Sensor de Nanofios de Óxido de Cobre Assistido por Luz Ultravioleta

Resumo

Nós fabricamos nanofios de óxido de cobre (CuO NWs) sensor de gás hidrogênio assistido por luz ultravioleta (UV). O sensor fabricado mostra um comportamento de resposta do sensor promissor para 100 ppm de H ₂ à temperatura ambiente e temperatura elevada a 100 ° C quando exposto à luz ultravioleta (3,0 mW / cm ² ) O teste de estabilidade do dispositivo de cem ciclos foi realizado e verificou-se que para a amostra elevada a 100 ° C, a amostra ativada por UV alcançou estabilidade no primeiro ciclo em comparação com a amostra sem irradiação UV que precisou de cerca de 10 ciclos para atingir estabilidade no estágio inicial, enquanto a amostra testada em temperatura ambiente foi capaz de se estabilizar com o auxílio da irradiação UV. Isso indica que com o auxílio da luz ultravioleta, após algum tempo de "aquecimento", é possível que o sensor CuO NW convencional, que normalmente trabalha em temperatura elevada, funcione em temperatura ambiente porque a fonte de UV é especulada para desempenhar um papel dominante no aumento a interação da superfície de CuO NWs e moléculas de gás hidrogênio absorvidas após a exposição à luz.

Histórico

Nos desenvolvimentos recentes, vários tipos de gases, como hidrogênio, amônia, butano e monóxido de carbono têm sido amplamente usados nas indústrias [1,2,3,4,5,6]. Vários óxidos de metal, como óxido de cobre, óxido de estanho e sensores de gás baseados em óxido de zinco têm sido amplamente estudados devido às suas vantagens, por exemplo, baixo custo de fabricação e alta sensibilidade a gases perigosos [7, 8]. Nanofio de óxido de cobre (CuO NW) é um material emergente adequado para sensores de gás devido à sua alta relação entre superfície e volume para melhorar o desempenho do sensor [9, 10]. Tem sido relatado que CuO NWs são adequados para a detecção de vários gases, como etanol, butano, monóxido de carbono, amônia e óxido de nitrogênio [9,10,11]. Geralmente, os sensores de gás baseados em óxido de metal requerem alta temperatura de operação para atingir um excelente desempenho de detecção. No entanto, a alta temperatura de operação pode levar a um alto consumo de energia. Além disso, a operação prolongada em altas temperaturas tem problemas de deriva causados pelo processo de sinterização e difusão [12, 13]. Portanto, explorar um novo método sem aprimoramento de sensores de gás à base de óxido de metal foi explorado para minimizar esse problema.

A funcionalização da superfície decorando as superfícies do material com nanopartículas para aumentar a sensibilidade e seletividade do sensor de gás para o gás perigoso usando a rota química foi relatada em outro lugar [14, 15]. No entanto, este método é muito complicado, pois a preparação envolve muitos produtos químicos e consome muito tempo de reação para ajustar o tamanho desejado das nanopartículas para as aplicações pretendidas [16]. Para evitar essa complicação, alguns pesquisadores estão tentando melhorar o desempenho do sensor de gás usando luz ultravioleta para criar os pares de elétrons e orifícios fotogerados como uma rota alternativa porque não requer preparação química complicada e, portanto, eficiência de tempo [17,18,19 , 20]. Além disso, o uso de luz ultravioleta pode ser a solução alternativa para evitar o aquecimento do sensor e resulta na redução do consumo de energia e evita a degradação do sensor devido às altas temperaturas, visto que o sensor de gás convencional requer alta temperatura para operar e alcançar estabilidade.

Relatórios sobre o uso de sensores de óxido de índio e dióxido de estanho intensificados por UV foram estudados por Comini et al. [20]. Foi relatado que a luz ultravioleta melhorou o desempenho de detecção do CO e NO ₂ sensor de gás à temperatura ambiente que aumenta a reação da interação no semicondutor. Além disso, Comini et al. também relataram que a luz ultravioleta pode reduzir o efeito de envenenamento do sensor de gás que altera as propriedades elétricas de forma irreversível, aumentando o processo de dessorção [20]. Além disso, foi relatado que a exposição à radiação UV melhora a sensibilidade, estabilidade e tempo de resposta do sensor de gás etanol por Gong et al. [21]. Além disso, o sensor de gás também pode operar a uma temperatura relativamente mais baixa que pode ser atribuída aos elétrons condutores nos nanofios de ZnO gerados pela irradiação UV que promovem a redução do etanol e, portanto, levam a uma maior sensibilidade e menos tempo de resposta. Portanto, a irradiação de luz ultravioleta é um dos métodos adequados para melhorar o desempenho do sensor de gás.

Até onde sabemos, o efeito da luz ultravioleta sobre o gás hidrogênio (H ₂ ) propriedades de detecção de CuO NWs ainda não foram relatadas. Portanto, nosso estudo se concentrou no efeito da luz UV ativada nas propriedades de detecção de gás hidrogênio de CuO NWs em temperatura ambiente e 100 ° C. Os CuO NWs são cultivados usando o método de oxidação térmica porque esta técnica exibe maior cristalinidade e razões de aspecto mais longas em comparação com os outros métodos relatados, como rotas baseadas em solução.

Resultados e discussões

A morfologia de CuO NWs crescidos é mostrada na Fig. 1a. A imagem mostra que a maioria dos NWs estão bastante alinhados e perpendiculares à superfície do substrato. Enquanto isso, a Fig. 1b mostra a imagem TEM de CuO NWs altamente cristalinos obtidos. As imagens inseridas mostram que o diâmetro do CuO NW é de 120 nm. O padrão de XRD na Fig. 1c corresponde ao cartão de banco de dados:JCP2:00-045-0937 para CuO e JCP2:00-005-0667 para Cu ₂ O. Mostra que os CuO NWs sintetizados têm estrutura monoclínica. A Figura 1d mostra a característica I-V de CuO NWs em eletrodos de Pt com comportamento ôhmico, uma vez que Pt tem função de trabalho superior (6,35 eV) em comparação com CuO (5,2 eV). Isso está de acordo com o fato do comportamento ôhmico ser obtido quando o semicondutor do tipo p entra em contato com o material de função de trabalho superior [22]. A Tabela 1 mostra a resposta do sensor e a estabilidade do sensor de gás hidrogênio com e sem a presença de UV em duas temperaturas diferentes (temperatura ambiente e 100 ° C). A resposta do sensor é definida como S =\ (\ Frac {I_g- {I} _a} {I_a} \ vezes 100 \% \), onde I _g é o fluxo atual após a amostra ser exposta ao gás e I _a é a corrente inicial antes de exposta ao gás [23, 24].

a Imagem FESEM dos CuO NWs crescidos. b Imagem TEM de CuO. c Perfil de difração de raios-X de nanofios de CuO. d Características IV de CuO e Pt

As Figuras 2 e 3 mostram a resposta do gás no escuro e sob iluminação UV a 100 ° C, respectivamente. Os resultados mostram que as respostas dos sensores de gás são estáveis. Durante a temperatura de operação a 100 ° C, a concentração de elétrons para a reação de detecção aumenta devido à energia térmica suficiente em temperatura mais alta para superar a barreira de potencial [25]. A introdução da luz ultravioleta de 365 nm melhorou significativamente a estabilidade de detecção do sensor CuO NW no estágio inicial do ciclo de detecção. A amostra ativada por UV pode atingir estabilidade no primeiro ciclo, em comparação com a amostra sem irradiação UV, que precisa de cerca de 10 ciclos para atingir estabilidade no estágio inicial. Além disso, a resposta do sensor do sensor de gás aumenta com a irradiação de luz UV (~ 4,6%) em comparação com sem irradiação de luz UV (~ 4,3%), conforme mostrado na Tabela 1. Portanto, os resultados mostram que LED de baixa potência pode aumentar a resposta do sensor com a mesma temperatura sem um aumento na temperatura de aquecimento o que pode levar a mais perda de potência.

Comportamento de detecção de gás hidrogênio no escuro em 100 ^° C. a Ponto máximo e mínimo para 100 ciclos. b Resposta dos sensores CuO NWs ao gás hidrogênio

Comportamento de detecção de gás hidrogênio para sensor ativado por UV trabalhando a 100 ^° C. a Ponto máximo e mínimo para 100 ciclos. b Resposta dos sensores CuO NWs ao gás hidrogênio

As Figuras 4 e 5 apresentam a resposta do gás no escuro e sob iluminação UV à temperatura ambiente. A Figura 5 mostra que a estabilidade do sensor de gás é bastante boa em temperatura ambiente com o auxílio da luz ultravioleta após algum tempo. O sensor começa a se estabilizar por volta dos 9000 s. A Figura 5b mostra um gráfico ampliado de 9.000 a 9500 s. O aumento na resposta do sensor é observado de 0,0041 a 0,0527% sem e com auxílio de luz ultravioleta. Em comparação com a Fig. 4 sem a irradiação UV à temperatura ambiente, não há sinais de estabilização até o final do teste (12.000 s). O sensor com exposição à luz ultravioleta leva cerca de 2,5 h para “aquecer” e pode funcionar em condição estável depois disso. Comparado ao sensor sem a ajuda de UV, a condutividade continua reduzindo e a resposta é instável. Isso pode ser devido ao efeito de memória e envenenamento do sensor que normalmente ocorre em temperatura ambiente [26, 27]. O resultado mostra que o sensor tem potencial para operar em temperatura ambiente com auxílio de UV sem o uso de elemento de aquecimento com grande consumo de energia.

Comportamento de detecção de gás hidrogênio no escuro e em temperatura ambiente. a Ponto máximo e mínimo para 100 ciclos. b Resposta dos sensores CuO NWs ao gás hidrogênio

Comportamento de detecção de gás hidrogênio para sensor ativado por UV em temperatura ambiente. a Ponto máximo e mínimo para 100 ciclos. b Resposta dos sensores CuO NWs ao gás hidrogênio

O mecanismo de detecção do sensor de gás hidrogênio sem a irradiação de luz ultravioleta é explicado a seguir. O gás hidrogênio está interagindo com o CuO NWs através dos íons de oxigênio pré-adsorvidos nas superfícies do CuO NWs quando o CuO NWs é exposto ao hidrogênio, conforme descrito nas Eqs. (1) e (2). Os elétrons livres são liberados para CuO NWs devido às reações entre H ₂ moléculas e íons de oxigênio pré-adsorvidos e recombinar com os buracos em CuO NWs [Eq. (3)]. Este processo está resultando na diminuição da concentração de orifícios nos nanofios e aumento na resistência [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)
Após a irradiação de luz ultravioleta, os pares de elétrons e orifícios fotogerados são criados. Quando o sensor de gás é exposto à luz ultravioleta, orifícios fotogerados contribuem para o processo de condução; enquanto isso, os elétrons fotogerados migram para a superfície [29]. Portanto, mais elétrons estão disponíveis para a quimissorção de O ₂ . Além disso, a luz ultravioleta afeta os processos de quimissorção e dessorção, alterando o estado energético de H ₂ gás na superfície CuO NW [30, 31]. Todo o processo acelera a interação entre a superfície do CuO NWs e H ₂ gás e aumenta a reação.

Conclusão

Como conclusão, os CuO NWs têm crescido com sucesso usando o método de oxidação térmica, que é um método barato, simples e sem catalisador. O sensor de gás hidrogênio com auxílio de luz ultravioleta foi fabricado com sucesso. O papel dominante da luz ultravioleta é melhorar as propriedades de detecção de gás para temperatura ambiente e 100 ° C. A estabilidade do sensor de gás é muito boa a 100 ° C onde está em temperatura operacional elevada. Com a irradiação de luz ultravioleta, o sensor pode alcançar estabilidade no primeiro ciclo em comparação com o sensor sem luz ultravioleta, o que requer cerca de 10 ciclos para atingir a estabilidade no estágio inicial. A resposta do sensor também aumenta com a ajuda da luz ultravioleta. Portanto, não somos obrigados a usar temperaturas de operação mais altas, o que consome muita energia. Além disso, constatamos que o sensor com irradiação de luz ultravioleta possui um grande potencial para operar em baixa temperatura (temperatura ambiente) o que pode reduzir a perda de consumo de energia. A estabilidade e a resposta do sensor aumentam com o auxílio da luz ultravioleta.

Método / Experimental

O chip dos eletrodos Cr / Pt é fabricado através do processo de fotolitografia. A camada de óxido térmico (150 nm) foi cultivada em substrato de silício como uma camada isolante sob fluxo de oxigênio de 1500 sccm a 1000 ° C por 3 h. Em seguida, o substrato foi spin-revestido com 1 μm de espessura de fotoresiste positivo (Futurrex PR1-1000A) a 3000 rpm por 40 s. O processo de cozimento suave foi realizado antes da exposição aos raios ultravioleta a 120 ° C por 120 s. Em seguida, a fotomáscara de cromo com padrão de eletrodo interdigitado foi transferida para a amostra com exposição de luz ultravioleta (356 nm) sob a intensidade de 2,41 mW / cm ² com tempo de exposição de 50 s. Eletrodos de contato Cr / Pt (10 nm / 150 nm) foram depositados na amostra usando o sistema de pulverização catódica NanoFilm e revestidor de pulverização catódica Baltec SCD 005 em 2,0 × 10 ^{- 5} Torr respectivamente. O processo de decolagem foi conduzido para atingir o padrão de eletrodos esperado.

Neste experimento, CuO NWs foram cultivados em folha de cobre usando um processo de oxidação térmica. Este processo de crescimento leva 6 horas com fluxo de gás de 1500 sccm a 600 ° C em ambiente de oxigênio. Os CuO NWs crescidos foram caracterizados por microscópio eletrônico de varredura por emissão de campo (FESEM) Carl Zeiss Supra 55 VP, microscópio eletrônico de transmissão (TEM) JOEL JEM-2010 e difração de raios-X (XRD) Bruker D8 Advance. Em seguida, o sensor de gás é fabricado usando CuO NWs crescidos termicamente. A camada de CuO NWs e Cu ₂ O filme fino foi transferido no topo dos eletrodos de platina com a camada de Cu ₂ O voltado para cima e CuO NWs voltados para os eletrodos IDT, conforme representado pela inserção na Fig. 6. A camada ativa foi formada pelo Cu ₂ O e CuO NWs; no entanto, a resposta de detecção deve-se principalmente a CuO NWs em vez de Cu ₂ O filme fino por causa da superfície superior para aspecto de relação de volume dos nanofios. Aqui, a camada de Cu ₂ O foi formado indiretamente durante o processo de oxidação e recozimento em alta temperatura. Depois disso, o processo de recozimento foi realizado a 400 ° C por 20 min em N ₂ ambiente para melhorar o contato entre os CuO NWs e os eletrodos interdigitados. O projeto geral da estrutura do dispositivo é ilustrado na Fig. 6.

Estrutura do dispositivo 3D do sensor de gás

Em seguida, o sensor foi colocado na câmara durante o processo de detecção seguido pelo controlador de fluxo de massa que controlou o fluxo de 100 ppm de hidrogênio (H ₂ ) gás e ar purificado adquiridos da Air Products na câmara por 100 ciclos à temperatura ambiente e 100 ° C com e sem a exposição de 3 mW / cm ² intensidade UV. A fonte de UV foi gerada pelo comprimento de onda de 365 nm, 3,8 V e 2 mW LED adquirido da VioLed International Inc. com número de série 370-5C90. A resposta da corrente foi monitorada por duas medições de sonda colocadas no dispositivo sensor com o sistema de aquisição de dados. As características de corrente-voltagem (I-V) foram então medidas varrendo a voltagem aplicada de - 3 a 3 V em ambiente escuro em temperatura ambiente usando a fonte de alimentação Keithley 2400. A mesma medição de resposta de detecção foi realizada a 100 ° C no topo do estágio de aquecimento (ATV Technologie Gmbh, TR-120 D). Um ciclo de detecção completo será conduzido na sequência de air-H ₂ -ar a uma taxa de fluxo constante de 50 sccm.

Modulação da Morfologia e Propriedade Ótica de PdAuAg Multi-Metálico e Nanoestruturas de Liga PdAg Propriedades ópticas de filmes ZnO com dopagem Al-Dopada na região infravermelha e suas aplicações de absorção

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

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