실내 포름알데히드의 고감도 및 선택적 검출을 위한 환원 그래핀 산화물 코팅 Si 나노와이어

초록

가스 센서를 이용한 실내 공기 중 저농도 포름알데히드 모니터링이 크게 발전했지만 여전히 ppb 수준의 감지를 달성하기에는 성능이 부족합니다. 이 연구에서는 금속 보조 화학 에칭 방법(MACE)을 통해 비표면적이 높은 <100> 배향 Si 나노와이어(SiNW)를 제조한 다음 산화 그래핀(GO)으로 균일하게 코팅한 후 H에서 환원 공정을 수행했습니다. ₂ /Ar 분위기에서 800°C에서 환원그래핀옥사이드(RGO)를 얻습니다. RGO 코팅(RGO@n-SiNWs)은 증가된 비표면적, RGO의 감작 효과 및 SiNW와 RGO 사이의 p-n 접합 형성의 이점을 통해 저농도 포름알데히드에 대한 SiNW 감도를 분명히 향상시킵니다. 특히, RGO@n-SiNW는 300°C에서 6.4~10ppm의 포름알데히드의 높은 응답을 나타내며, 이는 원래의 SiNW(~ 2.5)보다 약 2.6배 더 높습니다. 또한, RGO@n-SiNW는 실내 공기 중 최대 허용 농도인 2.4~0.1ppm 포름알데히드의 높은 응답, 비선형 피팅으로 얻은 35ppb의 낮은 검출 한계, 30시간의 빠른 응답/복구 시간을 보여줍니다. 10초 한편, 센서는 에탄올, 아세톤, 암모니아, 메탄올, 자일렌, 톨루엔과 같은 다른 일반적인 간섭 가스보다 높은 선택성을 보이며 6일의 측정 기간 동안 높은 안정성을 보여줍니다. 이러한 결과는 저농도의 포름알데히드를 고감도, 선택적, 안정적으로 검출할 수 있어 실내 환경의 안전을 보장합니다.

소개

최근 신축된 주택 환경에서 유독성 휘발성 유기화합물(VOCs) 중 하나로 포름알데히드(HCHO)는 인간의 건강을 심각하게 위협하고 있습니다[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 ,12] 새집증후군(SBS)[13, 14]의 주요 원인 중 하나로 간주되고 있으며 국제암연구소(IAIC)[2]에서 발암물질로 지정되어 있습니다. 따라서 실내 공기 오염으로 인한 위험을 피하기 위해 몇 가지 표준이 설정되었습니다. 문헌에서 NIOSH(National Institute for Occupational Safety and Health)에서 설정한 포름알데히드 농도의 상한선은 거실에서 0.1ppm, 산업 생산 작업장에서 1ppm입니다[2]. 한편, 세계보건기구(WHO)도 포름알데히드 증기에 장기간 노출될 경우 30분 이상 평균 0.08ppm이라는 안전 기준을 설정했습니다[15]. 따라서 저농도 HCHO의 성공적인 검출은 생활환경의 안전 확보에 한 걸음 더 나아간 것입니다.

액체 크로마토그래피(LC)[16, 17], 분광법[9] 등을 포함하여 저농도 HCHO를 검출하기 위한 많은 방법이 개발되었지만 이러한 기술은 부피가 커서 휴대 및 실시간 모니터링에 한계가 있습니다. 복잡한 분석 과정[18]. 현재 반도체 나노구조(예:In₂ O₃ [19, 20], Cr₂ O₃ [20], SnO₂ [21,22,23]) 높은 감도, 빠른 응답 및 우수한 화학적 안정성으로 인해 저농도 HCHO의 검출에 광범위하게 사용됩니다 [2, 10, 19, 24,25,26,27,28, 29,30,31,32]. 반도체 나노구조를 기반으로 하는 이러한 센서는 휴대용 사용을 위한 손쉬운 소형화, 저렴한 비용 및 현장 감지와 같은 LC 및 분광학에 비해 상당한 이점을 제공합니다. 그러나 HCHO에 대한 반응은 ppm 수준에서는 좋지만 ppb 수준에서는 더욱 개선되어야 합니다. 예를 들어, Chen et al. 보고된 Ga-doped In₂ O₃ 높은 응답을 보인 나노섬유 센서(R로 정의됨) _아 /R _g , 여기서 R _아 및 R _g 공기 중 및 HCHO에서 센서의 저항임) 52.4~100ppm HCHO인 반면 <1.5~0.1ppm은 R의 실제 사용 제한 응답 요구 사항을 충족하기 위해 향상되어야 합니다. _아 /R _g =2 [19]. 따라서 안전한 검출 한계에 도달하기 위한 감도를 높일 수 있는 효율적인 경로를 찾는 것이 시급하다. 실리콘 나노와이어(Si NWs)는 화학 센서에 사용되는 반도체 재료 중 하나로 선정됐다. 예를 들어, 화학적으로 변형된 Si NW 전계 효과 트랜지스터를 기반으로 하는 바이오센서가 보고되었으며 단백질에 대한 우수한 감도와 선택성이 입증되었습니다[33]. 그러나 이 센서 제작은 필드 효과에 의해 감도를 향상시켜야 하므로 높은 비용과 복잡한 공정이 필요합니다.

최근에, 나노구조 반도체 가스 센서와 함께 그래핀을 통합하는 것은 높은 비표면적과 가스에 대한 탁월한 감도로 인해 감도를 향상시키는 유망한 접근 방식이 되고 있습니다[34]. 기존의 귀금속(예:Pt, Pd, Au 나노입자)의 sensitization 효과와 비교하여[35,36,37], 이 전략은 저비용 및 고효율의 장점을 가질 뿐만 아니라 표면적을 확대하고 전자 수송. 예를 들어, 환원그래핀옥사이드(RGO)-SnO₂ [18], RGO-Cu₂ O[38], 그래핀-SnO₂ [39] 가스 감도의 탁월한 향상을 보여주었습니다. 그러나 많은 보고에서 RGO나 그래핀의 표면에 반도체 나노구조를 넣어 단순한 접촉을 형성하는데 이 중 효율적인 접촉 면적이 너무 제한되어 감도를 최대화할 수 있다. 따라서 RGO와 반도체 기반의 core-shell 구조를 구현하기 위한 효율적이고 실현 가능한 전략을 찾는 것이 중요합니다.

이 연구에서 저농도 HCHO의 고감도 및 선택적 검출은 RGO 코팅된 실리콘 나노와이어(SiNW)의 코어-쉘 구조에 의해 달성되었으며, 비표면적이 SiNW의 두 배 증가했습니다. 구체적으로, 환원된 산화 그래핀 코팅 n형 실리콘 나노와이어(RGO@n-SiNWs)의 응답은 300℃의 최고 작동 온도에서 원시 SiNW(~ 2.5)보다 10ppm HCHO(~ 6.4) 쪽으로 약 2.6배 증가합니다. °C, 이는 RGO의 우수한 감작 효과에 기인합니다. 조립된 센서는 35ppb만큼 낮은 우수한 애플리케이션 감지 한계에 도달할 수 있으며 응답/복구 시간은 30/10초만큼 빠릅니다. 향상된 감도 외에도 일반적인 간섭 가스(예:에탄올, 아세톤, 암모니아, 메탄올, 자일렌, 톨루엔)에 대한 선택도가 높고 6일 기간 동안 안정성이 좋습니다. 모든 결과는 실내 환경에서 저농도 HCHO 검출을 위해 환원그래핀옥사이드 코팅된 실리콘 나노와이어(RGO@SiNWs)를 사용하는 방향으로 상당한 진전을 이루었습니다.

자료 및 방법

SiNW 어레이 제작

n(100) 및 p(100) 실리콘 웨이퍼(0.005–0.02Ωcm 및 0.001–0.005Ωcm)를 시작 웨이퍼(3.0cm × 3.0cm)로 사용했습니다. 에칭 공정 전에 Si 웨이퍼를 아세톤에서 10분, 에탄올에서 10분, 탈이온수(DI water)에서 차례로 10분 동안 세척했습니다. 세척된 시작 웨이퍼를 H₂가 포함된 산화제 용액에 담그었습니다. SO₄ (97%, Sigma-Aldrich) 및 H₂ O₂ (35%, H₂에서 GR 30wt.% O, Aldrich) 표면의 유기 오염 물질을 제거하기 위해 30분 동안 3:1의 부피비로 세척 단계 후, 샘플을 실온에서 8분 동안 5% HF 용액에 침지하여 표면에 형성된 얇은 산화물 층을 용해시켜 새로운 Si 표면을 H-종결시켰다. 다음으로, 세척된 Si 웨이퍼를 즉시 0.005M AgNO₃가 포함된 Ag 코팅 용액으로 옮겼습니다. (99.99%, Aladdin) 및 4.8M HF(Aladdin, GR 40%)를 실온에서 1분 동안 천천히 교반했습니다(~25 ^o 씨). Ag 나노입자(AgNPs)의 균일한 층이 표면에 증착된 후, AgNPs 코팅된 웨이퍼를 탈이온수로 세척하여 여분의 Ag⁺ 를 제거했습니다. 이온. 그런 다음 웨이퍼를 에칭 용액(H₂ O₂ =0 .4 M 및 HF =4 .8 M) 어두운 곳에서 실온에서 30분 동안 마지막으로 샘플을 HNO₃ 수용액에 담그었습니다. (70%, Sigma-Aldrich)로 Ag 촉매를 녹인 다음 탈이온수로 여러 번 헹구어 잔류층을 제거합니다. 제작된 SiNW는 날카로운 칼날로 천천히 긁혔습니다.

RGO로 기능화된 SiNW

산화 그래핀(GO) 분산액은 수정된 Hummer의 방법[40]으로 합성한 다음 60mL DI water에 3시간 동안 초음파 분산하여 GO 용액(30mg)을 준비했습니다. 일반적인 합성에서 얻은 SiNW(0.2g)를 먼저 탈이온수(10mL)와 에탄올(30mL)의 혼합물에 분산시킨 다음 에틸렌디아민(400μL)을 적가했습니다. 20분 동안 초음파 처리 후, 상기 용액에 20mL GO 용액을 첨가하고 격렬하게 교반하였다. 그 후, 생성물을 원심분리에 의해 수집하고 에탄올로 여러 번 세척한 다음, 60°C에서 건조하여 GO@SiNW를 얻었다. 마지막으로 GO@SiNWs가 H₂에서 감소했습니다. 800°C에서 /Ar 분위기(2°C min⁻¹ ) RGO@SiNW를 획득합니다.

SiNW 및 RGO@SiNW의 특성

주사전자현미경(SEM, JSM-7001F+INCA X-MAX)과 투과전자현미경(TEM, JEM-2100F)으로 SiNW와 RGO@SiNW의 형태를 관찰하였다. 또한 X선 회절(XRD, X'Pert PRO MPD)로 결정 구조를 연구했습니다. 또한 표면적 및 기공 크기 분포를 분석하기 위해 특정 면적에 질소 흡탈착 등온선을 수행하고 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 방법으로 기공 크기 분석기(SSA-7300, BUILDER) 및 각각 Barett-Joyner-Halenda(BJH) 모델입니다. RGO의 존재를 확인하기 위해 라만 분광계(Thermo Scientific DXR2)를 이용하여 라만 스펙트럼을 수행하였다. 또한, 원소 분석은 X선 광전자 분광법(XPS, ESCALAB 250, Al Kα 방사선)으로 수행했습니다.

기기 제작 및 측정

준비된 RGO@SiNWs(~ 5mg)를 에탄올(~ 100μL)과 혼합하고 초음파로 균일하게 분산시켰다. 분산된 용액을 Pt 와이어(히터 및 측정기)가 있는 세라믹 플레이트에 코팅하고 공기 중에서 5V의 전압으로 3일 동안 숙성시켰다. 마지막으로 준비된 소자를 가스센서 분석기(Winsen WS-30A, China)로 측정하였다. 포름알데히드는 챔버의 가열 홀더에서 포름알데히드 용액(40wt%)의 증발에 의해 생성되었습니다. 에탄올, 아세톤, 암모니아, 메탄올, 크실렌 및 톨루엔은 각각 순수한 액체 에탄올, 아세톤, 암모니아, 메탄올, 크실렌 및 톨루엔에 의해 생성되었습니다. 응답은 R로 정의됩니다. _아 /R _g , 여기서 R _아 및 R _g 순수한 공기와 포름알데히드 가스에서 센서의 저항입니다. 응답/복구 시간은 전체 응답의 90%로 변경하는 데 필요한 시간으로 정의됩니다.

결과 및 토론

형태와 미세 구조를 연구하기 위해 SEM과 TEM을 그림 1과 같이 수행했습니다. 그림 1a는 준비된 SiNW의 대규모 평면도 SEM 이미지를 보여주며, SiNW 사이의 정전기적 인력[41, 42]. 그림 1b의 확대 SEM에서 관찰된 바와 같이 표면에 2~15μm 크기의 큰 기공이 가득 차 있다. 그림 1c, d의 n- 및 p-SiNW의 단면 SEM 이미지에서 볼 수 있듯이 에칭된 NW는 모두 매끄러운 기판에 수직이며 시작 웨이퍼와 동일한 <100> 방향을 나타냅니다. 또한 ~ 24μm의 유사한 길이, 100~300nm의 직경, 약 10¹⁰ 의 밀도 cm⁻² [41]은 <100> 배향된 n- 및 p-SiNW 사이에 차이가 없음을 나타내는 명확하게 입증되었습니다. 긁힌 n- 및 p- SiNW는 추가 파일 1:그림 S1a 및 b에서 관찰되며, 이는 스크립팅 후 형태 변화가 없음을 반영합니다. 직경과 방향을 추가로 확인하기 위해 단일 n- 및 p-SiNW의 TEM 이미지는 각각 210nm(그림 1e) 및 200nm(추가 파일 1:그림 S2a)의 직경을 표시합니다. 그림 1f 및 추가 파일 1:그림 S2b는 FFT(Fast Fourier Transfer)와 함께 고해상도 TEM(HRTEM) 이미지로, 0.27nm의 (200) 간격으로 단결정 구조와 <100> 결정 방향을 측정합니다. 금속 보조 화학 에칭(MACE) 방법을 사용한 SiNW 제조의 기본 메커니즘은 Ag 촉매의 도움으로 일련의 간단한 산화환원 반응이며, 이는 Eq. 1 및 식. 2.

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아 평면도, b 확대된 평면도 및 c n-SiNW의 단면 SEM 이미지. d p-SiNW의 단면 SEM 이미지. 이 n-SiNW의 TEM 이미지. 에 해당 FFT와 함께 n-SiNW의 HRTEM 이미지. 지 HF 처리된 RGO@n-SiNW의 SEM 이미지. 아 HF 처리를 한 RGO@n-SiNW의 확대된 SEM 이미지

금속(즉, Ag 입자)에서의 반응:

$$ {\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2\kern0.5em +\kern0.5em 2{\mathrm{H}}^{+}\kern0.5em \to \kern0.5em 2 {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\kern0.5em +\kern0.5em 2{\mathrm{h}}^{+}\kern0.5em \mathrm{and}\kern0.5em 2{\ mathrm{H}}^{+}\kern0.5em +\kern0.5em 2{\mathrm{e}}^{\hbox{-}}\kern0.5em \to \kern0.5em 2{\mathrm{H }}_2 $$ (1)

Si 기판에서의 반응:

$$ \mathrm{Si}\kern0.5em +\kern0.5em 4{\mathrm{h}}^{+}\kern0.5em +\kern0.5em 4\mathrm{HF}\kern0.5em \to \ kern0.5em {\mathrm{SiF}}_4\kern0.5em +\kern0.5em 4{\mathrm{H}}^{+}\kern0.5em \mathrm{and}\kern0.5em {\mathrm{SiF }}_4\kern0.5em +\kern0.5em 2\mathrm{HF}\kern0.5em \to \kern0.5em {\mathrm{H}}_2{\mathrm{SiF}}_6 $$ (2)

이 과정에서 Ag 나노입자는 Si에 비해 전기음성도가 높기 때문에 Si에서 전자를 직접 포착하여 Ag 나노입자 주위에 정공이 풍부한 영역을 생성합니다. 그런 다음 H₂ O₂ Ag 나노입자에 의해 환원되고 Si가 산화되어 SiO₂ , 이는 HF 용액에 의해 빠르게 용해됩니다[43].

다음으로 에칭된 SiNW는 RGO에 의해 기능화되었습니다. 그림 1g는 RGO@n-SiNW의 SEM 이미지이고, 그림 1h는 RGO@n-SiNW의 확대된 SEM 이미지로, RGO가 NW의 표면에 조밀하고 균일하게 싸여 있음을 입증했습니다. RGO와 SiNW 사이에 pn 접합이 형성되며, 이는 다음 섹션에서 논의되는 센서 감도 향상에 중요합니다.

구성 요소와 결정성을 밝히기 위해 그림 2a와 같이 X선 회절(XRD) 패턴을 수행합니다. n- 및 p-SiNW의 경우 주요 피크는 (111), (200), (400), (331)에 해당하는 28.4°, 47.3°, 56.1°, 69.1°, 76.4° 및 88.0°에 있습니다. 및 (422) 입방형 실리콘 구조의 평면(JCPDS No. 27-1402), 각각. 불순물 피크는 관찰되지 않았으며, 이는 샘플의 순도를 나타냅니다. RGO@n-SiNW의 XRD 패턴도 동일한 피크를 나타냅니다. 분명히, RGO@n-SiNW의 피크 강도가 뚜렷하게 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 외부 비정질 RGO의 존재에 기인합니다. GO가 완전히 RGO로 환원되었음을 확인하기 위해 10°에서 25°로 확대된 XRD 스펙트럼이 그림 2b에 표시되어 있으며, 이는 약 22°에 위치한 RGO@n-SiNW의 피크를 보여줍니다. GO를 RGO로 감소[44].

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아 n-/p-SiNW 및 RGO@n-SiNW의 XRD 패턴. ㄴ 10도에서 25도까지 확대된 XRD 패턴

HCHO에 대한 RGO@SiNW의 감도와 최적의 장치 작동 온도를 조사하기 위해 SiNW 및 RGO@ SiNW를 기반으로 하는 수많은 장치가 다양한 온도에서 테스트되었습니다. 그림 3a, b에 표시된 것처럼 깨끗한 n-SiNW의 응답은 p-SiNW의 응답보다 높습니다. n-SiNW 및 RGO@n-SiNW를 기반으로 하는 모든 장치는 300°C에서 2.5 및 6.4~10ppm의 가장 높은 응답을 보여줍니다. n-SiNW 및 RGO@n-SiNW를 기반으로 한 다양한 가스 농도에 대한 동적 응답을 단기간에 평가하기 위해 그림 3c와 같이 300°C에서 0.1~10ppm에서 HCHO에 대한 동적 테스트를 수행했습니다. RGO를 래핑함으로써 n-SiNW의 응답이 현저히 증가했음을 분명히 관찰할 수 있다. 한편, RGO@n-SiNWs 기반 장치는 0.1ppm의 낮은 농도에서도 2.4의 탁월한 응답을 보여 HCHO의 기준을 절대적으로 충족합니다. 그림 3d의 비선형 피팅에 표시된 대로 적용 제한(R _아 /R _g =2)는 35ppb로 측정되어 검출 가능한 농도가 매우 낮음을 나타냅니다.

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아 300°C에서 10ppm HCHO에 대한 n-/p-SiNW, RGO/n- 및 RGO@p-SiNW의 반응. ㄴ 다양한 온도에서 10ppm HCHO에 대한 n-SiNW 및 RGO@n-SiNW의 반응. ㄷ 0.1~10ppm HCHO에서 n-SiNW 및 RGO@n-SiNW의 동적 응답. d 다양한 HCHO 농도에서 RGO@n-SiNW 응답의 비선형 피팅

응답 속도와 선택성은 항상 준비된 장치의 실제 적용을 위한 중요한 매개변수입니다. 그림 4a에 표시된 것처럼 n-SiNW와 RGO@n-SiNW는 모두 매우 짧은 응답 시간(각각 11초 및 13초)을 보여 상대적으로 빠른 응답을 나타냅니다. 준비된 RGO@n-SiNWs 센서의 선택성을 평가하기 위해 또 다른 6가지 일반적인 VOC(즉, 에탄올, 아세톤, 암모니아, 메탄올, 자일렌 및 톨루엔)를 사용하여 센서 선택도와 측정 결과를 조사했습니다. HCHO 탐지에 대한 제한된 간섭을 나타내는 그림 4b에 나와 있습니다. HCHO에 대한 높은 선택성은 이전 보고서[45,46,47]에서 조사된 바와 같이 아세톤, 에탄올, 메탄올, 톨루엔 및 자일렌보다 HCHO의 더 높은 환원성에 기인합니다. 따라서 HCHO는 RGO@n-SiNW에 의해 더 쉽게 산화되어 저항이 크게 감소합니다. 게다가 Si 센서의 경우 암모니아는 Si에 의해 쉽게 산화되지 않기 때문에 반응이 거의 없음을 알 수 있습니다[48]. 선택성 외에도 안정성은 HCHO 검출 분야에서 중요한 문제입니다. 그림 5에서 조사한 바와 같이 300°C에서 작동하는 RGO@n-SiNWs 센서의 응답은 초기 6.4에서 6일 후 6.1로 약간(<5%) 변화하여 우수한 공기 안정성을 나타냅니다.

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아 0.1ppm HCHO에 대한 n-SiNW 및 RGO@n-SiNW의 응답 및 복구 시간. ㄴ 300°C에서 7가지 유형의 일반 VOC(10ppm)에 대한 n-SiNW 및 RGO@n-SiNW의 응답

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0.1ppm 및 10ppm에 대한 n-SiNW 및 RGO@n-SiNW의 안정성 테스트

표면 부피 비율(비표면적)은 가스 감도에 영향을 미치는 데 매우 중요합니다. 그림 6a의 질소 흡탈착 등온선에서 연구한 바와 같이 표면적이 37.3m² 에서 증가했습니다. g⁻¹ n-SiNW의 74.5m² g⁻¹ RGO의 넓은 표면적에서 유래한 RGO@n-SiNWs. 확대된 비표면적은 표적 가스와 시료 사이의 유효 접촉 면적을 증가시켜 가스 감도를 더욱 향상시킵니다. 라만 스펙트럼(그림 6b)에서 볼 수 있듯이 Si의 상관 피크는 500 및 912cm^-1 에서 표시됩니다. RGO@n-SiNW에서 관찰되어 Si-Si 결합의 존재를 보여줍니다[49]. 또한 1390 및 1590cm⁻¹ 에서 최고점 무질서하고 정렬된 sp2로 인해 탄소 상의 D- 및 G-밴드 피크에 할당됩니다. 환원된 그래핀 옥사이드의 존재를 추론할 수 있는 각각 결합된 탄소[49]. 일반적으로 나 _D /나 _G (D와 G 밴드의 강도비)는 탄소질 물질의 흑연화 정도를 평가하는 가장 중요한 매개변수로 간주된다[49]. 나 _D /나 _G 그림 6b에서 RGO@n-SiNW의 경우 0.72로 계산되어 RGO@n-SiNW의 탄소 함량이 높음을 나타냅니다.

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아 n-SiNW 및 RGO@n-SiNW의 일반적인 질소 흡착 등온선. ㄴ n-SiNW 및 RGO@n-SiNW의 라만 이동 및 삽입된 그림과 같이 확대된 Si-Si 피크

게다가, RGO-SiNW 복합재와 깨끗한 SiNW의 화학적 조성은 X선 광전자 분광법(XPS)에 의해 평가되었습니다. 그림 7a의 Si 2p 피크 부근의 고해상도 XPS에서 관찰된 바와 같이, n-SiNW의 Si 2p 피크 강도는 표면에 RGO를 코팅한 후 뚜렷하게 감소하는 반면, RGO@SiNW의 해당 C1s 피크 강도는 다음과 같습니다. 또한 그림 7b에서 관찰된 바와 같이 순수 SiNW와 비교하여 현저하게 확대되었습니다. 이러한 모든 분석은 RGO가 SiNW 표면에 성공적으로 코팅되었음을 추가로 증명합니다. 의미심장하게도, SiNW에서 RGO로의 전자 이동으로 인해 높은 에너지 준위로의 명백한 왼쪽 이동이 그림 7a에 나타납니다. 피크 위치, 피크 면적, 표면 원자 비율을 포함하는 XPS 데이터는 추가 파일 1:표 S1에 나와 있습니다. XPS 스펙트럼 분석은 RGO와 SiNW 사이의 p-n 접합 형성을 확인할 수 있으며, 이는 HCHO 분해 과정을 통해 생성된 전자의 수송을 향상시키고 HCHO 감도를 더욱 촉진합니다.

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아 n-SiNW 및 RGO@n-SiNW에 대한 Si2p 피크의 XPS 스펙트럼. ㄴ n-SiNW 및 RGO@n-SiNW에 대한 C1s 피크의 XPS 스펙트럼

RGO@n-SiNW의 가스 감지 특성을 이해하기 위해 HCHO에 대한 감지 메커니즘을 개략적으로 설명합니다. 제작된 센서가 순수한 공기에 노출되었을 때 저항(R _아 )은 물질로부터 전자를 포획하는 산소의 화학흡착으로 인해 커질 것이고 식 (1)과 같이 표면 공핍 영역을 형성할 것이다. (삼). 센서가 HCHO에 노출되는 동안 HCHO 가스는 O^- 와 반응합니다. 그리고 O²⁻ , 전자를 RGO@n-SiNW로 방출하여 저항(R _g ). 반응 과정은 Eq. (4) 및 그림 8a.

$$ {\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{e}}^{-}\to 2{\mathrm{O}}^{-} $$ (3) $$ \mathrm{HCHO}\ \left(\mathrm{ads}\right)+2{\mathrm{O}}^{-}\ \left(\mathrm{ads}\right)\to {\mathrm{CO}}_2+{\mathrm{ H}}_2\mathrm{O}+2{\mathrm{e}}^{-} $$ (4)

아 HCHO 분자 검출 메커니즘의 개략도. ㄴ RGO/n-SiNW 인터페이스의 밴드 구조 다이어그램

마지막으로, n-SiNW와 RGO의 조합에 의해 유도되는 감도 향상 메커니즘이 논의되었습니다. RGO와 n-SiNW의 조합은 좁은 밴드 갭(0.2 eV~2 eV)을 갖는 RGO의 p형 특성화의 결과로 p-n 접합을 형성할 수 있습니다[34]. SiNW와 RGO 사이에 형성된 이러한 pn 접합은 많은 이전 보고서에서 보고되었습니다[50]. 이 p-n 접합이 감도를 향상시키는 방법을 이해하기 위해 밴드 구조의 개략도가 그림 8b에 설명되어 있습니다. 그림 8b의 밴드 구조 다이어그램에서 볼 수 있듯이 전자는 SiNW에서 전송되어 RGO에 저장되어 공핍층과 내장 전기장을 형성합니다. 전자 고갈 및 내장 전압은 Eq.의 화학 반응을 향상시킬 것입니다. (4) 전자 이동을 촉진하여 가스 감지 성능을 향상시킵니다.

결론

요약하면, 비표면적이 높은 SiNW는 금속 보조 화학 에칭 방법(MACE)을 통해 준비된 다음 환원 그래핀 산화물(RGO)로 감싸 pn 접합을 형성합니다. RGO를 래핑한 후 비표면적은 N₂에 의해 1배 증가합니다. 흡수 탈착 등온선. 더 중요한 것은 형성된 p-n 접합으로 인해 RGO@n-SiNW는 300°C에서 저농도 HCHO에 대해 뛰어난 감도와 높은 선택성을 나타냅니다. RGO@n-SiNW의 반응은 300°C에서 10ppm HCHO(~ 6.4)를 향해 원시 n-SiNW(~ 2.5)의 응답보다 약 2배 증가합니다. 애플리케이션 감지 제한은 35ppb(R _아 /R _g =2) 실내 공기의 안전 기준을 절대적으로 충족하는 비선형 피팅에 의해 얻어진다. 이러한 결과는 저농도 HCHO를 정밀하게 검출하여 실내 환경을 모니터링할 수 있는 유망한 가능성을 제공합니다.

약어

이동:: 산화 그래핀
HCHO:: 포름알데히드
HRTEM:: 고해상도 투과 전자 현미경
IAIC:: 국제 암 연구 기관
MACE:: 금속 보조 화학 에칭
NIOSH:: 국립 산업 안전 보건 연구소
RGO:: 환원그래핀옥사이드
RGO@n-SiNW:: 환원그래핀옥사이드 코팅 n형 실리콘 나노와이어
RGO@SiNW:: 환원그래핀옥사이드 코팅된 실리콘 나노와이어
SBS:: 새건물 증후군
SEM:: 주사전자현미경
SiNW:: 실리콘 나노와이어
TEM:: 투과전자현미경
VOC:: 휘발성 유기 화합물
누구:: 세계보건기구
XPS:: X선 광전자 분광법
XRD:: X선 회절

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나노물질