Sensor de gas de hidrógeno de nanocables de óxido de cobre asistido por luz ultravioleta

Antecedentes

En los desarrollos recientes, varios tipos de gases como el hidrógeno, el amoniaco, el butano y el monóxido de carbono se han utilizado ampliamente en las industrias [1,2,3,4,5,6]. , y los sensores de gas a base de óxido de zinc se han estudiado ampliamente debido a sus ventajas, por ejemplo, bajo costo de fabricación y alta sensibilidad a gases peligrosos [7, 8]. El nanoalambre de óxido de cobre (CuO NW) es un material emergente que es adecuado para el sensor de gas debido a su alta relación superficie / volumen para mejorar el rendimiento del sensor [9, 10]. Se ha informado de que los CuO NW son adecuados para la detección de varios gases como etanol, butano, monóxido de carbono, amoníaco y óxido de nitrógeno [9,10,11]. Generalmente, los sensores de gas a base de óxido metálico requieren una alta temperatura de funcionamiento para lograr un excelente rendimiento de detección. Sin embargo, una alta temperatura de funcionamiento podría provocar un alto consumo de energía. Además, la operación prolongada a altas temperaturas tiene problemas de deriva causados ​​por el proceso de sinterización y difusión [12, 13]. Por lo tanto, se ha explorado la exploración de un nuevo método sin la mejora de los sensores de gas a base de óxido metálico para minimizar este problema.

La funcionalización de la superficie mediante la decoración de las superficies del material con nanopartículas para mejorar la sensibilidad y selectividad del sensor de gas hacia el gas peligroso utilizando una ruta química se ha informado en otro lugar [14, 15]. Sin embargo, este método es muy complicado ya que la preparación involucró muchos productos químicos y consumió mucho tiempo de reacción para ajustar el tamaño deseado de las nanopartículas para las aplicaciones previstas [16]. Para evitar esta complicación, algunos investigadores están intentando mejorar el rendimiento del sensor de gas utilizando luz ultravioleta para crear los pares de electrones y huecos fotogenerados como una ruta alternativa porque no requiere una preparación química complicada y, por lo tanto, una eficiencia de tiempo [17,18,19 , 20]. Además, el uso de luz ultravioleta podría ser la solución alternativa para evitar calentar el sensor y reducir el consumo de energía y evitar la degradación del sensor debido a las altas temperaturas, ya que el sensor de gas convencional requiere una temperatura alta para funcionar y lograr estabilidad.

Comini et al. [20]. Se ha informado que la luz ultravioleta mejoró el rendimiento de detección del CO y NO ₂ Sensor de gas a temperatura ambiente que aumenta la reacción de interacción en el semiconductor. Además de eso, Comini et al. También informó que la luz ultravioleta puede reducir el efecto de envenenamiento de la detección de gas que cambia las propiedades eléctricas de manera bastante irreversible al mejorar el proceso de desorción [20]. Además, se ha informado que la exposición a la radiación ultravioleta mejora la sensibilidad, la estabilidad y el tiempo de respuesta del sensor de gas etanol por Gong et al. [21]. Además, el sensor de gas también podría funcionar a una temperatura relativamente más baja que podría atribuirse a los electrones conductores en los nanocables de ZnO generados por la irradiación UV que promueven la reducción de etanol y, por lo tanto, conducen a una mayor sensibilidad y menos tiempo de respuesta. Por lo tanto, la irradiación de luz ultravioleta es uno de los métodos adecuados para mejorar el rendimiento del sensor de gas.

Hasta donde sabemos, el efecto de la luz ultravioleta sobre el gas hidrógeno (H ₂ ) aún no se ha informado sobre las propiedades de detección de CuO NW. Por lo tanto, nuestro estudio se centró en el efecto de la luz ultravioleta activada sobre las propiedades de detección de gas hidrógeno de CuO NW a temperatura ambiente y 100 ° C. Los CuO NW se cultivan mediante el método de oxidación térmica porque esta técnica exhibe una mayor cristalinidad y relaciones de aspecto más largas en comparación con los otros métodos informados, como las rutas basadas en solución.

Resultados y discusiones

La morfología de CuO NW crecidos se muestra en la Fig. 1a. La imagen muestra que la mayoría de los NW están bastante alineados y son perpendiculares a la superficie del sustrato. Mientras tanto, la Fig. 1b muestra la imagen TEM de CuO NW altamente cristalinos obtenidos. Las imágenes insertadas muestran que el diámetro del CuO NW es de 120 nm. El patrón XRD en la Fig.1c coincide con la tarjeta de la base de datos:JCP2:00-045-0937 para CuO y JCP2:00-005-0667 para Cu ₂ O. Muestra que los CuO NW sintetizados tienen estructura monoclínica. La Figura 1d muestra la característica I-V de CuO NW en electrodos de Pt con comportamiento óhmico ya que Pt tiene una función de trabajo más alta (6,35 eV) en comparación con CuO (5,2 eV). Esto concuerda con el hecho de que el comportamiento óhmico se obtiene cuando el semiconductor de tipo p entra en contacto con un material de mayor función de trabajo [22]. La Tabla 1 muestra la respuesta del sensor y la estabilidad del sensor de gas hidrógeno con y sin presencia de UV a dos temperaturas diferentes (temperatura ambiente y 100 ° C). La respuesta del sensor se define como S =\ (\ Frac {I_g- {I} _a} {I_a} \ times 100 \% \), donde I _g es el flujo de corriente después de que la muestra se expone al gas y I _a es la corriente inicial antes de exponerse al gas [23, 24].

un Imagen FESEM de los CuO NW cultivados. b Imagen TEM de CuO. c Perfil de difracción de rayos X de nanocables de CuO. d IV características de CuO y Pt

Las figuras 2 y 3 muestran la respuesta del gas en la oscuridad y bajo iluminación ultravioleta a 100 ° C respectivamente. Los resultados muestran que las respuestas de los sensores de gas son estables. Durante la temperatura de funcionamiento a 100 ° C, la concentración de electrones para la reacción de detección aumenta debido a la energía térmica suficiente a una temperatura más alta para superar la barrera potencial [25]. La introducción de la luz UV de 365 nm ha mejorado significativamente la estabilidad de detección del sensor CuO NW en la etapa inicial del ciclo de detección. La muestra activada por UV pudo lograr estabilidad en el primer ciclo, en comparación con la muestra sin irradiación UV que necesitó aproximadamente 10 ciclos para lograr la estabilidad en la etapa inicial. Además, la respuesta del sensor del sensor de gas aumenta con la irradiación de luz ultravioleta (~ 4,6%) en comparación con sin irradiación de luz ultravioleta (~ 4,3%) como se muestra en la Tabla 1. Por lo tanto, los resultados muestran que el LED de baja potencia podría aumentar la respuesta del sensor. con la misma temperatura sin un aumento en la temperatura de calentamiento, lo que puede provocar una mayor pérdida de energía.

Comportamiento de detección de gas hidrógeno en la oscuridad a 100 ^° C. a Punto máximo y mínimo para 100 ciclos. b Respuesta de los sensores de CuO NW hacia el gas hidrógeno

Comportamiento de detección de gas de hidrógeno para el sensor activado por UV que funciona a 100 ^° C. a Punto máximo y mínimo para 100 ciclos. b Respuesta de los sensores de CuO NW hacia el gas hidrógeno

Las Figuras 4 y 5 presentan la respuesta del gas en la oscuridad y bajo iluminación UV a temperatura ambiente. La figura 5 muestra que la estabilidad del sensor de gas es bastante buena a temperatura ambiente con la ayuda de luz ultravioleta después de algún tiempo. El sensor comienza a estabilizarse aproximadamente a los 9000 s. La figura 5b muestra un gráfico ampliado de 9000 a 9500 s. El aumento en la respuesta del sensor se observa de 0,0041 a 0,0527% sin y con ayuda de luz ultravioleta. En comparación con la Fig. 4 sin la irradiación UV a temperatura ambiente, no hay signos de estabilización hasta el final de la prueba (12.000 s). El sensor con exposición a la luz ultravioleta necesita aproximadamente 2,5 h para "calentarse" y luego puede funcionar en condiciones estables después de eso. Comparado con el sensor sin la ayuda de UV, la conductividad sigue reduciéndose y la respuesta es inestable. Esto podría deberse al efecto memoria y al envenenamiento del sensor que normalmente ocurre a temperatura ambiente [26, 27]. El resultado muestra que el sensor tiene el potencial de funcionar a temperatura ambiente con la ayuda de rayos ultravioleta sin el uso de un elemento calefactor que consume mucha energía.

Comportamiento de detección de gas hidrógeno en la oscuridad a temperatura ambiente. un Punto máximo y mínimo para 100 ciclos. b Respuesta de los sensores de CuO NW hacia el gas hidrógeno

Comportamiento de detección de gas hidrógeno para sensor activado por UV a temperatura ambiente. un Punto máximo y mínimo para 100 ciclos. b Respuesta de los sensores de CuO NW hacia el gas hidrógeno

El mecanismo de detección del sensor de gas hidrógeno sin irradiación de luz ultravioleta se explica a continuación. El gas hidrógeno está interactuando con CuO NW a través de los iones de oxígeno preadsorbidos en las superficies de CuO NW cuando el CuO NW se expone al hidrógeno como se describe en las Ecs. (1) y (2). Los electrones libres se liberan a CuO NW debido a las reacciones entre H ₂ moléculas e iones de oxígeno pre-adsorbidos y se recombinan con los agujeros en CuO NWs [Eq. (3)]. Este proceso tiene como resultado la disminución de la concentración de agujeros en los nanocables y el aumento de la resistencia [28].

$$ {\ mathrm {H}} _ 2 \ left (\ mathrm {ads} \ right) + {\ mathrm {O}} ^ {-} \ \ left (\ mathrm {ads} \ right) \ leftrightarrow {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} + {\ mathrm {e}} ^ {-} $$ (1) $$ {\ mathrm {H}} _ 2 \ left (\ mathrm {ads} \ right) + { \ mathrm {O}} ^ {2 -} \ left (\ mathrm {ads} \ right) \ leftrightarrow {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} + {2 \ mathrm {e}} ^ {-} $$ (2) $$ {\ mathrm {e}} ^ {-} + \ mathrm {h} \ bullet \ leftrightarrow \ mathrm {Nulo} $$ (3)

Tras la irradiación de luz ultravioleta, se crean los pares de electrones y huecos fotogenerados. Cuando el sensor de gas se expone a la luz ultravioleta, los orificios fotogenerados contribuyen al proceso de conducción; mientras tanto, los electrones fotogenerados migran a la superficie [29]. Por lo tanto, hay más electrones disponibles para la quimisorción de O ₂ . Además, la luz ultravioleta afecta los procesos de quimisorción y desorción al alterar el estado energético del H ₂ gas en la superficie CuO NW [30, 31]. Todo el proceso acelera la interacción entre la superficie de CuO NW y H ₂ gas y aumenta la reacción.

Conclusión

Como conclusión, los CuO NW se han cultivado con éxito mediante el uso de un método de oxidación térmica que es un método barato, simple y sin catalizador. El sensor de gas de hidrógeno con la ayuda de luz ultravioleta se ha fabricado con éxito. El papel dominante de la luz ultravioleta es mejorar las propiedades de detección de gas a temperatura ambiente y 100 ° C. La estabilidad del sensor de gas es muy buena a 100 ° C donde se encuentra a una temperatura de funcionamiento elevada. Con la irradiación de luz ultravioleta, el sensor podría lograr estabilidad en el primer ciclo en comparación con el sensor sin luz ultravioleta que requirió aproximadamente 10 ciclos para lograr la estabilidad en la etapa inicial. La respuesta del sensor también aumenta con la ayuda de la luz ultravioleta. Por lo tanto, no estamos obligados a utilizar una temperatura de funcionamiento más alta que consume mucha energía. Además de eso, hemos encontrado que el sensor con irradiación de luz ultravioleta tiene un gran potencial para operar a baja temperatura (temperatura ambiente) lo que puede reducir la pérdida de consumo de energía. La estabilidad y la respuesta del sensor aumentan con la ayuda de la luz ultravioleta.

Método / Experimental

El chip de electrodos Cr / Pt se fabrica mediante un proceso de fotolitografía. La capa de óxido térmico (150 nm) se hizo crecer sobre un sustrato de silicio como una capa aislante bajo un flujo de oxígeno de 1500 sccm a 1000ºC durante 3 h. Luego, el sustrato se revistió por centrifugación con 1 μm de espesor de fotorresistencia positiva (Futurrex PR1-1000A) a 3000 rpm durante 40 s. El proceso de horneado suave se llevó a cabo antes de la exposición a los rayos UV a 120 ° C durante 120 s. A continuación, la fotomáscara de cromo con patrón de electrodos interdigitados se transfirió a la muestra con exposición de luz ultravioleta (356 nm) bajo la intensidad de 2,41 mW / cm ² con un tiempo de exposición de 50 s. Se depositaron electrodos de contacto de Cr / Pt (10 nm / 150 nm) en la muestra utilizando el sistema de pulverización catódica con magnetrón NanoFilm y el recubridor de pulverización catódica Baltec SCD 005 a 2,0 × 10 ^{- 5} Torr respectivamente. Se realizó el proceso de despegue para lograr el patrón de electrodos esperado.

En este experimento, se cultivaron CuO NW en una lámina de cobre mediante un proceso de oxidación térmica. Este proceso de crecimiento toma 6 h con un flujo de gas de 1500 sccm a 600 ° C en un ambiente de oxígeno. Los CuO NW cultivados se caracterizaron por microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FESEM) Carl Zeiss Supra 55 VP, microscopio electrónico de transmisión (TEM) JOEL JEM-2010 y difracción de rayos X (XRD) Bruker D8 Advance. Luego, el sensor de gas se fabrica utilizando los CuO NW cultivados térmicamente. La capa de CuO NW y Cu ₂ O se transfirió una película delgada sobre los electrodos de platino con la capa de Cu ₂ O hacia arriba y CuO NW hacia los electrodos IDT como se muestra en el recuadro en la Fig. 6. La capa activa fue formada por Cu ₂ O y CuO NWs; sin embargo, la respuesta de detección se debe principalmente a CuO NW en lugar de Cu ₂ O película delgada debido a la mayor relación superficie / volumen de los nanocables. Aquí, la capa de Cu ₂ O se formó indirectamente durante el proceso de oxidación y recocido a alta temperatura. Después de eso, el proceso de recocido se llevó a cabo a 400 ° C durante 20 min en N ₂ ambiente para mejorar el contacto entre los CuO NW y los electrodos interdigitados. El diseño general de la estructura del dispositivo se ilustra en la Fig. 6.

Estructura del dispositivo 3D del sensor de gas

A continuación, el sensor se colocó en la cámara durante el proceso de detección seguido por el controlador de flujo másico que controlaba el flujo de 100 ppm de hidrógeno (H ₂ ) gas y aire purificado comprado a Air Products en la cámara durante 100 ciclos a temperatura ambiente y 100 ° C con y sin exposición de 3 mW / cm ² intensidad UV. La fuente de UV se generó mediante el LED de longitud de onda de 365 nm, 3,8 V y 2 mW comprado a VioLed International Inc. con el número de serie 370-5C90. La respuesta actual fue monitoreada por dos mediciones de sonda colocadas en el dispositivo sensor con el sistema de adquisición de datos. A continuación, se midieron las características de corriente-voltaje (I-V) barriendo el voltaje aplicado de - 3 a 3 V en un ambiente oscuro a temperatura ambiente utilizando una fuente de energía Keithley 2400. La misma medición de respuesta de detección se realizó a 100 ° C en la parte superior de la etapa de calentamiento (ATV Technologie Gmbh, TR-120 D). Se realizará un ciclo de detección completo en la secuencia de aire-H ₂ -aire a un caudal constante de 50 sccm.

Modulación de la morfología y propiedad óptica de nanoestructuras de aleación de PdAuAg y PdAg multimetálicas Propiedades ópticas de películas de ZnO dopado con Al en la región infrarroja y sus aplicaciones de absorción