Nanocables de Si recubiertos con óxido de grafeno reducido para la detección selectiva y altamente sensible de formaldehído en interiores

Introducción

Hoy en día, como uno de los compuestos orgánicos volátiles (COV) tóxicos en el entorno de una casa de nueva construcción, el formaldehído (HCHO) amenaza seriamente la salud humana [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 , 12], que se considera una de las principales fuentes del síndrome del edificio enfermo (SBS) [13, 14], y un carcinógeno por la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IAIC) [2]. Por lo tanto, se han establecido varias normas para evitar el riesgo inducido por la contaminación del aire interior. En la literatura, el límite superior de concentración de formaldehído establecido por el Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) es de 0,1 ppm en la sala de estar y 1 ppm en el taller de producción industrial [2]. Mientras tanto, la Organización Mundial de la Salud (OMS) también estableció un estándar seguro de 0,08 ppm en promedio durante 30 minutos para la exposición a largo plazo en vapor de formaldehído [15]. Por lo tanto, la detección exitosa de HCHO de baja concentración da un gran paso para garantizar la seguridad del entorno de vida.

Aunque se han desarrollado muchos esquemas para detectar HCHO de baja concentración, incluyendo cromatógrafo de líquidos (LC) [16, 17], espectroscopía [9], etc., estas técnicas tienen limitaciones para uso portátil y monitoreo en tiempo real debido a sus voluminosos tamaños. y procesos de análisis complicados [18]. Actualmente, los sensores de gas basados ​​en nanoestructuras semiconductoras (p. Ej., In ₂ O ₃ [19, 20], Cr ₂ O ₃ [20], SnO ₂ [21,22,23]) se emplean ampliamente en la detección de HCHO de baja concentración, debido a su alta sensibilidad, respuesta rápida y excelente estabilidad química [2, 10, 19, 24,25,26,27,28, 29,30,31,32]. Estos sensores basados ​​en nanoestructuras semiconductoras ofrecen ventajas significativas en comparación con la LC y la espectroscopia, como una miniaturización sencilla para uso portátil, de bajo costo y detección in situ. Sin embargo, sus respuestas al HCHO deben mejorarse aún más a nivel de ppb, aunque son buenas a nivel de ppm. Por ejemplo, Chen et al. informó Ga-dopado en ₂ O ₃ sensores de nanofibras que mostraron una alta respuesta (definidos como R _a / R _g , donde la R _a y R _g son las resistencias del sensor en el aire y en HCHO) de 52,4 a 100 ppm de HCHO, mientras que <1,5 a 0,1 ppm, que deben mejorarse para cumplir con el requisito de respuesta de la limitación de utilización práctica de R _a / R _g =2 [19]. Por lo tanto, es un asunto urgente encontrar una ruta eficiente para mejorar la sensibilidad para alcanzar la limitación de detección segura. Se han seleccionado nanocables de silicio (Si NW) como uno de los materiales semiconductores para su uso en sensores químicos. Por ejemplo, se ha informado de biosensores basados ​​en transistores de efecto de campo Si NW modificados químicamente y se ha demostrado una sensibilidad y selectividad superiores a las proteínas [33]. Sin embargo, la fabricación de este sensor requiere un alto costo y un proceso complicado, ya que el efecto de campo debe mejorar la sensibilidad.

Recientemente, la incorporación de grafeno con sensores de gas semiconductores nanoestructurados se convierte en un enfoque prometedor para mejorar la sensibilidad, debido a su alta superficie específica y su excepcional sensibilidad a los gases [34]. En comparación con el efecto de sensibilización de los metales nobles convencionales (p. Ej., Nanopartículas de Pt, Pd y Au) [35,36,37], esta estrategia no solo puede poseer los méritos de bajo costo y alta eficiencia, sino también ampliar el área de superficie y mejorar el transporte de electrones. Por ejemplo, óxido de grafeno reducido (RGO) -SnO ₂ [18], RGO-Cu ₂ O [38], grafeno-SnO ₂ [39] han demostrado una excelente mejora de la sensibilidad a los gases. Sin embargo, muchos informes colocan las nanoestructuras semiconductoras en la superficie de RGO o grafeno para formar un contacto simple, cuyo área de contacto eficiente está demasiado restringida para lograr la maximización de la sensibilidad. Por lo tanto, es importante buscar una estrategia eficiente y factible para realizar estructuras core-shell basadas en RGO y semiconductores.

En este trabajo, la detección altamente sensible y selectiva de HCHO de baja concentración se logró mediante una estructura de núcleo-capa de nanocables de silicio recubiertos con RGO (SiNW), con un área de superficie específica aumentada dos veces más grande que los SiNW. Específicamente, la respuesta de los nanocables de silicio de tipo n recubiertos con óxido de grafeno reducido (RGO @ n-SiNWs) aumenta aproximadamente 2.6 × hacia 10 ppm de HCHO (~ 6.4) que la de los SiNW prístinos (~ 2.5) a la mejor temperatura de operación de 300 ° C, que se atribuye al excelente efecto sensibilizador de RGO. Los sensores tal como se fabrican pueden alcanzar una limitación superior de detección de aplicaciones de tan solo 35 ppb, y los tiempos de respuesta / recuperación son tan rápidos como 30/10 s. Además de la sensibilidad mejorada, la selectividad es alta sobre los gases interferentes típicos (por ejemplo, etanol, acetona, amoníaco, metanol, xileno y tolueno) y la estabilidad es buena en un período de 6 días. Todos los resultados dieron un paso significativo hacia el uso de nanocables de silicio recubiertos con óxido de grafeno reducido (RGO @ SiNWs) para la detección de HCHO de baja concentración en ambientes interiores.

Materiales y métodos

Fabricaciones de matrices SiNWs

Se emplearon obleas de silicio n (100) yp (100) (0,005-0,02 Ωcm y 0,001-0,005 Ωcm) como obleas de partida (3,0 cm x 3,0 cm). Antes del proceso de grabado, las obleas de Si se limpiaron en acetona durante 10 minutos, etanol durante 10 minutos y agua desionizada (DI) durante 10 minutos por turno. Las obleas de partida limpias se sumergieron en una solución oxidante que contenía H ₂ SO ₄ (97%, Sigma-Aldrich) y H ₂ O ₂ (35%, GR 30% en peso en H ₂ O, Aldrich) en una proporción de volumen de 3:1 durante 30 min para eliminar los contaminantes orgánicos de la superficie. Después de la etapa de limpieza, las muestras se sumergieron en una solución de HF al 5% durante 8 min a temperatura ambiente para disolver la capa delgada de óxido formada en la superficie y, por lo tanto, las superficies nuevas de Si se terminaron en H. A continuación, las obleas de Si limpias se transfirieron inmediatamente a una solución de revestimiento de Ag que contenía AgNO ₃ 0,005 M (99,99%, Aladdin) y 4,8 M HF (Aladdin, GR 40%), que se agitó lentamente durante 1 min a temperatura ambiente (~ 25 ^o C). Después de que se depositara una capa uniforme de nanopartículas de Ag (AgNP) en las superficies, las obleas recubiertas de AgNP se lavaron con agua desionizada para eliminar el Ag ⁺ adicional. iones. Luego, las obleas se grabaron en la solución de grabado (H ₂ O ₂ =0, 4 M y HF =4, 8 M) durante 30 min a temperatura ambiente en la oscuridad. Finalmente, las muestras se sumergieron en la solución acuosa de HNO ₃ (70%, Sigma-Aldrich) para disolver el catalizador de Ag y luego enjuagar con agua desionizada varias veces para eliminar la capa residual. Los SiNW fabricados se rasparon lentamente con una cuchilla afilada.

SiNWs funcionalizados con RGO

La dispersión de óxido de grafeno (GO) se sintetizó mediante el método de Hummer modificado [40] y luego se dispersó ultrasónicamente en 60 ml de agua DI durante 3 h para preparar la solución de GO (30 mg). En una síntesis típica, los SiNW obtenidos (0,2 g) se dispersaron primero en la mezcla de agua DI (10 mL) y etanol (30 mL), luego se añadió gota a gota etilendiamina (400 μL). Después del tratamiento ultrasónico durante 20 min, se añadieron 20 ml de solución de GO a la solución anterior y se mantuvo en vigorosa agitación. Posteriormente, el producto se recogió por centrifugación y se lavó con etanol varias veces, luego se secó a 60 ° C para obtener GO @ SiNWs. Finalmente, el GO @ SiNWs se redujo en H ₂ / Ar atmósfera a 800 ° C (2 ° C min ⁻¹ ) para obtener RGO @ SiNWs.

Caracterización de SiNW y RGO @ SiNW

La morfología de SiNWs y RGO @ SiNWs se observó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM, JSM-7001F + INCA X-MAX) y microscopía electrónica de transmisión (TEM, JEM-2100F). Además, la estructura cristalina fue estudiada por difracción de rayos X (XRD, X’Pert PRO MPD). Adicionalmente, para analizar el área superficial y la distribución del tamaño de poro, se realizó una isoterma de absorción-desorción de nitrógeno en un área específica y un analizador de tamaño de poro (SSA-7300, BUILDER) por el método Brunauer-Emmett-Teller (BET) y Modelo de Barett – Joyner – Halenda (BJH), respectivamente. Para la confirmación de la existencia de RGO, el espectro Raman se realizó mediante un espectrómetro Raman (Thermo Scientific DXR2). Además, los análisis elementales se realizaron mediante espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS, ESCALAB 250, radiación Al Kα).

Fabricación y medición de dispositivos

Los RGO @ SiNWs preparados (~ 5 mg) se mezclaron con etanol (~ 100 μL) y se dispersaron uniformemente por ultrasonidos. La solución dispersada se revistió sobre una placa de cerámica con alambres de Pt (es decir, calentador y medidor) y se envejeció bajo un voltaje de 5 V durante 3 días en el aire. Finalmente, los dispositivos preparados se midieron en un analizador de sensor de gas (Winsen WS-30A, China). El formaldehído se produjo mediante la evaporación de la solución de formaldehído (40% en peso) en el soporte de calentamiento en la cámara. Se produjeron etanol, acetona, amoniaco, metanol, xileno y tolueno mediante etanol líquido puro, acetona, amoniaco, metanol, xileno y tolueno, respectivamente. La respuesta se define como R _a / R _g , donde R _a y R _g son las resistencias del sensor en aire puro y en gases de formaldehído. Los tiempos de respuesta / recuperación se definen como el tiempo necesario para cambiar al 90% de la respuesta total.

Resultados y discusiones

Para estudiar las morfologías y microestructuras, SEM y TEM se realizaron como se muestra en la Fig. 1. La Figura 1a muestra la imagen SEM de vista superior a gran escala de SiNWs preparados, mostrando la superficie uniforme y los haces congregados de SiNWs debido a la atracción electrostática entre SiNWs [41, 42]. Están llenos de poros grandes con un tamaño de 2 ~ 15 μm en la superficie, como se observa en SEM ampliado en la Fig. 1b. Como se muestra en las imágenes SEM de sección transversal de n- y p-SiNW en la Fig. 1c, d, los NW grabados son todos perpendiculares al sustrato liso, demostrando la misma orientación <100> que la oblea de partida. Además, la longitud similar de ~ 24 μm, el diámetro de 100 ~ 300 nm y la densidad de aproximadamente 10 ¹⁰ cm ⁻² [41] se demostraron claramente, lo que indica que no hay diferencia entre los n- y p-SiNW orientados a <100>. El raspado n- y p- SiNWs se observan en el archivo adicional 1:Figura S1a yb, que no reflejan ningún cambio de morfología después de la secuencia de comandos. Para confirmar aún más el diámetro y la orientación, las imágenes TEM de n- y p-SiNW individuales muestran el diámetro de 210 nm (Fig. 1e) y 200 nm (Archivo adicional 1:Figura S2a), respectivamente. Figura 1f y archivo adicional 1:La figura S2b son imágenes TEM de alta resolución (HRTEM) junto con la transferencia rápida de Fourier (FFT), midiendo la estructura monocristalina y la orientación del cristal <100> con el espaciado (200) de 0,27 nm. El mecanismo subyacente de las fabricaciones de SiNW que utilizan el método de grabado químico asistido por metal (MACE) es una serie de reacciones redox simples con la ayuda de catalizadores de Ag, que se pueden describir brevemente mediante la Ec. 1 y Eq. 2.

un Vista superior, b vista superior ampliada y c Imágenes SEM transversales de n-SiNW. d Imagen SEM transversal de p-SiNWs. e Imagen TEM de n-SiNWs. f Imagen HRTEM de n-SiNW junto con la FFT correspondiente. g Imagen SEM de RGO @ n-SiNWs con tratamiento HF. h Imagen SEM ampliada de RGO @ n-SiNWs con tratamiento HF

Reacción en el metal (es decir, partículas de Ag):

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

Reacción en el sustrato de Si:

$$ \ mathrm {Si} \ kern0.5em + \ kern0.5em 4 {\ mathrm {h}} ^ {+} \ kern0.5em + \ kern0.5em 4 \ mathrm {HF} \ kern0.5em \ to \ kern0.5em {\ mathrm {SiF}} _ 4 \ kern0.5em + \ kern0.5em 4 {\ mathrm {H}} ^ {+} \ kern0.5em \ mathrm {y} \ kern0.5em {\ mathrm {SiF }} _ 4 \ kern0.5em + \ kern0.5em 2 \ mathrm {HF} \ kern0.5em \ to \ kern0.5em {\ mathrm {H}} _ 2 {\ mathrm {SiF}} _ 6 $$ (2)

A lo largo de este proceso, las nanopartículas de Ag capturan directamente electrones del Si debido a la mayor electronegatividad del Ag en comparación con el Si, creando una región rica en huecos alrededor de las nanopartículas de Ag. Entonces, H ₂ O ₂ se reduce por nanopartículas de Ag y el Si se oxida para ser SiO ₂ , que se disuelve rápidamente con una solución de HF [43].

A continuación, los SiNW recién grabados fueron funcionalizados por RGO. La Figura 1g es la imagen SEM de RGO @ n-SiNWs y la Fig. 1h son las imágenes SEM ampliadas de RGO @ n-SiNWs, que demostraron que RGO estaba envuelto de manera compacta y uniforme en la superficie de NWs. Se formaría una unión p-n entre RGO y SiNW, lo cual es importante para mejorar la sensibilidad de los sensores que se analiza en las siguientes secciones.

Para arrojar luz sobre los componentes y la cristalinidad, se realizan patrones de difracción de rayos X (XRD) como se muestra en la Fig. 2a. Para n- y p-SiNW, los picos principales se ubican en 28,4 °, 47,3 °, 56,1 °, 69,1 °, 76,4 ° y 88,0 °, correspondientes a (111), (200), (400), (331), y (422) planos de estructura de silicio cúbico (JCPDS No. 27-1402), respectivamente. No se observó ningún pico de impurezas, lo que indica la pureza de las muestras. El patrón XRD de RGO @ n-SiNWs también exhibe los mismos picos. Obviamente, se encuentra que las intensidades pico de RGO @ n-SiNWs declinaron claramente, lo que se atribuyó a la existencia de RGO amorfo externo. Para confirmar que GO se redujo completamente a RGO, los espectros XRD con zoom de 10 ° a 25 ° se muestran en la Fig.2b, que demuestra un pico de RGO @ n-SiNWs ubicado en aproximadamente 22 °, que contribuye a la reducción de GO a RGO [44].

un Patrones XRD de n- / p-SiNWs y RGO @ n-SiNWs. b Patrones XRD ampliados de 10 a 25 grados

En un esfuerzo por investigar la sensibilidad de los RGO @ SiNW al HCHO y la temperatura óptima de funcionamiento del dispositivo, se probaron numerosos dispositivos basados ​​en SiNW y RGO @ SiNW a diversas temperaturas. Como se muestra en la Fig. 3a, b, la respuesta de los n-SiNW prístinos es mayor que la de los p-SiNW. Todos los dispositivos basados ​​en n-SiNW y RGO @ n-SiNW muestran la respuesta más alta de 2.5 y 6.4 a 10 ppm a 300 ° C. Para evaluar la respuesta dinámica a varias concentraciones de gas basadas en n-SiNWs y RGO @ n-SiNWs en poco tiempo, se realizó la prueba dinámica hacia HCHO de 0,1 a 10 ppm a 300 ° C como se muestra en la Fig. 3c. Se observa claramente que la respuesta de n-SiNW se incrementó notablemente al envolver RGO. Mientras tanto, el dispositivo basado en RGO @ n-SiNWs tiene una respuesta sobresaliente de 2.4 incluso a una baja concentración de 0.1 ppm, cumpliendo absolutamente con los criterios de HCHO. Como se muestra en el ajuste no lineal en la Fig. 3d, la limitación de la aplicación ( R _a / R _g =2) se obtuvo 35 ppb, lo que indica una concentración detectable muy baja.

un Las respuestas de n- / p-SiNW, RGO / n- y RGO @ p-SiNW a 10 ppm de HCHO a 300 ° C. b La respuesta de n-SiNW y RGO @ n-SiNW a 10 ppm de HCHO a diversas temperaturas. c La respuesta dinámica de n-SiNW y RGO @ n-SiNW de 0,1 a 10 ppm de HCHO. d Ajuste no lineal de la respuesta de RGO @ n-SiNW a varias concentraciones de HCHO

La velocidad de respuesta y la selectividad son siempre los parámetros importantes para las aplicaciones prácticas de los dispositivos preparados. Como se indica en la Fig. 4a, tanto los n-SiNW como los RGO @ n-SiNW muestran un tiempo de respuesta extremadamente corto (11 y 13 s, respectivamente), lo que sugiere una respuesta relativamente rápida. Con el propósito de evaluar la selectividad de los sensores RGO @ n-SiNWs preparados, se emplearon otros seis VOC típicos (es decir, etanol, acetona, amoníaco, metanol, xileno y tolueno) para examinar la selectividad del sensor y los resultados medidos. se muestran en la Fig. 4b, revelando una interferencia limitada a la detección de HCHO. La alta selectividad al HCHO se debe a la mayor reducibilidad del HCHO que la acetona, el etanol, el metanol, el tolueno y el xileno, como se investigó en informes anteriores [45, 46, 47]. Por tanto, el HCHO se oxida más fácilmente por los RGO @ n-SiNW, lo que provoca una gran disminución de la resistencia. Además, se observa que casi no hay respuesta al amoníaco para los sensores de Si [48], porque el Si no lo oxida fácilmente. Aparte de la selectividad, la estabilidad también es un desafío crítico en el campo de la detección de HCHO. Como se investiga en la Fig. 5, la respuesta de los sensores RGO @ n-SiNWs operados a 300 ° C cambia un poco (<5%) de 6.4 a 6.1 iniciales después de 6 días, lo que indica una excelente estabilidad del aire.

un Tiempo de respuesta y recuperación de n-SiNW y RGO @ n-SiNW a 0,1 ppm de HCHO. b La respuesta de n-SiNW y RGO @ n-SiNW para siete tipos de COV comunes (10 ppm) a 300 ° C

Prueba de estabilidad de n-SiNW y RGO @ n-SiNW para 0,1 ppm y 10 ppm

La relación superficie-volumen (área de superficie específica) es de gran importancia para afectar la sensibilidad del gas. Como se estudió en las isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno en la Fig. 6a, el área de superficie aumenta de 37,3 m ² g ⁻¹ de n-SiNWs a 74,5 m ² g ⁻¹ de RGO @ n-SiNWs, que se originó en la gran superficie de RGO. La superficie específica ampliada está destinada a aumentar el área de contacto efectiva entre los gases objetivo y las muestras, mejorando así aún más la sensibilidad del gas. Como se presenta en los espectros Raman (Fig. 6b), los picos correlativos de Si se muestran a 500 y 912 cm ⁻¹ se observaron en RGO @ n-SiNWs, lo que demuestra la presencia de enlaces Si-Si [49]. Además, picos a 1390 y 1590 cm ⁻¹ se asignan a los picos de la fase de carbono de las bandas D y G debido a la sp2 desordenada y ordenada carbono enlazado, respectivamente [49], lo que puede inferir la presencia de óxido de grafeno reducido. Generalmente, el I _D / Yo _G (la relación de intensidad de las bandas D y G) se considera el parámetro más importante para evaluar el grado de grafitización de los materiales carbonosos [49]. El yo _D / Yo _G se calcula en 0,72 para RGO @ n-SiNWs de la Fig. 6b, lo que indica el alto grado carbonoso de RGO @ n-SiNWs.

un Isotermas típicas de adsorción de nitrógeno de n-SiNW y RGO @ n-SiNW. b Desplazamiento Raman de n-SiNWs y RGO @ n-SiNWs, y los picos de Si-Si ampliados como se muestra en el recuadro

Además, las composiciones químicas de los compuestos RGO-SiNWs y SiNWs prístinos se evaluaron mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS). Como se observa en el XPS de alta resolución en la vecindad de los picos de Si 2p en la Fig.7a, la intensidad del pico de Si 2p de los n-SiNWs disminuye claramente después de recubrir con RGO en su superficie, mientras que la intensidad de los picos de C1s correspondientes de RGO @ SiNWs es también se agrandó notablemente en comparación con los SiNW puros como se observa en la Fig. 7b. Todos estos análisis demuestran además que el RGO se recubre con éxito en la superficie de SiNW. De manera significativa, en la Fig. 7a se revela un evidente desplazamiento hacia la izquierda hacia un nivel de energía alto, como resultado de la transferencia de electrones de SiNW a RGO. Los datos XPS que contienen la posición del pico, el área del pico, la relación atómica de superficie se muestran en el archivo adicional 1:Tabla S1. El análisis de espectros XPS puede verificar la formación de la unión p-n entre RGO y SiNW, lo que mejoraría el transporte de electrones generados a través del proceso de descomposición del HCHO y facilitaría aún más la sensibilidad del HCHO.

un Espectros XPS de picos de Si2p para n-SiNW y RGO @ n-SiNW. b Espectros XPS de picos C1s para n-SiNW y RGO @ n-SiNW

En un intento por comprender las características de detección de gas de los RGO @ n-SiNW, se demuestra esquemáticamente el mecanismo de detección del HCHO. Cuando los sensores fabricados se expusieron al aire puro, la resistencia ( R _a ) será grande debido a la quimisorción de oxígeno que atrapa los electrones del material y forma una región de agotamiento de la superficie que se muestra en la Ec. (3). Mientras los sensores están expuestos a HCHO, el gas HCHO reaccionará con O ^- y O ²⁻ , y liberan electrones a RGO @ n-SiNWs, lo que lleva a la disminución de la resistencia ( R _g ). El proceso de reacción se representó en la ecuación. (4) y Fig. 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)

un Diagrama esquemático del mecanismo de detección de moléculas de HCHO. b El diagrama de estructuras de bandas de la interfaz RGO / n-SiNW

Finalmente, se discutió el mecanismo de mejora de la sensibilidad inducida por la combinación de n-SiNW y RGO. La combinación de RGO y n-SiNW puede formar una unión p-n, como resultado de la caracterización de tipo p de RGO con una banda prohibida estrecha (0,2 eV ~ 2 eV) [34]. Esta unión p-n formada entre SiNW y RGO se ha informado en muchos informes anteriores [50]. Para comprender cómo esta unión p-n mejora la sensibilidad, el diagrama esquemático de la estructura de la banda se describe en la Fig. 8b. Como se ilustra en el diagrama de estructura de bandas de la Fig. 8b, los electrones se transfieren desde los SiNW y se almacenan en RGO, formando una capa de agotamiento y un campo eléctrico incorporado. El agotamiento de los electrones y el voltaje incorporado mejorarían la reacción química en la ecuación. (4) y facilitan la transferencia de electrones, mejorando así el rendimiento de detección de gas.

Conclusiones

En resumen, los SiNW con un área de superficie específica alta se preparan mediante el método de grabado químico asistido por metal (MACE) y luego se envuelven con óxido de grafeno reducido (RGO) para formar una unión p-n. Después de envolver RGO, el área de superficie específica aumenta en 1 × demostrado por N ₂ isoterma de absorción-desorción. Más importante aún, debido a la unión p-n formada, el RGO @ n-SiNWs revela una sensibilidad sobresaliente y una alta selectividad hacia HCHO de baja concentración a 300 ° C. La respuesta de RGO @ n-SiNW aumenta aproximadamente 2 × hacia 10 ppm de HCHO (~ 6,4) a 300 ° C que la de los n-SiNW prístinos (~ 2,5). La limitación de detección de aplicaciones puede alcanzar 35 ppb ( R _a / R _g =2) obtenido mediante un montaje no lineal que cumple absolutamente con el estándar de seguridad del aire interior. Estos resultados brindan una posibilidad prometedora para detectar con precisión el HCHO de baja concentración, lo que permite monitorear el ambiente interior.

Abreviaturas

GO:

Óxido de grafeno

HCHO:

Formaldehído

HRTEM:

Microscopía electrónica de transmisión de alta resolución

IAIC:

Agencia Internacional de Investigación sobre el Cáncer

MACE:

Grabado químico asistido por metales

NIOSH:

Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional

RGO:

Óxido de grafeno reducido

RGO @ n-SiNWs:

Nanocables de silicio de tipo n recubiertos con óxido de grafeno reducido

RGO @ SiNWs:

Nanocables de silicio recubiertos con óxido de grafeno reducido

SBS:

Síndrome del edificio enfermo

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

SiNW:

Nanocables de silicio

TEM:

Microscopía electrónica de transmisión

VOC:

Compuestos orgánicos volátiles

QUIÉN:

Organización Mundial de la Salud

XPS:

Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X

XRD:

Difracción de rayos X

Andamio de nanocables de nitruro de carbono tridimensional para supercondensadores flexibles Efecto antitumoral de nanopartículas de sílice mesoporosa dirigidas anti-VEGFR2 marcado con 131I en el cáncer de tiroides anaplásico