Ultraviolet Light-Assisted Tembaga Oksida Nanowires Sensor Gas Hidrogen
Abstrak
Kami membuat kawat nano tembaga oksida (CuO NWs) ultraviolet (UV) sensor gas hidrogen dengan bantuan cahaya. Sensor buatan menunjukkan perilaku respons sensor yang menjanjikan terhadap 100 ppm H2 pada suhu kamar dan suhu tinggi pada 100 °C saat terkena sinar UV (3,0 mW/cm
2
). Uji stabilitas perangkat seratus siklus telah dilakukan, dan ditemukan bahwa untuk sampel yang ditinggikan pada 100 °C, sampel yang diaktifkan UV mencapai stabilitas pada siklus pertama dibandingkan dengan sampel tanpa penyinaran UV yang membutuhkan sekitar 10 siklus untuk mencapai stabilitas pada tahap awal, sedangkan sampel yang diuji pada suhu kamar mampu menstabilkan dengan bantuan penyinaran UV. Hal ini menunjukkan bahwa dengan bantuan sinar UV, setelah beberapa waktu "pemanasan", dimungkinkan untuk sensor CuO NW konvensional yang biasanya bekerja pada suhu tinggi untuk berfungsi pada suhu kamar karena sumber UV diperkirakan memainkan peran dominan untuk meningkatkan interaksi permukaan CuO NWs dan molekul gas hidrogen yang diserap setelah paparan cahaya.
Latar Belakang
Dalam perkembangan terakhir, berbagai jenis gas seperti hidrogen, amonia, butana, dan karbon monoksida telah banyak digunakan dalam industri [1,2,3,4,5,6]. Berbagai oksida logam seperti oksida tembaga, oksida timah , dan sensor gas berbasis seng oksida telah dipelajari secara ekstensif karena kelebihannya, misalnya, biaya fabrikasi yang rendah dan sensitivitas yang tinggi terhadap gas berbahaya [7, 8]. Kawat nano tembaga oksida (CuO NW) adalah bahan baru yang cocok untuk sensor gas karena rasio permukaan terhadap volumenya yang tinggi untuk meningkatkan kinerja sensor [9, 10]. Telah dilaporkan bahwa CuO NWs cocok untuk mendeteksi berbagai gas seperti etanol, butana, karbon monoksida, amonia, dan nitrogen oksida [9,10,11]. Umumnya, sensor gas berbasis oksida logam membutuhkan suhu operasi yang tinggi untuk mencapai kinerja penginderaan yang sangat baik. Namun, suhu operasi yang tinggi dapat menyebabkan konsumsi daya yang tinggi. Juga, operasi yang lama pada suhu tinggi memiliki masalah drift yang disebabkan oleh proses sintering dan difusi [12, 13]. Oleh karena itu, mengeksplorasi metode baru tanpa peningkatan sensor gas berbasis oksida logam telah dieksplorasi untuk meminimalkan masalah ini.
Fungsionalisasi permukaan dengan mendekorasi permukaan material dengan nanopartikel untuk meningkatkan sensitivitas dan selektivitas sensor gas terhadap gas berbahaya menggunakan rute kimia telah dilaporkan di tempat lain [14, 15]. Namun, metode ini sangat rumit karena persiapannya melibatkan banyak bahan kimia dan memakan banyak waktu reaksi untuk menyesuaikan ukuran nanopartikel yang diinginkan untuk aplikasi yang dituju [16]. Untuk menghindari komplikasi ini, beberapa peneliti berusaha untuk meningkatkan kinerja sensor gas dengan menggunakan sinar UV untuk membuat pasangan elektron dan lubang fotogenerasi sebagai rute alternatif karena tidak memerlukan persiapan kimia yang rumit dan karenanya efisiensi waktu [17,18,19 ,20]. Selain itu, penggunaan sinar UV dapat menjadi solusi alternatif untuk menghindari pemanasan sensor dan mengakibatkan pengurangan konsumsi daya dan menghindari degradasi sensor akibat suhu tinggi karena sensor gas konvensional memerlukan suhu tinggi untuk beroperasi dan mencapai stabilitas.
Laporan penggunaan sensor indium oksida dan timah dioksida yang disempurnakan dengan UV telah dipelajari oleh Comini et al. [20]. Telah dilaporkan bahwa sinar UV meningkatkan kinerja penginderaan CO dan NO2 sensor gas pada suhu kamar yang meningkatkan reaksi interaksi pada semikonduktor. Selain itu, Comini dkk. juga melaporkan bahwa sinar UV dapat mengurangi efek keracunan dari penginderaan gas yang mengubah sifat listrik cukup ireversibel dengan meningkatkan proses desorpsi [20]. Selain itu, paparan iradiasi UV telah dilaporkan meningkatkan sensitivitas, stabilitas, dan waktu respons sensor gas etanol oleh Gong et al. [21]. Selain itu, sensor gas juga dapat beroperasi pada suhu yang relatif lebih rendah yang mungkin dikaitkan dengan elektron konduksi dalam kawat nano ZnO yang dihasilkan oleh iradiasi UV yang mendorong pengurangan etanol dan karenanya menyebabkan sensitivitas yang lebih tinggi dan waktu respons yang lebih sedikit. Oleh karena itu, penyinaran sinar UV adalah salah satu metode yang cocok untuk meningkatkan kinerja sensor gas.
Sepengetahuan kami, pengaruh sinar UV terhadap gas hidrogen (H2 ) sifat penginderaan CuO NWs belum dilaporkan. Oleh karena itu, penelitian kami berfokus pada efek sinar UV teraktivasi terhadap sifat penginderaan gas hidrogen CuO NWs pada suhu kamar dan 100 °C. CuO NW ditumbuhkan dengan menggunakan metode oksidasi termal karena teknik ini menunjukkan kristalinitas yang lebih tinggi dan rasio aspek yang lebih panjang dibandingkan dengan metode lain yang dilaporkan seperti rute berbasis larutan.
Hasil dan Diskusi
Morfologi CuO NWs tumbuh ditunjukkan pada Gambar. 1a. Gambar menunjukkan bahwa sebagian besar NW cukup sejajar dan tegak lurus dengan permukaan substrat. Sementara itu, Gambar 1b menunjukkan gambar TEM dari CuO NWs yang sangat kristalin yang diperoleh. Gambar sisipan menunjukkan bahwa diameter CuO NW adalah 120 nm. Pola XRD pada Gbr. 1c cocok dengan kartu database:JCP2:00-045-0937 untuk CuO dan JCP2:00-005-0667 untuk Cu2 O. Hal ini menunjukkan bahwa CuO NWs yang disintesis memiliki struktur monoklinik. Gambar 1d menunjukkan karakteristik IV CuO NWs pada elektroda Pt dengan perilaku Ohmik karena Pt memiliki fungsi kerja yang lebih tinggi (6,35 eV) dibandingkan dengan CuO (5,2 eV). Ini sesuai dengan fakta bahwa perilaku Ohmik diperoleh ketika semikonduktor tipe-p bersentuhan dengan material dengan fungsi kerja yang lebih tinggi [22]. Tabel 1 menunjukkan respons sensor dan stabilitas sensor gas hidrogen dengan dan tanpa kehadiran UV pada dua suhu yang berbeda (suhu kamar dan 100 °C). Respons sensor didefinisikan sebagai S = \( \frac{I_g-{I}_a}{I_a}\times 100\% \), di mana Sayag adalah aliran arus setelah sampel terkena gas dan Ia adalah arus awal sebelum terkena gas [23, 24].
a Gambar FESEM dari CuO NWs yang tumbuh. b Gambar TEM dari CuO. c Profil difraksi sinar-X dari kawat nano CuO. d Karakteristik IV CuO dan Pt
Gambar 2 dan 3 menunjukkan respons gas dalam gelap dan di bawah iluminasi UV masing-masing pada 100 °C. Hasilnya menunjukkan bahwa respon dari sensor gas stabil. Selama suhu operasi pada 100 °C, konsentrasi elektron untuk reaksi penginderaan meningkat karena energi panas yang cukup pada suhu yang lebih tinggi untuk mengatasi penghalang potensial [25]. Memperkenalkan sinar UV 365 nm telah secara signifikan meningkatkan stabilitas penginderaan sensor CuO NW pada tahap awal siklus penginderaan. Sampel teraktivasi UV dapat mencapai stabilitas pada siklus pertama, dibandingkan dengan sampel tanpa penyinaran UV yang membutuhkan sekitar 10 siklus untuk mencapai stabilitas pada tahap awal. Selanjutnya, respon sensor sensor gas meningkat dengan penyinaran sinar UV (~ 4.6%) dibandingkan tanpa penyinaran sinar UV (~ 4.3%) seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Oleh karena itu, hasil menunjukkan bahwa LED daya rendah dapat meningkatkan respon sensor. dengan suhu yang sama tanpa peningkatan suhu pemanasan yang dapat menyebabkan lebih banyak kehilangan daya.
Perilaku pendeteksian gas hidrogen dalam kegelapan pada 100
°
C. a Poin maksimum dan minimum untuk 100 siklus. b Respon sensor CuO NWs terhadap gas hidrogen
Perilaku sensor gas hidrogen untuk sensor yang diaktifkan UV yang bekerja pada 100
°
C. a Poin maksimum dan minimum untuk 100 siklus. b Respon sensor CuO NWs terhadap gas hidrogen
Gambar 4 dan 5 menunjukkan respons gas dalam gelap dan di bawah iluminasi UV pada suhu kamar. Gambar 5 menunjukkan bahwa stabilitas sensor gas cukup baik pada suhu kamar dengan bantuan sinar UV setelah beberapa waktu. Sensor mulai stabil sekitar 9000 dtk. Gambar 5b menunjukkan grafik yang diperbesar dari 9000 hingga 9500 dtk. Peningkatan respon sensor diamati dari 0,0041 menjadi 0,0527% tanpa dan dengan bantuan sinar UV. Dibandingkan dengan Gambar 4 tanpa penyinaran UV pada suhu kamar, tidak ada tanda stabilisasi hingga akhir pengujian (12.000 detik). Sensor dengan paparan sinar UV diperlukan sekitar 2,5 jam untuk "pemanasan" dan kemudian dapat bekerja dalam kondisi stabil setelah itu. Dibandingkan dengan sensor tanpa bantuan UV, konduktivitasnya terus berkurang dan responsnya tidak stabil. Ini mungkin karena efek memori dan keracunan sensor yang biasanya terjadi pada suhu kamar [26, 27]. Hasilnya menunjukkan bahwa sensor berpotensi beroperasi pada suhu ruangan dengan bantuan UV tanpa menggunakan elemen pemanas yang haus daya.
Perilaku penginderaan gas hidrogen dalam gelap pada suhu kamar. a Poin maksimum dan minimum untuk 100 siklus. b Respon sensor CuO NWs terhadap gas hidrogen
Perilaku penginderaan gas hidrogen untuk sensor yang diaktifkan UV pada suhu kamar. a Poin maksimum dan minimum untuk 100 siklus. b Respon sensor CuO NWs terhadap gas hidrogen
Mekanisme penginderaan sensor gas hidrogen tanpa penyinaran sinar UV dijelaskan di bawah ini. Gas hidrogen berinteraksi dengan CuO NWs melalui ion oksigen pra-teradsorpsi pada permukaan CuO NWs ketika CuO NWs terkena hidrogen seperti yang dijelaskan dalam Persamaan. (1) dan (2). Elektron bebas dilepaskan ke CuO NWs karena reaksi antara H2 molekul dan ion oksigen pra-teradsorpsi dan bergabung kembali dengan lubang di CuO NWs [Persamaan. (3)]. Proses ini mengakibatkan penurunan konsentrasi lubang di kawat nano dan peningkatan resistensi [28].
Setelah penyinaran sinar UV, pasangan elektron dan lubang fotogenerasi dibuat. Ketika sensor gas terkena sinar UV, lubang fotogenerasi berkontribusi dalam proses konduksi; sementara itu, elektron fotogenerasi bermigrasi ke permukaan [29]. Oleh karena itu, lebih banyak elektron tersedia untuk kemisorpsi O2 . Selanjutnya, sinar UV mempengaruhi proses kemisorpsi dan desorpsi dengan mengubah keadaan energi H2 gas pada permukaan CuO NW [30, 31]. Seluruh proses mempercepat interaksi antara permukaan CuO NWs dan H2 gas dan meningkatkan reaksi.
Kesimpulan
Sebagai kesimpulan, CuO NWs telah berhasil ditumbuhkan dengan menggunakan metode oksidasi termal yang murah, sederhana, dan metode non-katalis. Sensor gas hidrogen dengan bantuan sinar UV telah berhasil dibuat. Peran dominan sinar UV adalah untuk meningkatkan sifat penginderaan gas untuk suhu kamar dan 100 °C. Stabilitas sensor gas sangat baik pada 100 °C di mana ia berada dalam suhu operasi yang tinggi. Dengan penyinaran sinar UV, sensor dapat mencapai stabilitas pada siklus pertama dibandingkan dengan sensor tanpa sinar UV yang membutuhkan sekitar 10 siklus untuk mencapai stabilitas pada tahap awal. Respon sensor juga meningkat dengan bantuan sinar UV. Oleh karena itu, kita tidak diharuskan untuk menggunakan suhu operasi yang lebih tinggi yang mengkonsumsi daya tinggi. Selain itu, kami menemukan bahwa sensor dengan penyinaran sinar UV memiliki potensi besar untuk beroperasi pada suhu rendah (suhu kamar) yang dapat mengurangi konsumsi daya yang hilang. Stabilitas dan respons sensor meningkat dengan bantuan sinar UV.
Metode/Eksperimental
Chip elektroda Cr/Pt dibuat melalui proses fotolitografi. Lapisan oksida termal (150 nm) ditumbuhkan pada substrat silikon sebagai lapisan penyekat di bawah aliran oksigen 1500 sccm pada 1000 °C selama 3 jam. Kemudian, substrat dilapisi spin dengan photoresist positif setebal 1 μm (Futurrex PR1-1000A) pada 3000 rpm selama 40 detik. Proses soft-baked dilakukan sebelum paparan UV pada suhu 120 °C selama 120 detik. Selanjutnya, chrome photomask dengan pola elektroda interdigitated dipindahkan ke sampel dengan paparan sinar ultraviolet (356 nm) di bawah intensitas 2,41 mW/cm
2
dengan waktu pemaparan 50 detik. Elektroda kontak Cr/Pt (10 nm/150 nm) diendapkan pada sampel menggunakan sistem sputtering magnetron NanoFilm dan sputter coater Baltec SCD 005 pada 2.0 × 10
− 5
Torr masing-masing. Proses pengangkatan telah dilakukan untuk mencapai pola elektroda yang diharapkan.
Dalam percobaan ini, CuO NWs ditumbuhkan pada foil tembaga dengan menggunakan proses oksidasi termal. Proses pertumbuhan ini memakan waktu 6 jam dengan aliran gas 1500 sccm pada 600 °C di lingkungan oksigen. CuO NWs yang tumbuh dicirikan oleh mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (FESEM) Carl Zeiss Supra 55 VP, mikroskop elektron transmisi (TEM) JOEL JEM-2010, dan difraksi sinar-X (XRD) Bruker D8 Advance. Kemudian, sensor gas dibuat menggunakan CuO NWs yang ditanam secara termal. Lapisan CuO NWs dan Cu2 Lapisan tipis O dipindahkan di atas elektroda platina dengan lapisan Cu2 O menghadap di atas dan CuO NWs menghadap elektroda IDT seperti yang digambarkan oleh sisipan pada Gambar. 6. Lapisan aktif dibentuk oleh Cu2 O dan CuO NWs; namun, respons penginderaan terutama disebabkan oleh CuO NWs daripada Cu2 O film tipis karena aspek rasio permukaan terhadap volume yang lebih tinggi dari kawat nano. Di sini, lapisan Cu2 O terbentuk secara tidak langsung selama proses oksidasi dan anil suhu tinggi. Setelah itu dilakukan proses annealing pada suhu 400 °C selama 20 menit di N2 ambient untuk meningkatkan kontak antara CuO NWs dan elektroda interdigitated. Desain struktur perangkat secara keseluruhan diilustrasikan pada Gambar. 6.
Struktur perangkat 3D dari sensor gas
Selanjutnya, sensor ditempatkan di ruang selama proses penginderaan diikuti oleh pengontrol aliran massa yang mengontrol aliran hidrogen 100 ppm (H2 ) gas dan udara murni yang dibeli dari Air Products ke dalam chamber selama 100 siklus pada suhu kamar dan 100 °C dengan dan tanpa paparan 3 mW/cm
2
intensitas UV. Sumber UV dihasilkan oleh panjang gelombang 365 nm, 3,8 V dan 2 mW LED yang dibeli dari VioLed International Inc. dengan nomor seri 370-5C90. Respon saat ini dipantau oleh dua pengukuran probe yang ditempatkan pada perangkat sensor dengan sistem akuisisi data. Karakteristik arus-tegangan (I-V) kemudian diukur dengan menyapu tegangan yang diberikan dari 3 ke 3 V dalam lingkungan gelap pada suhu kamar dengan menggunakan sumber daya Keithley 2400. Pengukuran respons penginderaan yang sama dilakukan pada 100 °C di atas tahap pemanasan (ATV Technologie Gmbh, TR-120 D). Siklus penginderaan lengkap akan dilakukan dalam urutan udara-H2 -udara pada laju aliran konstan 50 sccm.
