Amplification des performances de détection d'ammoniac grâce à la modulation de porteuse induite par la porte dans Cur

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8159 (2023) Citer cet article

243 accès

Détails des métriques

Les activités humaines et industrielles incontrôlées conduisent à l'augmentation de la demande de capteurs de gaz sélectifs pour la détection de gaz toxiques dans notre environnement. Les capteurs de gaz résistifs conventionnels souffrent d'une sensibilité prédéterminée et d'une mauvaise sélectivité parmi les gaz. Cet article présente un transistor à effet de champ en soie d'oxyde de graphène réduit en curcumine pour la détection sélective et sensible de l'ammoniac dans l'air. La couche de détection a été caractérisée par diffraction des rayons X, FESEM et HRTEM pour confirmer ses caractéristiques structurelles et morphologiques. La spectroscopie Raman, la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et la spectroscopie photoélectronique à rayons X ont été réalisées pour analyser les fractions fonctionnelles présentes dans la couche de détection. L'oxyde de graphène réduit en curcumine introduit suffisamment de groupes hydroxyle dans la couche de détection pour fournir un degré élevé de sélectivité vis-à-vis des vapeurs d'ammoniac. Les performances du dispositif capteur ont été évaluées à une tension de grille positive, négative et nulle. La modulation des porteurs dans le canal par l'électrostatique de grille a révélé que les porteurs minoritaires (électrons) dans l'oxyde de graphène réduit de type p jouent un rôle central dans l'amélioration de la sensibilité du dispositif capteur. La réponse du capteur a été améliorée à 634% pour 50 ppm d'ammoniac à une tension de grille de 0, 6 V, contre 23, 2% et 39, 3% à 0 V et - 3 V respectivement. Le capteur a présenté une réponse et une récupération plus rapides à 0,6 V en raison d'une plus grande mobilité des électrons et d'un mécanisme de transfert de charge rapide. Le capteur présentait des caractéristiques satisfaisantes de résistance à l'humidité et une grande stabilité. Par conséquent, le dispositif de transistor à effet de champ en soie d'oxyde de graphène réduit en curcumine avec une polarisation de grille appropriée élucide une excellente détection de l'ammoniac et peut être un candidat potentiel pour un futur système de détection de gaz portable à faible puissance et à température ambiante.

En raison de l'essor des activités dans les industries chimiques, alimentaires et automobiles, il existe une demande importante pour le développement de détecteurs de gaz portables et fonctionnant sur batterie1. Ces demandes nécessitent des recherches intensives pour la fabrication de capteurs de gaz miniaturisés, à température ambiante et à faible puissance. Dans ce contexte, les couches de détection à base d'oxydes métalliques semi-conducteurs (ZnO, TiO2, SnO2, WO3 etc.2,3,4,5) sont largement explorées. Ces couches de détection sont très attrayantes en raison de leur énorme sensibilité, mais leur fonctionnement nécessite des températures de fonctionnement élevées (généralement dans la plage de 200 à 450 °C). Le budget haute puissance des oxydes métalliques limite leur utilisation dans les systèmes de détection de gaz portatifs à température ambiante. Par exemple, les capteurs Taguchi à base de SnO2 (Figaro Japon) disponibles dans le commerce utilisent une puissance de 200 mW. Par conséquent, des efforts sont nécessaires pour développer des capteurs de température ambiante à faible puissance. Il existe plusieurs tentatives à cet égard6,7,8,9, qui visent à intégrer les capteurs à la plate-forme CMOS mûrie. Certains gaz comme l'ammoniac, le sulfure d'hydrogène ont une température d'inflammation basse et sont hautement inflammables. Par conséquent, les chercheurs se sont concentrés sur la synthèse de nanomatériaux fonctionnalisés qui fonctionnent à température ambiante. Ces matériaux comprennent des nanomatériaux bidimensionnels (graphène), des di-chalcogénures de métaux de transition (MoS2, WS2), du phosphore noir, des charpentes organiques métalliques, etc.

Le graphène, un nanomatériau bidimensionnel, a suscité une attention particulière en raison de son énorme surface, de sa stabilité thermique et mécanique, de sa grande mobilité et de sa flexibilité10. Le graphène s'avère très sensible à différents analytes gazeux. La structure bidimensionnelle en nid d'abeille ainsi qu'une seule couche d'atomes de carbone facilitent une plus grande sensibilité envers différents analytes. Le graphène vierge, exempt de défauts, a une faible énergie d'adsorption vis-à-vis de différents gaz. L'introduction de défauts et de dopants dans la matrice de graphène doit améliorer le niveau d'énergie d'adsorption et faciliter un meilleur transfert de charge entre les analytes cibles et la matrice de graphène. L'exfoliation chimique du graphène conduit à l'oxyde de graphène qui, lors de la réduction, produit de l'oxyde de graphène réduit (RGO). L'oxyde de graphène réduit se compose de plusieurs sites de défauts ainsi que de diverses fractions fonctionnelles, qui introduisent plusieurs sites actifs pour l'adsorption des gaz cibles. Le plus grand avantage du RGO est sa capacité à détecter les traces de gaz même à température ambiante. Cela fait du RGO un candidat idéal pour être utilisé dans les capteurs de gaz portables à faible consommation d'énergie et de température ambiante de la prochaine génération.

Dans diverses applications industrielles, l'ammoniac est utilisé comme réactif commun. L'ammoniac est un gaz très piquant et toxique, qui peut avoir des effets graves sur les voies respiratoires, les yeux et la peau s'il est exposé à des concentrations plus élevées (> 350 ppm)11,12. En cas d'exposition prolongée, des problèmes de santé graves sont observés chez les êtres humains, y compris la mort. Selon l'OSHA (Administration de la sécurité et de la santé au travail), une concentration d'ammoniac de 15 à 28 % en volume dans l'air est considérée comme très dangereuse pour la santé13. La nature inflammable de l'ammoniac exige la fabrication de capteurs qui doivent fonctionner à température ambiante. Peu de capteurs d'ammoniac chimio-résistifs à base de graphène sont développés11,14,15,16,17,18,19,20,21, cependant leurs performances ne sont pas satisfaisantes. Les capteurs basés sur RGO qui ont été signalés précédemment souffrent d'une réponse et d'une récupération importantes, d'une dérive de la ligne de base, d'une faible capacité de récupération et d'une sélectivité insatisfaisante. Les rapports antérieurs sur les capteurs de gaz à base de graphène manquent d'analyse dans des environnements humides. Dans le cas de capteurs résistifs, une fois que la couche de détection est déposée, elle ne peut plus être réglée ou modulée. Ces facteurs renforcent la motivation pour le développement de capteurs de gaz à base de transistors à effet de champ (FET), où le canal peut être modulé même après la fabrication du capteur. Cette stratégie pourrait faciliter "l'amélioration de la sensibilité" en contrôlant le nombre de porteuses effectives dans la région du canal22.

Dans le présent travail, un transistor à effet de champ (FET) a été fabriqué pour détecter sélectivement les vapeurs d'ammoniac. L'oxyde de graphène réduit en curcumine (Cur-rGO) est synthétisé en tant que matériau de canal et coulé en goutte entre les électrodes de source et de drain. La soie est utilisée comme diélectrique de grille en raison (i) de la constante diélectrique élevée et (ii) de la facilité de dépôt. Cela réduit les coûts et les complexités de fabrication. Les travaux en cours démontrent le jeu de la tension de grille dans le réglage du type de porteurs de charge participant au mécanisme de transfert/détection de charge. Même si RGO est connu pour être un matériau de type p, on observe que l'application d'une tension de grille appropriée assure la participation des électrons pour la détection de l'ammoniac. Lors de l'application d'une polarisation de grille positive (0,6 V), le capteur présente une sensibilité énorme de 634 % à 50 ppm d'ammoniac. Par rapport à une polarisation de grille nulle (de type purement résistif) et à une polarisation de grille négative, une amélioration de la réponse d'environ 15 fois est observée. La participation de l'électron améliore le taux de transfert de charge, ce qui se reflète également dans l'analyse du temps de réponse et de récupération. Les performances de ces capteurs sous une tension de grille appropriée révèlent l'importance de "l'optimisation de l'électrostatique de grille" dans les capteurs chimiques. L'utilisation de la curcumine pour réduire l'oxyde de graphène est également validée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. La réduction par la curcumine conduit à l'élimination complète de tous les autres groupes fonctionnels à l'exception de l'hydroxyle (liaisons O – H). Ces groupes hydroxyles jouent un rôle clé dans la détermination de la sélectivité des capteurs vis-à-vis de l'ammoniac. Cur-rGO a ensuite été caractérisé par FESEM, HRTEM, spectroscopie Raman et spectroscopie photoélectronique à rayons X pour révéler ses propriétés structurelles, morphologiques et chimiques. Le FET en soie à base de Cur-rGO présentait une bonne immunité contre l'humidité et une bonne stabilité. Par rapport aux rapports précédents, il est évident que le FET en soie Cur-rGO avec une polarisation de grille appropriée est très efficace pour la détection sélective et sensible de l'ammoniac. Ces résultats prouvent que le capteur d'ammoniac à base de FET en soie Cur-rGO peut être utilisé dans les futurs systèmes de détection de gaz commerciaux à faible puissance, à température ambiante et portables.

L'analyse morphologique, structurelle et compositionnelle de Cur-rGO a été réalisée par spectroscopie FESEM, HRTEM, XRD, FTIR, XPS et Raman. La figure 1a représente l'image FESEM de Cur-rGO, qui révèle la présence d'énormes rides sur les feuilles. La présence de rides et la morphologie en forme de feuille sont en outre confirmées par HRTEM, comme le montre la figure 1b. Le diagramme de diffraction électronique à zone sélective (SAED) de la figure 1c montre la présence de plusieurs anneaux avec une taille de spot différente et une intensité variable. Cela confirme l'orientation aléatoire des feuilles et la présence de nombreux défauts. Les deux plans de diffraction correspondent aux plans (002) et (100) de Cur-rGO. La figure 1d montre les franges du réseau, révélant que la valeur de l'espacement d est de 0,336 nm, très proche du graphène vierge (0,36 nm).

(a) Image FESEM de nanofeuilles Cur-rGO, (b) Image HRTEM de nanofeuille Cur-rGO, (c) Modèle SAED de nanofeuille Cur-rGO et (d) franges et espacements de réseau dans Cur-rGO.

L'examen de l'orientation cristallographique des matériaux synthétisés a été effectué par analyse XRD avec un rayonnement Cu Kα1 (λ = 1, 54 Å) équipé d'un diffractomètre à faisceau parallèle. La figure 2a montre le schéma XRD de GO et Cur-rGO. Le pic de diffraction pointu à 10,48° pour GO correspond à la réflexion du plan (001). Cela confirme la formation d'oxyde de graphène par oxydation réussie des flocons de graphite. Un large pic centré à 24,57 ° démontre la réflexion des plans de réseau (002) des nanofeuilles Cur-rGO. La figure 2b présente l'analyse FTIR des échantillons GO et Cur-rGO. Le large pic dû aux vibrations O–H est réfléchi entre 3000 et 3500 cm−1. La liaison C=O à 1740 cm-1 concerne les groupes carboxyliques présents au bord de la feuille de graphène. La présence d'un étirement C–O à 1048 cm−1, d'un étirement C–O–C à 1220 cm−1, d'un étirement C–OH à 1373 cm−1 reflète les différentes fractions fonctionnelles présentes dans GO23. Le traitement thermique de GO par la curcumine conduit à une réduction réussie de GO, comme le confirment les spectres FTIR. Hormis l'étirement O – H (centré à 3400 cm-1), tous les autres groupes fonctionnels sont éliminés avec succès de la surface GO. La présence de ce groupe O–H a une grande influence sur la détection sélective de l'ammoniac, par rapport aux autres COV.

( a ) Modèle XRD de GO et Cur-rGO et ( b ) Spectres FTIR de GO et Cur-rGO.

Une réduction réussie par la curcumine est en outre validée par la spectroscopie Raman, comme le montre la figure 3. La figure 3a représente les spectres Raman pour GO tandis que la figure 3b) illustre les spectres Raman pour Cur-rGO. Les bandes D et G pour GO ont été trouvées à 1366 cm−1 et 1607 cm−1, cependant après réduction les bandes D et G se sont décalées à 1357 cm−1 et 1599 cm−1, ce qui est conforme aux rapports précédents24,25 . L'attachement des fonctionnalités de la curcumine aux atomes de carbone insaturés entraîne le déplacement des bandes « D » et « G » vers des nombres d'onde inférieurs. La curcumine donneuse d'électrons entraîne un ramollissement des phonons et déplace le niveau de fermi26,27.

(a) spectres Raman pour GO, (b) spectres Raman pour Cur-rGO.

Le GO réduit par la curcumine a été étudié plus en détail par spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) pour analyser plus en détail les états chimiques et les groupes fonctionnels. Le spectre XPS déconvolué de la région C 1s de Cur-rGO est illustré à la Fig. 4a. On remarque que la région C 1S présente des pics avec des énergies de liaison de 284,6 eV et 286,5 eV correspondant respectivement aux liaisons C=C et C–O. Le graphique déconvolué de la région O 1S est également tracé sur la figure 4b. Les pics O 1s avec des énergies de liaison de 530, 6 eV et 532, 5 eV sont attribués respectivement aux liaisons O = C – OH et O = C. La présence de O=C–OH est très significative dans notre étude en raison de la forte énergie d'adsorption des molécules NH3 vers les groupes –OH.

( a ) Spectres à balayage étroit de C 1 et ( b ) O 1 de Cur-rGO.

La réduction de GO en présence de curcumine conduit à la formation d'une couche de détection d'ammoniac très sensible. La présence d'effet de champ dans les dispositifs capteurs permet la modulation des porteurs de charge dans la région du canal. Comme l'oxyde de graphène réduit présente des caractéristiques de type p, les électrons jouent le rôle de porteurs minoritaires dans tous les mécanismes de transport. Ces électrons jouent un rôle central dans la détection très sensible de l'ammoniac à faible concentration. Il est prédit que le transfert de charge pendant la détection serait plus efficace pour les électrons que pour les trous. Les trous avec une mobilité moindre et une masse effective plus élevée seraient confrontés à un plus grand obstacle au transfert de charge rapide. Par conséquent, il est prévu d'utiliser l'électron comme porteur principal pour le transfert de charge en appliquant une polarisation de grille appropriée.

Le graphène vierge présente une énergie d'adsorption de 0,114 eV vis-à-vis de l'ammoniac28. Les groupes époxy et hydroxyle dans les feuilles de graphène induites par des défauts ont des énergies de liaison de 0,219 eV et 0,840 eV respectivement pour l'ammoniac28. Cela montre l'importance des groupes hydroxyle à être présents sur la surface du capteur. Lorsque la tension de grille appliquée est négative ou nulle, les trous sont les porteurs qui participent au phénomène de détection. Les molécules d'ammoniac se lient aux groupes hydroxyle et donnent des électrons à la couche de détection Cur-rGO, comme illustré à la Fig. 5. Le porteur majoritaire étant des trous, se recombine avec les électrons entrants et le courant de drain diminue. Lorsque la tension appliquée est positive, le canal est constitué d'électrons. Lorsque les molécules d'ammoniac entrent en contact avec le canal, cela augmente la concentration d'électrons de Cur-rGO et augmente donc le courant de drain. La fonctionnalisation de la surface Cur-rGO avec des groupes hydroxyle offre une énergie de liaison élevée vis-à-vis de l'ammoniac conduisant à une adsorption préférentielle et une sélectivité élevée. Cette variation du courant de drain est visualisée sous forme de réponse et est exprimée en pourcentage.

Mécanisme de détection d'ammoniac du capteur Cur-rGO.

La réponse est mathématiquement définie comme :

où, Id, gaz et Id, air sont le courant de drain lors de l'exposition à l'ammoniac et à l'air respectivement.

Les caractéristiques Id-Vg (Vds = 1,5 V) de la Fig. 6a montrent que l'appareil présente un rapport ON-OFF très élevé (~ 105). Avec une tension de grille inférieure à 0,5 V, le dispositif présente une conductivité due aux trous. Cependant, après 0,5 V, l'appareil présente une conductivité électronique. Lorsque le capteur est exposé à des molécules d'ammoniac, le courant de trou diminue (à gauche de 0,5 V) mais le courant d'électrons augmente (à droite de 0,5 V). Lorsque les porteurs majoritaires sont des trous, la présence de molécules d'ammoniac réduit le nombre de trous en raison de la recombinaison électron-trou. Par conséquent, une réduction du courant est observée. Avec une tension de grille accrue au-dessus de 0,5 V, la présence d'ammoniac donne des électrons dans le canal. Maintenant, l'électron étant le porteur majoritaire, sa concentration augmente et donc une augmentation du courant est observée.

( a ) Id-Vgs du dispositif de soie Cur-rGO avec différentes concentrations d'ammoniac. (b) Courbe de concentration à Vgs = 0,6 V. (c) Réponse à l'ammoniac à différentes tensions de grille. (d) Sélectivité du capteur vis-à-vis de l'ammoniac.

La figure 6b représente le changement de courant avec le changement de concentration de NH3 de 10 à 50 ppm. La courbe de concentration est représentée à Vgs = 0,6 V, la meilleure condition de détection. La figure 6c montre la réponse du capteur à l'ammoniac à différentes tensions de grille. Il est évident qu'à 0 V de grille, la réponse est très faible. A tension négative, avec des trous comme porteur majoritaire, la sensibilité augmente, mais pas beaucoup. À une tension de grille positive, en particulier à 0,6 V, les électrons sont les principaux porteurs qui participent à la détection. À cette tension, deux événements améliorent le phénomène de détection : (i) un plus petit nombre d'électrons dans le canal, facilitant une réponse énorme en présence de traces d'ammoniac et (ii) la mobilité de l'électron étant supérieure à celle des trous, facilite un transfert de charge plus rapide. A une concentration de 50 ppm, la réponse vis-à-vis de l'ammoniac est de 23,2 % à 0 V Vgs et de 39,3 % à - 3 V Vgs. Cependant, à Vgs = 0,6 V, il y a une augmentation considérable de la réponse à 634 % pour 50 ppm d'ammoniac. Ce résultat signifie l'essence de l'optimisation de la tension de grille pour augmenter la sensibilité de la couche de détection.

La figure 6d montre le degré élevé de sélectivité de Cur-rGO vis-à-vis des molécules NH3 par rapport à sept autres COV (acétone, toluène, formaldéhyde, éthanol, méthanol, benzène, isopropanol). On observe que le courant diminue avec la diminution de la concentration, en raison du comportement de type n du canal à la tension de grille souhaitée. La figure 7 illustre la répétabilité de Cur-rGO vers 20 ppm de NH3 à un Vgs optimisé de 0,6 V. Le capteur atteint le courant de base après le retrait de la source de gaz. L'absence de dérive de la ligne de base est une bénédiction en termes d'étalonnage de l'appareil.

Répétabilité de l'appareil à 20 ppm.

Le temps de réponse est le temps mis par la réponse du capteur pour atteindre 90 % à partir de 10 % de la valeur maximale. Le temps de récupération est le temps mis par le capteur pour récupérer de 90 à 10 % de la valeur maximale. Le temps de réponse et de récupération de Cur-rGO à une tension de grille positive (0, 6 V) est inférieur à celui d'une polarisation de grille négative (- 3 V) et nulle, comme indiqué sur les Fig. 8a, b. En effet, la mobilité des électrons est supérieure à celle des trous et un nombre optimisé d'électrons dans le canal augmente la sensibilité de Cur-rGO. La nature résistante à l'humidité du dispositif Cur-rGO Silk-FET est très importante pour le développement de détecteurs d'ammoniac très précis. La variation de la réponse avec RH% à Vgs = 0,6 V et Vgs = 0 V est illustrée à la Fig. 8c. On constate que le capteur est insensible aux variations d'humidité. Cela peut être attribué à l'élimination sélective d'autres groupes contenant de l'oxygène (carbonyle, époxy, carboxylique) qui se produisent autrement dans l'oxyde de graphène. La stabilité du dispositif de capteur est expliquée sur la figure 8d, où il est clairement observé que Cur-rGO Silk-FET est très stable même après 40 jours.

(a) Variation du temps de réponse de Cur-rGO avec la tension de grille. (b) Variation du temps de récupération de Cur-rGO avec la tension de grille. ( c ) Comportement résistant à l'humidité de Cur-rGO. (d) stabilité du dispositif pendant 40 jours.

Par conséquent, l'effet de la tension de grille sur l'amélioration des performances de détection de l'ammoniac pour Cur-rGO introduit une nouvelle technique visant à augmenter la sensibilité dans le domaine de la détection de gaz. Les performances de Cur-rGO vis-à-vis de NH3 sont comparées aux travaux antérieurs de la littérature, comme illustré dans le tableau 1. On observe ainsi que Cur-rGO Silk-FET s'avère très efficace pour la détection de NH3 à température ambiante. L'optimisation de la tension de grille pour changer la polarité du canal et la présence de soie comme diélectrique assure un fonctionnement sensible ainsi qu'une faible puissance. La réduction appropriée de l'oxyde de graphène par la curcumine laisse des groupes hydroxyle, ce qui facilite le comportement sélectif de détection d'ammoniac du Cur-rGO Silk FET. Par conséquent, le Cur-rGO Silk FET peut être utilisé dans les futurs systèmes commerciaux de détection de gaz ammoniac à température ambiante et à faible puissance.

De la poudre de graphite, du nitrate de sodium, du permanganate de potassium, de l'acide sulfurique, une solution d'ammoniac, de l'éthanol, du carbonate de sodium, du chlorure de calcium, de l'acide formique et de la curcumine ont été obtenus auprès de Merck India pvt Ltd. et ont été utilisés tout au long de l'expérience sans autre purification. La soie Bombyx Mori disponible dans le commerce a été achetée auprès de M/S Bombyx Mori Silks and Textiles, Srinagar, Inde. Le système de purification Millipore a été utilisé pour préparer de l'eau déminéralisée.

La méthode largement connue de Hummer a été mise en œuvre pour la synthèse de feuilles d'oxyde de graphène (GO) par exfoliation chimique de poudre de graphite. Pour la synthèse de l'oxyde de graphène réduit par la curcumine (Cur-rGO), une solution de curcumine dans l'éthanol a été préparée en ajoutant 5 mg de curcumine à 10 ml d'éthanol. La solution a été agitée pendant une heure pour obtenir une solution jaune homogène. Un bêcher contenant 100 ml de dispersion de GO (1 mg/ml) a été constamment agité et une solution de curcumine a été ajoutée goutte à goutte pour obtenir un mélange homogène. Après agitation pendant 2 h, 20 μL de solution d'ammoniac (27 %) ont été ajoutés pour atteindre un pH de 10. Après une agitation supplémentaire pendant une heure, la solution a été transférée dans un flacon de réactif à bouchon bleu. La solution a ensuite été chauffée à 85 °C dans un four à air chaud pendant 4 h. La solution résultante a été refroidie à température ambiante et soumise à une centrifugation à 2500 tr/min pour éliminer les impuretés indésirables. La solution telle que préparée a été appelée Cur-rGO.

La solution de soie diélectrique a été préparée par une méthode proposée par Sarkar et al.29. Initialement, une substance ressemblant à de la colle (séricine), qui lie les fibroïnes de soie, a été retirée. Les fibroïnes ont ensuite été dissoutes pour former une solution homogène. La séricine a été retirée des fibroïnes de soie en la traitant avec une solution à 0,5 % de carbonate de sodium et d'eau à 110 °C pendant 1,5 h. Dans l'étape suivante, il a été rincé abondamment avec de l'eau DI et séché pendant une nuit. Après l'étape de séchage, la soie dégommée a été dissoute dans une solution comprenant de l'acide formique et du chlorure de calcium (19:1), conduisant à une solution de fibroïne de soie régénérée. La présence de sels inorganiques avec l'acide formique facilite la dissolution de la soie dégommée. Le chlorure de calcium pénètre la structure tandis que l'acide formique permet le gonflement de la soie. La pénétration de ces sels perturbe la liaison hydrogène entre les chaînes protéiques de la fibroïne et la décompose en fibrilles de taille microscopique et finalement en nanofibrilles. La solution a ensuite été coulée sur une boîte de Pétri et séchée à 60°C. Après séchage, le film a été immergé pendant une nuit dans de l'eau DI pour éliminer le chlorure de calcium, car il provoque des effets néfastes sur les propriétés du film mince. Le film peut être dissous et reconstitué directement dans l'acide formique, au fur et à mesure des besoins.

La fabrication du transistor à effet de champ à grille en soie (Silk-FET) a été réalisée sur une tranche de silicium de type p <100> ayant une résistivité de 4 à 20 Ω-cm. Un oxyde thermique de 200 nm (sec-humide-sec) a été développé sur du silicium pour obtenir une isolation adéquate. Le dépôt d'une couche d'aluminium de 50 nm a été réalisé par évaporation thermique, qui a joué le rôle d'électrode de grille. Une couche diélectrique d'une solution de soie à 200 nm a été appliquée par centrifugation sur le film d'aluminium. Les électrodes de source et de drain ont été fabriquées à l'aide d'une pulvérisation CC, une couche adhésive de titane (Ti) de 20 nm a été déposée, suivie de 100 nm d'or (Au) à travers un masque perforé. Un espace interdigital de 200 μm a été obtenu entre les doigts. La largeur des électrodes était de 500 µm. Le matériau de détection (Cur-rGO) a été déposé sur les espaces par une simple technique de coulée en goutte. Le schéma du dispositif Silk-FET fabriqué est illustré à la Fig. 9.

Schéma du capteur Silk-FET avec Cur-rGO comme matériau de canal.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Gardner, JW, Guha, PK & Covington, JA Interfaçage CMOS pour les capteurs de gaz intégrés : une revue. IEEE Sens. J. 10(12), 1833–1848. https://doi.org/10.1109/JSEN.2010.2046409 (2010).

Article ADS CAS Google Scholar

Young, SJ & Zheng-Dong, L. Capteurs de gaz éthanol composés de nanotubes de carbone avec des nanoparticules d'Au adsorbées sur un substrat PI flexible. ECS J. Solid-State Sci. Technol. 6(10), M130. https://doi.org/10.1149/2.0211710jss (2017).

Article CAS Google Scholar

Ram, S. Nanostructures d'oxydes métalliques en tant que dispositifs de détection de gaz. Dans (ed Eranna, G.) (CRC Press, 2011) 316, ISBN 978-1-4398-6340-4, (2013), 1277-1278, https://doi.org/10.1080/10426914.2012.736667.

Sett, A., Dey, S., Guha, PK & Bhattacharyya, hétérostructure TK ZnO/gamma-Fe2O3 vers une détection d'acétone haute performance. IEEE Sens. J. 19(19), 8576–8582. https://doi.org/10.1109/JSEN.2019.2921421 (2019).

Article ADS CAS Google Scholar

Sett, A., Mondal, M. & Bhattacharyya, TK Nanotiges hiérarchiques de ZnO avec des défauts de surface adaptés pour une meilleure détection de l'acétone. IEEE Sens. J. 19(10), 3601–3608. https://doi.org/10.1109/JSEN.2019.2896919 (2019).

Article ADS CAS Google Scholar

Zhou, Y. et al. Nanofeuillets de phosphore noir fonctionnalisés par une amine vers une détection ultrarapide et à température ambiante des traces de dioxyde de carbone. J.Phys. Chim. Lett. 13(41), 9599–9606 (2022).

Article CAS PubMed Google Scholar

Zhao, H. et al. Des nanofeuilles de phosphore noir ont décoré des sphères de ferrite de zinc à plusieurs échelles pour une détection rapide et tolérante à l'humidité de l'acétone respiratoire. IEEE Sens. J. (2022).

Zhou, Y. et al. Hétérojonctions bidimensionnelles phosphore noir/oxyde d'étain pour une détection H2S chimi-résistive haute performance. Anal. Chim. Acta 340825 (2023).

Li, J. et al. Hétérostructures CuO à matrice de nanofibres de cellulose mésoporeuses décorées WS2 pour capteurs de sulfure d'hydrogène chimirésistifs haute performance. Anal. Chim. 94(46), 16160–16170 (2022).

Article CAS PubMed Google Scholar

Qiyuan, H. et al. Transistors à couches minces d'oxyde de graphène transparents, flexibles et entièrement réduits. ACS Nano 5(6), 5038–5044. https://doi.org/10.1021/nn201118c (2011).

Article CAS Google Scholar

Wu, Z. et al. Sensibilité accrue du capteur d'ammoniac à l'aide d'un nanocomposite graphène/polyaniline. Sens. Actionneurs B Chem. 178, 485–493. https://doi.org/10.1016/j.snb.2013.01.014 (2013).

Article CAS Google Scholar

Braissant, O. Toxicité de l'ammoniac pour le cerveau : effets sur le métabolisme de la créatine et le transport et les rôles protecteurs de la créatine. Mol. Genet. Métab. 100, S53–S58. https://doi.org/10.1016/j.ymgme.2010.02.011 (2010).

Article CAS PubMed Google Scholar

Lokesh, K. et al. Détection efficace de l'ammoniac à l'aide de nanofibres hétérostructurées n-ZnO/p-NiO. IEEE Sens. J. 16(8), 2477–2483. https://doi.org/10.1109/JSEN.2016.2517085 (2016).

Article ADS CAS Google Scholar

Jang, W., Yun, J., Kim, H. & Lee, YS Amélioration des propriétés de détection d'ammoniac du polypyrrole par nanocomposite avec des matériaux graphitiques. Polym colloïde. Sci. 291(5), 1095–1103. https://doi.org/10.1007/s00396-012-2832-6 (2013).

Article CAS Google Scholar

Li, Z. et al. Absorption efficace de l'ammoniac avec des liquides ioniques à fonction hydroxyle. RSC Adv. 5(99), 81362–81370. https://doi.org/10.1039/C5RA13730F (2015).

Article ADS CAS Google Scholar

Omidvar, A. & Mohajeri, A. Nanoflakes de graphène fonctionnalisés en tant que capteurs de gaz sélectifs. Sens. Actionneurs B Chem. 202, 622–630. https://doi.org/10.1016/j.snb.2014.05.136 (2014).

Article CAS Google Scholar

Ghosh, R., Midya, A., Santra, S., Ray, SK et Guha, PK Oxyde de graphène chimiquement réduit pour la détection de l'ammoniac à température ambiante. ACS Appl. Mater. Interfaces. 5(15), 7599–7603. https://doi.org/10.1021/am4019109 (2013).

Article CAS PubMed Google Scholar

Ghosh, R. et al. Capteur d'ammoniac flexible à base de graphène multicouche de grande surface très sensible. Sens. Actionneurs B Chem. 205, 67–73. https://doi.org/10.1016/j.snb.2014.08.044 (2014).

Article CAS Google Scholar

Andre, RS, Mercante, LA, Facure, MH, Mattoso, LH & Correa, DS Détection améliorée et sélective de l'ammoniac à l'aide de nanofibres hybrides In2O3/oxyde de graphène réduit. Appl. Le surf. Sci. 473, 133–140. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.12.101 (2019).

Article ADS CAS Google Scholar

Sakthivel, B. & Nammalvar, G. Capteur d'ammoniac sélectif basé sur un nanocomposite d'oxyde de cuivre/oxyde de graphène réduit. J. Alliage. Compd. 788, 422–428. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.02.245 (2019).

Article CAS Google Scholar

Jarmoshti, JA, Nikfarjam, A., Hajghassem, H. & Banihashemian, SM Amélioration de la lumière visible de la détection d'ammoniac à l'aide de nanoparticules d'argent décorées sur de l'oxyde de graphène réduit. Mater. Rés. Express 6(6), 066306 (2019).

Article ADS CAS Google Scholar

Sett, A., Sarkar, L. & Bhattacharyya, TK Amplification de la sensibilité à l'arsenic dans un transistor à effet de champ à oxyde de zinc fonctionnalisé grâce à l'optimisation de l'électrostatique de grille. Appl. Phys. Lett. 121(20), 203509 (2022).

Article ADS CAS Google Scholar

Sett, A., Majumder, S. & Bhattacharyya, TK Capteur de gaz ammoniac à température ambiante flexible basé sur le réglage à basse température des groupes fonctionnels dans le graphème. IEEE Trans. Dispositifs électroniques 68(7), 3181–3188 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Nandi, A., Majumdar, S., Datta, SK, Saha, H. & Hossain, SM Effets optiques et électriques de fines couches réduites d'oxyde de graphène sur des cellules solaires c-Si à base de plaquettes texturées pour des performances améliorées. J. Mater. Chim. C 5(8), 1920-1934 (2017).

Article CAS Google Scholar

Panda, D., Nandi, A., Datta, SK, Saha, H. & Majumdar, S. Détection sélective du gaz de monoxyde de carbone (CO) par l'oxyde de graphène réduit (rGO) à température ambiante. RSC Adv. 6(53), 47337–47348 (2016).

Article ADS CAS Google Scholar

Ray, M. et al. Nanostructures coeur-coquille luminescentes de silicium et d'oxyde de silicium : Nanodots et nanorods. J. Appl. Phys. 107(6), 064311 (2010).

Annonces d'article Google Scholar

Nilsson, J., Neto, AC, Guinée, F. & Peres, RMN Propriétés électroniques des multicouches de graphène. Phys. Rév. Lett. 97(26), 266801 (2006).

Article ADS PubMed Google Scholar

Peng, Y. & Li, J. Adsorption d'ammoniac sur le graphène et l'oxyde de graphène: une étude des premiers principes. Devant. Environ. Sci. Ing. 7(3), 403–411. https://doi.org/10.1007/s11783-013-0491-6 (2013).

Article CAS Google Scholar

Sarkar, L., Yelagala, BP, Singh, SG et Vanjari, SRK L'électrodéposition comme moyen simple de préparer des nanogénérateurs flexibles à base de film de soie ultra-mince piézoélectrique. Int. J. Energy Res. 46(3), 3443–3457 (2022).

Article CAS Google Scholar

Rout, CS, Hegde, M., Govindaraj, A. & Rao, CNR Capteurs d'ammoniac basés sur des nanostructures d'oxydes métalliques. Nanotechnologie 18(20), 205504 (2007).

Annonces d'article Google Scholar

Télécharger les références

Les auteurs tiennent à remercier le laboratoire de microélectronique et MEMS pour avoir fourni toutes les installations expérimentales.

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Avik Sett et Lisa Sarkar.

Département d'électronique et de génie des communications électriques, IIT Kharagpur, Kharagpur, 721302, Bengale occidental, Inde

Avik Sett, Lisa Sarkar et Tarun Kanti Bhattacharyya

École des nanosciences et de la technologie, IIT Kharagpur, Kharagpur, 721302, Bengale occidental, Inde

Santanab Majumder

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

AS a fabriqué le capteur, synthétisé le matériau de détection, rédigé l'article et validé toutes les données expérimentales. LS et SM pris en charge dans la caractérisation des matériaux. TKB a révisé et corrigé le manuscrit tout en fournissant des conseils appropriés. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Tarun Kanti Bhattacharyya.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui autorise l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur tout support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournissez un lien vers la licence Creative Commons et indiquez si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Sett, A., Sarkar, L., Majumder, S. et al. Amplification des performances de détection d'ammoniac grâce à la modulation de porteuse induite par la porte dans Cur-rGO Silk-FET. Sci Rep 13, 8159 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34617-7

Télécharger la citation

Reçu : 09 février 2023

Accepté : 04 mai 2023

Publié: 19 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-34617-7

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.