Nanoenergy and Biosystem Lab
Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems, Chinese Academy of Sciences

【科匠学术】纳米能源所-李舟团队︱Nano Lett.:摩擦纳米发电机增强肖特基纳米线传感器用于高灵敏度乙醇检测

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一、研究背景:

乙醇作为工业生产中常见的挥发性化学物质,其控制和监测对于安全和酒后驾驶测试至关重要。乙醇传感器在日常生活中起着重要作用,乙醇检测对于交通安全具有重要作用。进一步提高乙醇检测的响应度,以实现对乙醇气体高灵敏度检测,是人们研究的热点。本文通过摩擦纳米发电机产生的脉冲高压与ZnO纳米线中氧空位缺陷相互作用,实现了对ZnO纳米线肖特基器件势垒高度和耗尽层宽度的调节,提高器件对乙醇气体检测的灵敏度。


二、文章简介:

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相关成果以“Triboelectric Nanogenerator Enhanced Schottky Nanowire Sensor for Highly Sensitive Ethanol Detection”为题发表在最新一期Nano Letters。文章第一作者:中科院北京纳米能源与系统所孟建平助理研究员、北航生物与医学工程学院李虎博士。采用摩擦纳米发电机的高电压调节肖特基势垒的高度和耗尽层的宽度,显著提高了器件对乙醇检测的响应度,实现对100 ppm乙醇的响应度提高了139%。



三、文章内容:
1、气敏测量过程及温度对Ag-ZnO乙醇传感器的影响

首先研究了温度对器件性能的影响。随着温度升高,器件肖特基势垒升高,理想因子降低。器件对100 ppm乙醇的响应度先增加后减小,确定器件的最佳工作温度为250 ˚C。

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图1. 气敏实验测试过程及温度对ZnO纳米线乙醇传感器的影响。

2、TENG对Ag-ZnO纳米线乙醇传感器性能的影响

TENG 通过整流之后加载乙醇传感器的两端,利用脉冲电压的作用可以调节肖特基势垒的高度。TENG的输出电压为300 V,整流后电压为275 V(见补充材料)。器件温度固定在250 ˚C,随着中处理次数的增加,肖特基势垒降低,器件对100 ppm乙醇的响应度从4.8提高到19.8。当处理次数达到100时,器件性能提高达到饱和。

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图2. TENG对Ag-ZnO纳米线乙醇传感器的影响。

3、摩擦纳米发电机脉冲高压调节肖特基势垒的机理

摩擦纳米发电机产生的脉冲电压作用纳米线时,纳米线中固有氧空位缺陷形成的局域场会与脉冲电压形成的电场相互作用,形成电离氧空位,电离氧空位在电场的作用下向界面处迁移,导致势垒降低。

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图3. 肖特基势垒高度变化的极化模型和能带变化图。

4、器件在TENG处理前后对5 ppm-200 ppm乙醇的传感性能

在5 ppm-200 ppm范围内,经TENG处理100次后的器件响应度均有提高,计算可知,处理后的势垒降低量增加,处理后器件的回复时间缩短。其原因为耗尽区的氧空位向表面集聚,空气进入时,能够加速氧气分子在表面的吸附,缩短器件的回复时间。

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图4. TENG处理前后乙醇传感器性能。

5、TENG处理提高乙醇传感器的机理解释

空气(氧气)中,电负性较强的氧气分子会吸附到ZnO纳米线的表面,夺取ZnO中的电子形成氧负离子,耗尽区吸附的氧负离子导致肖特基势垒升高,当乙醇遇到氧负离子时,两者反应,氧负离子被消耗,肖特基势垒降低,电流增大。TENG 处理后,导致耗尽区变宽,耗尽区吸附的氧负离子增加,乙醇气体进入后,更多的氧负离子被消耗,势垒降低量增加,器件的响应度增加。

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图5. TENG处理前后,乙醇传感器的性能提高机理检测。


四、总结与展望:
本实验发现了一种调节肖特基势垒高度的方法,进而可提高肖特基传感器的灵敏度。利用TENG的脉冲高压,可以与氧空位形成的局域场相互作用,促使氧空位迁移,在界面出积累,导致的肖特基势垒降低,耗尽区变宽。当注入乙醇气体后,耗尽区的化学吸附氧消耗量增加,势垒的降低量增加,器件的灵敏度提高,并缩短了回复时间。此方法提供了一种简单、易操作的提高肖特基传感器灵敏度的方法,可用于提高基于肖特基结传感器的光检测、分子检测等灵敏度。


五、致谢:

感谢科技部国家重点研发计划(2016YFA0202703),国家自然科学基金(编号:61875015、81971770、21801019),北京市自然科学基金(编号:7204333),国家万人计划及中国科学院大学对本项目的资助。


Authors: Jianping Meng†, Hu Li†, Luming Zhao, Junfeng Lu, Caofeng Pan, Yan Zhang, and Zhou Li*

Title: Triboelectric Nanogenerator Enhanced Schottky Nanowire Sensor for Highly Sensitive Ethanol Detection

Published in: Nano Letters, doi: 10.1021/acs.nanolett.0c01063.


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