Sensor de Nanohilos de Óxido de Cobre Mejorado por UV para Detección Rápida de Hidrógeno a Temperatura Ambiente

Antecedentes

En desarrollos recientes, varios tipos gases como hidrógeno, amoníaco, butano, monóxido carbono han sido extensivamente usados industrias [1,2,3,4,5,6]. Varios óxidos metálicos como óxido cobre, óxido estaño, óxido zinc-basados sensores gas estudiados extensivamente debido ventajas, por ejemplo, bajo costo fabricación y alta sensibilidad gases peligrosos [7, 8]. Nanohilo óxido cobre (CuO NW) es material emergente adecuado sensor gas debido su alta relación superficie-volumen mejorar rendimiento sensor [9, 10]. Se ha reportado CuO NWs adecuados detección varios gases como etanol, butano, monóxido carbono, amoníaco, óxido nitrógeno [9,10,11]. Generalmente, sensores gas basados óxido metal requieren alta temperatura operación lograr excelente rendimiento sensado. Sin embargo, alta temperatura operación podría llevar alto consumo potencia. También, operación prolongada altas temperaturas tiene problemas deriva causados sinterización y difusión [12, 13]. Por tanto, explorar nuevo método sin mejora sensores gas basados óxido metal se ha explorado minimizar este problema.

Funcionalización superficie decorando superficies material con nanopartículas mejorar sensibilidad selectividad sensor gas hacia gas peligroso vía ruta química reportado elsewhere [14, 15]. Sin embargo, este método muy complicado ya preparación involucra muchos químicos y consume mucho tiempo reacción ajustar tamaño deseado nanopartículas aplicaciones objetivas [16]. Para evitar esta complicación, algunos investigadores intentan mejorar rendimiento sensor gas usando luz UV crear pares electrón-hueco fotogenerados ruta alterna porque no requiere preparación química complicada y por tanto eficiencia tiempo [17,18,19,20]. Además, uso luz UV podría ser solución alterna evitar calentar sensor y resulta reduciendo consumo potencia y evitando degradación sensor debido altas temperaturas como sensor gas convencional requiere alta temperatura operar y lograr estabilidad.

Reporte uso sensores óxido indio y dióxido estaño mejorados UV estudiados por Comini et al. [20]. Reportado luz UV mejoró rendimiento sensado CO y NO₂ sensor gas temperatura ambiente aumenta reacción interacción semiconductor. Además, Comini et al. también reportaron luz UV puede reducir efecto envenenamiento sensado gas que cambia propiedades eléctricas bastante irreversible mejorando proceso desorción [20]. Adicionalmente, exposición irradiación UV reportado mejorar sensibilidad, estabilidad, tiempo respuesta sensor gas etanol por Gong et al. [21]. Además, sensor gas también podría operar temperatura relativamente menor que podría atribuirse electrones conductores nanohilos ZnO generados irradiación UV que promueven reducción etanol y por tanto mayor sensibilidad menor tiempo respuesta. Por tanto, irradiación luz UV es uno métodos adecuados mejorar rendimiento sensor gas.

Nuestro conocimiento, efecto luz UV hacia propiedades sensado gas hidrógeno (H₂) CuO NWs no reportado aún. Por tanto, nuestro estudio enfocó efecto luz UV activada hacia propiedades sensado gas hidrógeno CuO NWs temperatura ambiente y 100 °C. CuO NWs crecen usando método oxidación térmica porque esta técnica exhibe mayor cristalinidad y mayores ratios aspecto comparado otros métodos reportados como rutas base solución.

Resultados y Discusiones

Morfología CuO NWs crecidos mostrada Fig. 1a. Imagen muestra mayoría NWs bastante alineados y perpendiculares superficie sustrato. Mientras, Fig. 1b muestra imagen MET CuO NWs altamente cristalinos obtenidos. Imágenes insertadas muestran diámetro CuO NW 120 nm. Patrón DRX Fig. 1c coincide tarjeta base datos: JCP2:00-045-0937 CuO y JCP2:00-005-0667 Cu₂O. Muestra CuO NWs sintetizados tienen estructura monoclínica. Figura 1d muestra característica I-V CuO NWs electrodos Pt comportamiento Óhmico ya Pt tiene mayor función trabajo (6,35 eV) comparado CuO (5,2 eV). Esto concuerda hecho comportamiento Óhmico obtenido cuando semiconductor tipo-p contacta material mayor función trabajo [22]. Tabla 1 muestra respuesta sensor y estabilidad sensor gas hidrógeno con y sin presencia UV a dos temperaturas diferentes (temperatura ambiente y 100 °C). Respuesta sensor definida como S = \( \frac{I_g-{I}_a}{I_a}\times 100\% \), donde I _g corriente flujo tras muestra expuesta gas y I _a corriente inicial antes expuesta gas [23, 24].

a Imagen MEB-CE nanohilos CuO crecidos. b Imagen MET CuO. c Perfil difracción rayos X nanohilos CuO. d Características IV CuO y Pt

Figuras 2 y 3 muestran respuesta gas oscuridad e iluminación UV a 100 °C respectivamente. Resultados muestran respuestas sensores gas son estables. Durante temperatura operación 100 °C, concentración electrón para reacción sensado aumenta debido energía térmica suficiente mayor temperatura superar barrera potencial [25]. Introducir luz UV 365-nm ha mejorado significativamente estabilidad sensado sensor CuO NW etapa inicial ciclo sensado. Muestra activada UV pudo lograr estabilidad primer ciclo, comparado muestra sin irradiación UV necesitó ~10 ciclos lograr estabilidad etapa inicial. Además, respuesta sensor gas sensor aumenta con irradiación luz UV (~ 4,6%) comparado sin irradiación UV (~ 4,3%) como muestra Tabla 1. Por tanto, resultados muestran LED baja potencia podría aumentar respuesta sensor misma temperatura sin aumento temperatura calentamiento que puede llevar más pérdida potencia.

Comportamiento sensado gas hidrógeno oscuridad a 100 ^°C. a Punto máximo y mínimo 100 ciclos. b Respuesta sensores CuO NWs hacia gas hidrógeno

Comportamiento sensado gas hidrógeno sensor activado UV trabajando a 100 ^°C. a Punto máximo y mínimo 100 ciclos. b Respuesta sensores CuO NWs hacia gas hidrógeno

Figuras 4 y 5 presentan respuesta gas oscuridad e iluminación UV a temperatura ambiente. Figura 5 muestra estabilidad sensor gas bastante buena temperatura ambiente con ayuda luz UV tras algún tiempo. Sensor empieza estabilizar ~9000 s. Figura 5b muestra gráfico ampliado 9000 a 9500 s. Aumento respuesta sensor observado 0,0041 a 0,0527% sin y con ayuda luz UV. Comparado Fig. 4 sin irradiación UV temperatura ambiente, no hay signo estabilización hasta fin prueba (12.000 s). Sensor con exposición luz UV requiere ~2,5 h "calentamiento" y luego puede trabajar condición estable tras eso. Comparado sensor sin ayuda UV, conductividad sigue reduciendo y respuesta inestable. Esto podría deberse efecto memoria y envenenamiento sensor que normalmente ocurren temperatura ambiente [26, 27]. Resultado muestra sensor tiene potencial operar temperatura ambiente ayuda UV sin elemento calentador consumidor potencia.

Comportamiento sensado gas hidrógeno oscuridad temperatura ambiente. a Punto máximo y mínimo 100 ciclos. b Respuesta sensores CuO NWs hacia gas hidrógeno

Comportamiento sensado gas hidrógeno sensor activado UV temperatura ambiente. a Punto máximo y mínimo 100 ciclos. b Respuesta sensores CuO NWs hacia gas hidrógeno

Mecanismo sensado sensor gas hidrógeno sin irradiación UV explicado abajo. Gas hidrógeno interactúa con CuO NWs a través iones oxígeno pre-adsorbidos superficies CuO NWs cuando CuO NWs expuesto hidrógeno como descrito Eqs. (1) y (2). Electrones libres liberan a CuO NWs debido reacciones entre moléculas H₂ y iones oxígeno pre-adsorbidos y recombinen con huecos CuO NWs [Ec. (3)]. Este proceso resultando disminución concentración huecos nanohilos y aumento resistencia [28].

Tras irradiación luz UV, pares electrón-hueco fotogenerados crean. Cuando sensor gas expuesto luz UV, huecos fotogenerados contribuyen proceso conducción; mientras, electrones fotogenerados migran superficie [29]. Por tanto, más electrones disponibles quimisorción O₂. Además, luz UV afecta procesos quimisorción y desorción alterando estado energético gas H₂ superficie CuO NW [30, 31]. Todo proceso acelera interacción entre superficie CuO NWs y gas H₂ y aumenta reacción.

Conclusión

Conclusión, CuO NWs crecidos exitosamente usando método oxidación térmica que es barato, simple, no-catalizador. Sensor gas hidrógeno asistencia luz UV fabricado exitosamente. Papel dominante luz UV es mejorar propiedades sensado gas temperatura ambiente y 100 °C. Estabilidad sensor gas muy buena 100 °C donde temperatura operación elevada. Con irradiación UV, sensor pudo lograr estabilidad primer ciclo comparado sensor sin luz UV requirió ~10 ciclos lograr estabilidad etapa inicial. Respuesta sensor también aumenta asistencia luz UV. Por tanto, no requerimos usar mayor temperatura operación consume alta potencia. Además, hallamos sensor irradiación UV tiene gran potencial operar baja temperatura (temperatura ambiente) que puede reducir pérdida consumo potencia. Estabilidad y respuesta sensor aumentan asistencia luz UV.

Método/Experimental

Chip electrodos Cr/Pt fabricado proceso fotolitografía. Capa óxido térmico (150 nm) creció sustrato silicio capa aislante bajo 1500 sccm flujo oxígeno 1000 °C 3 h. Luego, sustrato spin-coated 1 µm grueso fotorresist positivo (Futurrex PR1-1000A) 3000 rpm 40 s. Proceso soft-bake tomó lugar antes exposición UV 120 °C 120 s. Luego, fotomáscara cromo patrón electrodos interdigitales transferida muestra exposición luz ultravioleta (356 nm) intensidad 2,41 mW/cm² 50 s tiempo exposición. Cr/Pt (10 nm/150 nm) electrodos contacto depositados muestra usando sistema sputtering magnetrón NanoFilm y coater sputter Baltec SCD 005 a 2,0 × 10⁻⁵ Torr respectivamente. Proceso lift-off conducido alcanzar patrón electrodos esperado.

En este experimento, CuO NWs crecieron lámina cobre usando proceso oxidación térmica. Este proceso crecimiento toma 6 h con 1500 sccm flujo gas 600 °C ambiente oxígeno. CuO NWs crecidos caracterizados por microscopio electrónico barrido emisión campo (MEB-CE) Carl Zeiss Supra 55 VP, microscopio electrónico transmisión (MET) JOEL JEM-2010, difracción rayos X (DRX) Bruker D8 Advance. Luego, sensor gas fabricado usando CuO NWs crecidos térmicamente. Capa CuO NWs y película fina Cu₂O transferida encima electrodos platino con capa Cu₂O enfrentada arriba y CuO NWs enfrentada electrodos IDT como representado inserto Fig. 6. Capa activa formada por Cu₂O y CuO NWs; no obstante, respuesta sensado principalmente debida CuO NWs más que película fina Cu₂O debido mayor relación superficie-volumen aspecto nanohilos. Aquí, capa Cu₂O formada indirectamente durante oxidación alta temperatura y proceso recocido. Tras eso, proceso recocido tomó lugar 400 °C 20 min ambiente N₂ mejorar contacto entre CuO NWs electrodos interdigitales. Estructura dispositivo general diseño ilustrado Fig. 6.

Estructura dispositivo 3D sensor gas

Luego, sensor colocado cámara durante proceso sensado seguido controlador flujo masa controló flujo 100 ppm hidrógeno (H₂) gas y aire purificado comprado Air Products en cámara 100 ciclos temperatura ambiente y 100 °C con y sin exposición 3 mW/cm² intensidad UV. Fuente UV generada por longitud onda 365 nm, 3,8 V y 2 mW LED comprado VioLed International Inc. número serie 370-5C90. Respuesta corriente monitorizada dos mediciones sonda colocadas dispositivo sensor sistema adquisición datos. Características corriente-tensión (I-V) entonces medidas barrido voltaje aplicado −3 a 3 V oscuridad ambiente temperatura ambiente usando Keithley 2400 fuente potencia. Misma medida respuesta sensado realizada 100 °C encima etapa calentamiento (ATV Technologie Gmbh, TR-120 D). Ciclo sensado completo conducido secuencia aire-H₂-aire caudal constante 50 sccm.