایین تر نشان می دهد و کارایی تشخیص گاز را در شرایط رطوبتی افزایش می دهد.

برای ساخت دیودهای شاتکی، پژوهشگران کار را با یک ویفر سیلیکون نوع n شروع کردند، سپس یک لایه 90 نانومتری از اکسید حرارتی (SiO2) را روی سطح آن قرار دادند. سپس نواحی مشخصی برای حکاکی انتخاب شدند و پس از آن یک لایه گرافن که از طریق رسوب شیمیایی بخار (CVD) روی فویل مسی به دست آمده بود، روی زیرلایه سیلیکونی منتقل شد. تماس های فلزی (Ni/Au) روی گرافن قرار داده شد تا اندازه گیری های الکتریکی امکان پذیر شود. اندازه ناحیه فعال حسگرها از 25,000 میکرومتر مربع تا 50,000 میکرومتر مربع متغیر بود که امکان کاربرد عملی در آزمایش های حسگری گاز را افزایش می داد.

نتایج نشان می دهد که دیود G-Si پاسخ قابل توجهی به گازهای مورد آزمایش نشان می دهد، به طوری که تغییرات جریان به صورت تغییر نسبی در جریان حسگر نمایش داده شده است. حد تشخیص در شرایط تاریکی برای NO2 در ابتدا 47 ppb در بایاس 0٫7 ولت مشاهده شد، اما با کمک نور فرابنفش به 36 ppb کاهش یافت. علاوه بر این، نتایج نشان داد که در معرض 3 ppm از NO2 در تاریکی، افزایش جریان حدود 69٪ مشاهده شد که در شرایط نور فرابنفش به 181٪ افزایش یافت.

در مورد آمونیاک، پاسخ های پایداری مشاهده شد، اما حد تشخیص در شرایط تاریکی 629 ppb بود که با نور فرابنفش به 238 ppb کاهش یافت، که نشان دهنده کارایی روش های افزایش انرژی ورودی است. آزمایش این حسگر با استون نیز تغییرات کمتری در جریان نشان داد، اما همچنان حد تشخیص 640 ppb تحت تابش UV را به دست آورد که به طور قابل توجهی نسبت به شرایط تاریکی بهبود یافته بود.

علاوه بر این، عملکرد حسگر در محیط های مرطوب به دقت مورد بررسی قرار گرفت که نشان داد وجود رطوبت می تواند حساسیت حسگر را مختل کند. مشخص شد که تعامل مولکول های H2O با جذب گازهای هدف رقابت کرده و بر آستانه های تشخیص تأثیر منفی می گذارد. با این وجود، آنچه در این حسگر برجسته است، مقاومت آن در برابر تأثیرات رطوبت است که آن را به گزینه ای برتر نسبت به سایر سیستم های مبتنی بر گرافن تبدیل می کند.

در حالی که کارایی دیود G-Si از طریق آزمایش های مختلف تأیید شده است، نیاز به بررسی بیشتر در مورد قابلیت کاربرد آن در دنیای واقعی، به ویژه از نظر تکرارپذیری در دسته های تولیدی مختلف، همچنان احساس می شود. این مطالعه بر رویکردی تحول آفرین برای کاربردهای حسگری گاز کم مصرف و مقرون به صرفه تأکید 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.