Ag 도핑 In₂O₃ 나노그레인 기반 초고감도 상온 포름알데히드 센서

초록

포름알데히드(HCHO)는 실내 공기 오염 주요 원인입니다. 따라서 일상생활에서 적시 검출을 위한 HCHO 센서는 매우 중요합니다. 그러나 기존 센서들은 엄격한 성능 목표를 충족하지 못하며, 특히 극저농도 포름알데히드(0.08 ppm 미만)에서 상온 검출 시 비활성화되는 문제가 널리 해결되지 않고 있습니다. 본 연구에서는 저비용 수열 전략으로 Ag 나노입자(Ag NPs)로 감작된 분산형 In₂O₃ 나노그레인을 제시합니다. Ag NPs는 HCHO가 In₂O₃ 나노입자 내외로 수송되는 겉보기 활성화 에너지를 낮추며, 저농도 저온 작동 검출을 실현합니다. 순수 In₂O₃은 HCHO 기체에 느린 응답(R_a/R_g = 4.14, 10 ppm)을 보이며 불완전한 회복을 나타냈습니다. Ag 기능화 후 5%Ag-In₂O₃ 센서는 30°C에서 1 ppm HCHO 기체에 대해 크게 향상된 응답(135)과 짧은 응답 시간(102 s), 회복 시간(157 s)을 보였으며, 이는 Ag NPs가 결정 In₂O₃ 나노그레인을 전자적·화학적으로 감작하여 선택성과 감도를 크게 향상시킨 덕분입니다.

서론

실내외 다양한 유해 휘발성 유기 화합물(VOCs) 기체인 HCHO, 에탄올, 아세톤, 벤젠, 메탄올, 톨루엔 등은 농업·산업 공정에서 일상적으로 배출되거나 자동차 배기가스로 방출됩니다[1]. HCHO 등 VOCs는 임계 임계값(때로는 ppm 수준) 이상 농도에서 인체 건강과 환경에 해롭습니다[2, 3]. 안전상 이유로 HCHO 저장 시스템, 가전제품, 차량, 전체 실내 환경 인프라에서 기준 초과 사항은 즉시 검출되어야 합니다[4-6]. 실내외 공기 질과 작업장 안전에 대한 관심이 증가하면서 가스 센서 시장이 꾸준히 발전해 왔으며, 가스 센서가 더 광범위한 응용을 가질 것으로 기대됩니다[7-9]. 따라서 포름알데히드 센서는 공기 중 광범위한 발암성으로 중요한 역할을 합니다[10, 11].

켐리시스터 기반 금속 산화물 반도체, 주로 In₂O₃[12-14], WO₃[15-17], SnO₂[18, 19], ZnO[20, 21], LaFeO₃[22-24]는 저비용, 좋은 감도, 빠른 응답/회복 시간, 다종 기체 검출 등 독특한 장점으로 VOCs 검출에 탁월한 기술입니다[25]. 그러나 기존 금속 산화물 반도체 기반 가스 센서는 보통 150-400°C 높은 작동 온도를 가져 센서 안정성과 수명 저하, 높은 전력 소모를 초래합니다. 이는 배터리 구동 무선 센서 신세대에서 중요한 매개변수입니다[26, 27]. 그러나 감지 물질을 정교하게 설계하면 이를 역전시킬 수 있습니다. 반도체 금속 산화물 표면을 Ag[28, 29], Pt[30], Pd[31, 32] 등 귀금속이나 다른 금속 산화물[26]로 수정해 작동 온도 낮추는 전형적 방법이 있습니다. 화학적 감작 또는 전자적 감작으로 다양한 금속 촉진제로 반도체 표면을 수정해 효과적인 상온 센서 소재를 달성할 수 있습니다. 탁월한 감지 성능은 귀금속 감작 효과뿐만 아니라 나노구조의 큰 표면적, 적절한 입자 크기, 풍부한 메조포러스 표면의 시너지 효과 덕분입니다[15, 20, 23, 33].

In₂O₃은 약 3.6 eV 넓은 밴드갭을 가진 중요한 n형 반도체로 높은 촉매 활성과 전자적 특성으로 널리 연구되어 왔습니다[34, 35]. 불행히도 순수 In₂O₃ 감지 소재는 단순히 열악한 선택성을 가지며 낮은 온도에서 높은 응답을 얻기 어려워 추가 응용이 제한됩니다. 감지 특성 향상을 위해 In₂O₃을 귀금속[36], 금속 이온[37], 탄소 물질[38]로 수정하거나 다상 반도체 금속 산화물 나노구조 복합체[39]도 자주 보고되었습니다. 현재까지 In₂O₃ 센서의 HCHO 가스 감지 특성 연구는 드뭅니다. Wang 등[29]은 Ag 담지 In₂O₃ 계층 나노구조 센서가 240°C에서 20 ppm HCHO에 대해 빠른 응답(0.9 s), 회복(14 s), 높은 응답(11.3)을 보인다고 보고했습니다. Dong 등[40]은 합성된 3 wt%Ag 기능화 In₂O₃/ZnO 시료가 300°C 작동 온도에서 2000 ppm HCHO에 약 842.9 높은 응답을 보인다고 보고했습니다. 현재 포름알데히드 가스 센서는 높은 작동 온도를 요구하는 것으로 보고되었습니다. Zhang 등[28]은 6%-Ag/Ni_5.0In 기반 센서가 160°C 낮은 작동 온도에서 100 ppm 포름알데히드에 초고감도(123.97)를 보인다고 보고했습니다. Wang 등[33]은 그래핀 산화물로 제자리 수정된 2차원 SnO₂ 나노시트가 평면 메조포어와 함께 감지 소재로 활용되어 60°C에서 100 ppm HCHO에 2000 이상 센서 응답을 보였다고 보고했습니다. 고감도·고선택성으로 저농도 HCHO를 상온에서 검출하는 포름알데히드 가스 센서 문제는 여전히 미해결 상태입니다.

본 연구에서는 In₂O₃ 나노그레인을 Ag 나노입자로 감작하여 상온 작동 고응답 포름알데히드 가스 센서를 보고합니다. 순수 및 Ag 담지 In₂O₃ 나노입자 간 HCHO 기체 검출 비교 연구와 Ag 담지량 영향이 조사되었습니다. 결과적으로 5%Ag-In₂O₃ 센서는 30°C에서 5 ppm HCHO에 1670 우수 응답과 0.05 ppm 초저 검출 농도(응답값 3.85)를 보였습니다. 동시에 5%Ag-In₂O₃ 센서는 우수한 선택성과 안정성도 나타내며, 이 모든 것이 금속 산화물 센서 수준에 도달합니다.

방법

시료 제조

순수 In₂O₃은 6 mmol In(NO₃)₃·4.5H₂O(99.99%, Aladdin)와 24 mmol 요소(99%, Aladdin)를 45 mL 탈염수에 용해시키고, 혼합물을 50 mL 폴리에틸렌 반응 포트에 넣어 140°C에서 16시간 유지 후 실온 냉각하여 합성했습니다. 제조된 침전물을 에탄올로 3회 세척, 70°C에서 20시간 건조, 순수 질소 흐름에서 승온 속도 5°C·min⁻¹로 600°C에서 2시간 소성했습니다. 순수 In₂O₃을 탈염수에 용해시키고 20분간 교반한 후 AgNO₃(99.8%, Sigma-Aldrich)를 투명한 용액에 첨가했습니다. 자기 교반 하에서 신선하게 제조한 NaBH₄(98%, Aladdin) 용액을 위 혼합 용액에 방울방울 떨어뜨렸습니다. 교반 후 원심분리로 Ag 담지 In₂O₃ 침전물을 수집하고 절대 에탄올로 3회 세척, 60°C에서 12시간 공기 건조했습니다. 최종적으로 황색 나노구조 In₂O₃ 시료를 얻었습니다. Ag 담지률이 가스 감지 응답에 미치는 영향을 연구하기 위해 다양한 Ag 담지율(1 wt%, 3 wt%, 5 wt%, 7 wt%) 대조 복합체를 제조하여 각각 1%Ag-In₂O₃, 3%Ag-In₂O₃, 5%Ag-In₂O₃, 7%Ag-In₂O₃로 명명했습니다.

특성 분석

제조된 생성물의 X선 분말 회절(XRD)은 D/max-2300 회절계(Rigaku Corporation; 35 kV)로 10-90° 스캔 범위, 2°·min⁻¹ 속도, Cu Kα1 방사선(λ = 1.540 Å)으로 수행했습니다. X선 광전자 분광법(XPS)은 Al Kα 여기(1486.6 eV) K-Alpha+ 분광계(Thermo Fisher Scientific Co. Ltd)로 수행해 각 원소 화학 결합 상태를 관찰했습니다. 시료 형상은 주사전자현미경(SEM, Thermo Fisher Scientific Co. Ltd.)으로 기록했습니다. 원소 구성은 EDS 검출기 장착 SEM으로 수행했습니다. 투과전자현미경(TEM)과 고분해능 투과전자현미경(HRTEM)으로 입자 크기와 결정성을 JEM-2100 현미경(JEOL Co. Ltd., 200 kV)으로 조사했습니다. 획득 시료의 N₂ 흡착-탈착 분석은 액체 질소 온도에서 Beth 장비(Bestech Instrument Technology Co. Ltd.)로 수집했습니다.

센서 제작 및 감지 테스트

제조된 가스 감지 소재(순수 In₂O₃, 1%, 3%, 5%, 7% Ag 담지 In₂O₃) 각각 2 mg을 2 mg 인쇄 오일과 아게이트 모르타르에서 1분간 분쇄해 균일한 매시로 만들었습니다. 매시 감지 소재를 메쉬로 기판 외표면에 스크린 인쇄하고 60°C에서 10분간 건조 오븐에서 건조했습니다. 기판 표면 가스 감지 소재 층 두께는 약 10 μm입니다. 그림 1은 가스 센서 개략도입니다. 최종적으로 장치를 전기 로에서 400°C로 2시간 소결해 안정성을 보장했습니다. 이후 상대 습도 16±10%에서 HCRK-SD101 가스 감지 분석기(Wuhan HCRK Technology Co. Ltd.)로 감지 특성 평가했습니다. 제조된 센서를 테스트 챔버(2.7 L)에 설치하고 마이크로 주사기로 다양한 농도 시험 기체 주입했습니다. 가스 센서 응답은 공기 중 저항값 R_a와 목표 기체 중 저항값 R_g 비율로 정의됩니다[41]. 응답 및 회복 시간은 흡착 및 탈착 시 최대 감지 값 90% 달성 소요 시간입니다.

결과 및 논의

형태 및 구조 특성 분석

순수 및 Ag 담지 분산 In₂O₃ 결정상을 XRD로 조사했습니다. 순수 및 Ag 담지 분산 In₂O₃ XRD 패턴을 그림 2에 나타냈습니다. 그림 2a에서 In₂O₃ 시료 회절 피크가 JCPDS 카드 NO. 06-0416에 따라 유사하며, 입방정 In₂O₃에 할당됩니다. In₂O₃ 시료 회절 피크는 2θ 30.58, 35.46, 51.03, 60.67에 위치하며 각각 222, 400, 440, 622 면에 기인합니다. Ag 담지 In₂O₃ 시료에서 그림 2b처럼 1%Ag-In₂O₃, 3%Ag-In₂O₃, 5%Ag-In₂O₃, 7%Ag-In₂O₃ XRD 곡선이 순수 In₂O₃과 유사해 표면 기능화 과정 중 In₂O₃ 결정상이 거의 영향을 받지 않음을 나타냅니다. Ag 담지량 증가에 따라 Ag(JCPDS 카드 NO.04-0873)와 일치하는 200과 111 회절 피크가 작은 돌기로 점차 검출되며 지속적으로 큰 각도로 이동합니다. XRD 패턴에서 불순물 상은 검출되지 않아 시료 탁월한 순도를 추가 확인했습니다.

제조된 시료 표면 영역 성분과 화학 상태를 추가 입증하기 위해 XPS를 제시했습니다. 전체 XPS 스펙트럼(그림 3a)은 5%Ag-In₂O₃ 시료가 주로 In, O, Ag, C 원소를 포함함을 보여줍니다. 스펙트럼 원소 C 존재는 C 1s 결합 에너지(284.8 eV)가 XPS 측정 중 내부 기준으로 통상 사용되기 때문입니다. 모든 XPS 스펙트럼은 C1s 피크 284.8 eV로 보정했습니다(그림 3). 고분해능 In 3d XPS 스펙트럼은 452.08 eV(In 3d_3/2)와 444.48 eV(In 3d_5/2) 결합 에너지의 두 강한 피크로 피팅됩니다(그림 3b). 금속 인듐 보고된 In 3d_5/2(443.60 eV) 신호와 비교해 우리 시료에 금속 인듐 피크가 없어 원소 인듐이 산화물 형태만 존재하며 주 상태는 In³⁺임을 보여줍니다. 고분해능 Ag 피크 XPS 스펙트럼에서 금속 은에 할당되는 피크가 374.0 eV(Ag 3d_3/2)와 368.0 eV(Ag 3d_5/2)에 위치합니다(그림 3c). 이는 표면 영역에 담지된 Ag 종이 금속 은임을 나타냅니다.

순수 In₂O₃과 5%Ag-In₂O₃ 시료 형태를 SEM 분석으로 그림 4a-e에 예비적으로 나타냈습니다. 모든 시료는 직경 20-50 nm, 길이 수백 나노미터-1 μm 이상 나노그레인 형태를 보입니다. 순수 In₂O₃ 시료에서 그림 4a-c처럼 각 나노그레인 표면이 매끄럽습니다. 기능화 공정 후 그림 4d-e에서 In₂O₃ 나노그레인 표면이 약간 거칠어지고 Ag NPs가 In₂O₃ 나노그레인 표면에 분포됨을 명확히 볼 수 있습니다. 제시된 SEM 이미지는 Ag 담지가 In₂O₃ 형태에 유의미한 영향을 미치지 않음을 보여줍니다.

Ag 나노입자가 분산 In₂O₃ 나노그레인에 장식된 후 5%Ag-In₂O₃ 시료 형태와 결정상을 TEM 이미지로 그림 5에 제시했습니다. 그림 5a에서 30 nm-약 100 nm 크기 Ag NPs가 분산 In₂O₃ 나노입자 표면에 잘 고정되어 있어 가스 감지 특성 향상에 도움이 됩니다. In₂O₃과 Ag NPs 상세 미세구조 관찰을 위해 5%Ag-In₂O₃ 시료 고분해능 TEM 이미지를 얻었습니다(그림 5b, c). 분산 In₂O₃이 그림 5b, c에서 단결정으로 조립됩니다. 그림 5c 고분해능 TEM 이미지에서 격자 간격 0.293 nm가 입방정 In₂O₃ (222) 결정면에 해당하며, 0.236 nm 결정 간격은 Ag (111) 간격과 잘 일치합니다. 또한 계면에서 In₂O₃ 나노구조와 Ag 나노입자 간 강한 전자적 상호작용 존재를 보여줍니다.

에너지 분산형 X선 분광법 패턴(그림 5d)은 In, O, 소량 Ag 존재를 웅변으로 입증하며 불순물 원소 없습니다. In, O, Ag 원자 백분율은 각각 33.99%, 62.43%, 3.59%입니다. In과 O 원자 비율 약 1:2로 선택 영역에서 5%Ag-In₂O₃ 시료가 주 상 성분임을 나타냅니다. Ag 분포 추가 결정을 위해 5%Ag-In₂O₃ 시료 EDS 수행했습니다. 그림 5e-h에서 O, In, Ag 원소 매핑으로 Ag 담지 In₂O₃ 시료가 균일하게 분포됨을 관찰했습니다. 결과는 분산 In₂O₃ 나노입자 표면에 명백한 Ag NPs 담지가 있으며, Ag 장식으로 분산 In₂O₃ 나노구조가 응집되지 않음을 보여줍니다.

순수 In₂O₃과 5%Ag-In₂O₃ 시료 기공율과 비표면적 획득을 위해 N₂ 흡착-탈착 실험법 사용했습니다. 현재 IUPAC 분류 기준에서 그림 6a, b는 상대 압력(0.1 < P/P₀ < 1.0)에서 전형적 III형 등온선과 H3형 히스테리시스 루프를 보이며, 입상 물질로 구성되고 명백한 포화 흡착 플랫폼 없어 기공 구조가 매우 불규칙함을 나타냅니다. 5%Ag-In₂O₃ 기공 부피와 비표면적은 BET 법으로 각각 0.0650 cm³·g⁻¹, 14.4 m²·g⁻¹로 순수 In₂O₃(6.5 m²·g⁻¹, 0.0204 cm³·g⁻¹)보다 크며, 특정 Ag NPs 담지 시 비표면적 점진적 증가를 보여줍니다. 기공 크기 분포는 Barrett-Joyner-Halenda(BJH) 법으로 측정했습니다. 순수 In₂O₃ 기공 크기 2-54 nm 범위 분포. 5%Ag-In₂O₃ 시료 기공 크기 모두 2-65 nm 사이 분포.

가스 감지 성능

센서 장치 작동 온도 증가시켜 1 ppm HCHO 노출 시 가스 응답 조사하여 작동 온도와 가스 응답 관계 관찰 및 최적 작동 온도 결정했습니다. 순수 In₂O₃, 1%Ag-In₂O₃, 3%Ag-In₂O₃, 5%Ag-In₂O₃, 7%Ag-In₂O₃를 30-300°C 작동 온도 범위에서 5 ppm 기체 포름알데히드 조건으로 연속 테스트했습니다. 각 가스 센서 감지 응답을 고정 온도에서 측정했으며, 실온 기록값을 그림 7에 나타냈습니다.

5%Ag-In₂O₃ 센서가 30°C에서 포름알데히드 기체 최대 응답을 보이며 응답값 1670입니다. 낮은 작동 온도에서 증가 경향(5%Ag-In₂O₃: 30, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240, 270, 300°C에서 1670, 844, 366, 191, 113, 87, 56, 46.3, 39, 44.2; 7%Ag-In₂O₃: 동일 온도에서 400, 143, 49, 33.1, 29.3, 37.8, 20.3, 23.3, 8.66, 12.8)을 보입니다. Ag-In₂O₃ 센서 가스 응답이 모든 작동 온도 범위에서 순수 In₂O₃보다 높으며, 센서 최적 작동 온도와 최적 HCHO 응답 결정 가능합니다. 그중 5%Ag-In₂O₃ 센서가 실온에서 5 ppm HCHO에 최고 응답(1670)을 보여 센서 우수한 감지 특성 입증하며 다른 센서보다 높습니다. 높은 가스 응답이 실온 작동 온도에서 나타나는 이유는 Ag NPs 촉매(스필오버 효과)와 전자적(쇼트키 장벽 생성) 감작 때문입니다. Ag NPs 담지 후 작동 온도 낮아지고 포름알데히드 감도 응답 현저히 향상됩니다. 그러나 Ag NPs 담지 더 증가하면 응답값 감소합니다. 이는 In₂O₃ 표면 활성 부위 수 감소 때문으로, 과도한 Ag NPs 피복과 기체 투과성 영향으로 Ag NPs 촉매 작용 약화, 흡착 산소 이온 감소 초래합니다[28]. 기존 In₂O₃ 해바라기, In₂O₃/ZnO 나노복합체, In₂O₃ 나노로드 기반 가스 센서와 비교해 우리 가스 센서가 실온에서 현저한 가스 응답 보입니다[28, 29, 40].

합성 가스 센서 HCHO 선택성 추가 확인 위해 순수 In₂O₃, 1%Ag-In₂O₃, 3%Ag-In₂O₃, 5%Ag-In₂O₃, 7%Ag-In₂O₃ 센서 선택성 감지 성능을 실온에서 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 메탄, 포름알데히드, 아세톤, 에탄올, 암모니아 등 여러 휘발성 유기 화합물 10 ppm으로 테스트했습니다. 5%Ag-In₂O₃과 7%Ag-In₂O₃은 이 기체들에 1 ppm 농도에서 실온 테스트했습니다. 그림 8에서 Ag-In₂O₃ 센서가 포름알데히드에 우수한 선택성 보여주며, 동일 온도에서 다른 대표 간섭 기체들에 열악한 응답, 특히 5%Ag-In₂O₃ 센서가 그렇습니다. 이는 제조된 센서가 포름알데히드에 매우 우수한 선택성 가짐을 나타냅니다.

또한 5%Ag-In₂O₃ 센서 안정성을 그림 9에 나타냈습니다. 5%Ag-In₂O₃ 센서를 실온에서 1 ppm HCHO로 6 사이클 조사했습니다(그림 9a). 실온에서 HCHO에 우수한 재현성 입증합니다. 그림 9c에서 36일 응답 테스트 결과 5%Ag-In₂O₃ 센서가 높은 가스 감지 성능뿐만 아니라 우수한 장기 안정성도 가짐을 보여줍니다. 한편 5%Ag-In₂O₃ 센서 가스 감지 특성을 다양한 습도 조건에서 조사했습니다(그림 9b). 명백히 상대 습도 10-30% 범위에서 감지 성능 유의미한 영향 없습니다. 그러나 상대 습도 30-80% 증가 시 가스 감지 특성 점진적으로 감소합니다.

5%Ag-In₂O₃ 센서 실온 다양한 농도 HCHO 실시간 동적 가스 응답을 그림 10에 제시했습니다. 1, 0.8, 0.6, 0.4, 0.2, 0.1, 0.08, 0.05 ppm 포름알데히드 응답은 각각 R_a/R_g = 135, 108, 75, 65, 34, 23, 11, 3.85로 계산되었습니다. 감도 진폭이 기체 농도와 단조롭게 증가하며 기체 농도 0.05 ppm 도달 전까지 포화와 거리가 멀어 포름알데히드 정량 측정에 유리합니다. 주목할 점은 0.05 ppm 낮은 포름알데히드 농도 노출 시 응답 여전히 3.85로 높으며, 센서 초저 검출 농도 나타냅니다.

가스 센서 메커니즘

In₂O₃ 반도체는 화학 저항 감지 소재로, 전기적 특성이 주로 In₂O₃ 표면 HCHO 반응에 따라 변화합니다. HCHO 감지 개략도는 그림 11에 나타냈습니다. 센서가 공기 노출 시 공기 중 풍부한 산소 분자가 In₂O₃ 표면 흡착되어 물질 전도대 전자 포착해 더 활성 화학 흡착 산소로 변환, 공간 전하 영역(고갈층) 생성해 초기 저항 크게 증가시킵니다. 전자 고갈층은 공기 중 센서 초기 저항에 큰 영향 미칩니다. 화학 흡착 산소 종 주요 형태는 O₂⁻와 O⁻로 식 (1)-(3)으로 기술됩니다.

O_2(gas) → O_2(ads) (1)

O_2(ads) + e⁻ → O₂⁻_(ads) (2)

O₂⁻_(ads) + e⁻ → 2O⁻_(ads) (3)

센서가 HCHO 환경 배치 시 화학 흡착 산소가 HCHO와 반응해 전자 전도대 방출, 공간 전하 영역 두께 감소, 센서 저항 감소시킵니다. 발생 반응 식 (4)-(5)로 설명됩니다.

HCHO + O₂⁻_ads → CO₂ + H₂O + e⁻ (4)

HCHO + 2O⁻_(ads) → CO₂ + H₂O + 2e⁻ (5)

명백히 5%Ag-In₂O₃ 기반 센서 성능이 순수 In₂O₃보다 훨씬 높습니다. 이 우수 응답은 Ag NPs 전자적 감작과 화학 효과 기인합니다. Ag NPs는 분자 산소 해리 촉매 활성화 높은 가용성 가지며, 생성된 활성 산소 종이 금속 산화물 표면으로 스필오버되어 산소 흡착-탈착 반응과 상호작용합니다[42]. 화학 흡착 산소는 테스트 기체 반응 조절로 센서 가스 감지 중요 역할 합니다[43]. 순수 In₂O₃과 5%Ag-In₂O₃ 센서를 XPS 조사해 시료 화학 흡착 산소 비율 확인했습니다. 순수 In₂O₃과 5%Ag-In₂O₃ O₁ 스펙트럼(그림 12a, b, 표 1)에서 5%Ag-In₂O₃ 흡착 산소 함량(O⁻ 2.46%, O₂⁻ 19.54%)이 순수 In₂O₃(O⁻ 1.83%, O₂⁻ 16.05%)보다 높으며, 주로 금속 산화물 반도체 상 Ag NPs 스필오버 효과 때문입니다[44]. Ag NPs 높은 전도도와 촉매 특성[28, 42, 45, 46]으로 금속 산화물 표면 Ag NPs가 화학 흡착 산소 종 화학적 활성 증진시키고 기판 위로 산소 종 스필오버시켜 저온 가스 감지 가속화합니다.

또한 In₂O₃과 Ag 밴드갭과 일함수 차이로 계면에 쇼트키 접합 형성 가능[47, 48]. 5%Ag-In₂O₃ 물질이 대기 노출 시 순수 In₂O₃과 비교해 Ag와 In₂O₃ 계면 쇼트키 접합 존재로 5%Ag-In₂O₃ 복합체 고갈 영역 더 확대됩니다. In₂O₃ 표면 흡착된 O⁻, O²⁻ 등 대전 종도 감지 물질 자유 전자 포착해 전자 고갈 기여[15](그림 12a, b). 5%Ag-In₂O₃ 기본 저항 206000 kΩ 조사되어 순수 In₂O₃ 저항(7.8 kΩ)보다 훨씬 높음(그림 12c, d), Ag NPs가 기준 저항 현저히 향상시킴 추가 입증. 5%Ag-In₂O₃ 물질이 감지 과정 HCHO 노출 시 Ag와 In₂O₃ 계면 쇼트키 접합 더 많은 오버플로 전자 생성해 In₂O₃ 매트릭스 기여, 고갈층 효율적 조절 결과. 또한 표면 흡착 산소 물질 증가로 HCHO와 화학 흡착 산소 간 레독스 반응 향상. 이 증가된 표면 반응 생성 여분 전자로 5%Ag-In₂O₃ 기반 센서 HCHO 중 저항 더 크게 감소(그림 12c, d). 따라서 5%Ag-In₂O₃ 센서가 HCHO에 우수한 감지 성능 가짐.

결론

요약하면, Ag 나노입자 감작 분산 In₂O₃ 반도체로 초고성능 HCHO 켐리시스터 실현했습니다. 5%Ag-In₂O₃ 센서는 1 ppm HCHO 기체에 초고응답(135), 짧은 응답 시간(102 s), 회복 시간(157 s), 상온 초저 검출 농도(0.05 ppm) 시연했습니다. 다른 HCHO 센서와 비교해 상온에서 좋은 재현성과 강한 감도 가지며 우수한 실용 응용 전망 가집니다.

데이터 및 재료 가용성

본 논문 결론 지지 데이터셋은 논문 내 포함되어 있으며, 데이터와 재료 추가 정보는 해당 저자 동기 부여 요청 시 관심 당사자에게 제공 가능합니다.

약어

Ag NPs:

Ag 나노입자 (Ag nanoparticles)

EDS:

에너지 분산형 X선 분광법 (Energy dispersive X-ray spectroscopy)

HCHO:

포름알데히드 (Formaldehyde)

HRTEM:

고분해능 투과전자현미경 (High-resolution transmission electron microscopy)

ppm:

백만분율 (Parts-per-million)

Ra:

공기 중 저항 (Resistance in air)

Rg:

목표 기체 중 저항 (Resistance in target gas)

SEM:

주사전자현미경 (Scanning electron microscopy)

TEM:

투과전자현미경 (Transmission electron microscopy)

VOCs:

휘발성 유기 화합물 (Volatile organic compounds)

XPS:

X선 광전자 분광법 (X-ray photoelectron spectroscopy)

XRD:

X선 분말 회절 (X-ray powder diffraction)