Kawat Nano Berlapis Grafena Oksida Tereduksi untuk Deteksi Formaldehid Dalam Ruangan yang Sangat Sensitif dan Selektif
Abstrak
Meskipun perkembangan signifikan telah dibuat dalam pemantauan formaldehida konsentrasi rendah di udara dalam ruangan dengan menggunakan sensor gas, mereka masih mengalami kinerja yang tidak memadai untuk mencapai deteksi tingkat ppb. Dalam karya ini, <100> kawat nano Si (SiNWs) berorientasi <100> dengan luas permukaan spesifik tinggi disiapkan melalui metode etsa kimia berbantuan logam (MACE), dan kemudian dilapisi secara seragam dengan graphene oxide (GO) diikuti oleh proses reduktif berikutnya di H 2 /Ar atmosfer pada 800 °C untuk mendapatkan graphene oxide (RGO) tereduksi. Lapisan RGO (RGO@n-SiNWs) jelas meningkatkan sensitivitas SiNWs terhadap formaldehida konsentrasi rendah, diuntungkan dari peningkatan luas permukaan spesifik, efek sensitisasi RGO, dan pembentukan p-n junction antara SiNWs dan RGO. Secara khusus, RGO@n-SiNWs menunjukkan respons tinggi formaldehida 6,4 hingga 10 ppm pada 300 °C, yang sekitar 2,6 kali lebih tinggi daripada SiNW murni (~ 2,5). Selanjutnya, RGO@n-SiNWs menunjukkan respons tinggi formaldehida 2,4 hingga 0,1 ppm yang merupakan konsentrasi permisif terbesar di udara dalam ruangan, batas deteksi rendah 35 ppb yang diperoleh dengan pemasangan non-linear, dan waktu respons/pemulihan cepat 30 dan 10 s. Sementara itu, sensor juga menunjukkan selektivitas tinggi terhadap gas pengganggu lainnya seperti etanol, aseton, amonia, metanol, xilena, dan toluena, dan menunjukkan stabilitas tinggi selama periode pengukuran 6 hari. Hasil ini memungkinkan deteksi formaldehida konsentrasi rendah yang sangat sensitif, selektif, dan stabil untuk menjamin keamanan lingkungan dalam ruangan.
Pengantar
Saat ini, sebagai salah satu senyawa organik volatil beracun (VOC) di lingkungan rumah yang baru dibangun, formaldehida (HCHO) sangat mengancam kesehatan manusia [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 ,12], yang dianggap sebagai salah satu sumber utama sindrom bangunan sakit (SBS) [13, 14], dan karsinogen oleh Badan Internasional untuk Penelitian Kanker (IAIC) [2]. Oleh karena itu, beberapa standar telah ditetapkan untuk menghindari risiko yang disebabkan oleh polusi udara dalam ruangan. Dalam literatur, batas atas konsentrasi formaldehida yang ditetapkan oleh National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) adalah 0,1 ppm di ruang tamu dan 1 ppm di bengkel produksi industri [2]. Sementara itu, Organisasi Kesehatan Dunia (WHO) juga menetapkan standar aman 0,08 ppm rata-rata selama 30 menit untuk paparan jangka panjang dalam uap formaldehida [15]. Oleh karena itu, keberhasilan deteksi HCHO konsentrasi rendah membuat langkah besar untuk memastikan keamanan lingkungan hidup.
Meskipun banyak skema telah dikembangkan untuk mendeteksi HCHO konsentrasi rendah, termasuk kromatografi cair (LC) [16, 17], spektroskopi [9], dll., teknik ini memiliki keterbatasan untuk penggunaan portabel dan pemantauan waktu nyata karena ukurannya yang besar. dan proses analisis yang rumit [18]. Saat ini, sensor gas berdasarkan struktur nano semikonduktor (mis., In2 O3 [19, 20], Cr2 O3 [20], SnO2 [21,22,23]) banyak digunakan dalam mendeteksi HCHO konsentrasi rendah, karena sensitivitasnya yang tinggi, respons yang cepat, dan stabilitas kimia yang sangat baik [2, 10, 19, 24,25,26,27,28, 29,30,31,32]. Sensor ini berdasarkan struktur nano semikonduktor menawarkan keuntungan yang signifikan dibandingkan dengan LC dan spektroskopi, seperti miniaturisasi yang mudah untuk penggunaan portabel, biaya rendah, dan deteksi in-situ. Namun, respon mereka terhadap HCHO perlu lebih ditingkatkan pada level ppb meskipun sudah baik pada level ppm. Misalnya, Chen dkk. melaporkan Ga-doped Dalam2 O3 sensor nanofiber yang menunjukkan respons tinggi (didefinisikan sebagai Ra /Rg , di mana Ra dan Rg adalah resistansi sensor di udara dan dalam HCHO) dari 52,4 hingga 100 ppm HCHO, sedangkan < 1,5 hingga 0,1 ppm, yang perlu ditingkatkan untuk memenuhi persyaratan respons dari batasan pemanfaatan praktis Ra /Rg = 2 [19]. Oleh karena itu, sangat penting untuk menemukan rute yang efisien untuk meningkatkan sensitivitas untuk mencapai batasan deteksi yang aman. Kawat nano silikon (Si NWs) telah dipilih sebagai salah satu bahan semikonduktor untuk digunakan dalam sensor kimia. Misalnya, biosensor berdasarkan transistor efek medan Si NW yang dimodifikasi secara kimia telah dilaporkan dan menunjukkan sensitivitas dan selektivitas yang unggul terhadap protein [33]. Namun, pembuatan sensor ini membutuhkan biaya tinggi dan proses yang rumit karena sensitivitasnya harus ditingkatkan dengan efek yang diajukan.
Baru-baru ini, penggabungan graphene dengan sensor gas semikonduktor berstruktur nano menjadi pendekatan yang menjanjikan untuk meningkatkan sensitivitas, karena luas permukaan spesifik yang tinggi dan sensitivitas yang luar biasa terhadap gas [34]. Dibandingkan dengan efek sensitisasi dari logam mulia konvensional (misalnya, Pt, Pd, dan nanopartikel Au) [35,36,37], strategi ini tidak hanya memiliki keunggulan biaya rendah dan efisiensi tinggi tetapi juga memperbesar luas permukaan dan meningkatkan transpor elektron. Misalnya, tereduksi graphene oxide (RGO)-SnO2 [18], RGO-Cu2 O [38], graphene-SnO2 [39] telah menunjukkan peningkatan yang sangat baik dari sensitivitas gas. Namun, banyak laporan menempatkan struktur nano semikonduktor pada permukaan RGO atau graphene untuk membentuk kontak sederhana, di mana area kontak yang efisien terlalu terbatas untuk mencapai sensitivitas yang maksimal. Oleh karena itu, penting untuk mencari strategi yang efisien dan layak untuk mewujudkan struktur inti-kulit berdasarkan RGO dan semikonduktor.
Dalam karya ini, deteksi HCHO konsentrasi rendah yang sangat sensitif dan selektif dicapai dengan struktur cangkang inti kawat nano silikon berlapis RGO (SiNWs), dengan peningkatan luas permukaan spesifik dua kali lebih besar dari SiNW. Secara khusus, respons pengurangan kawat nano silikon tipe-n berlapis graphene oxide (RGO@n-SiNWs) meningkat sekitar 2,6× menuju 10 ppm HCHO (~ 6.4) dibandingkan dengan SiNW murni (~ 2.5) pada suhu operasi terbaik 300 °C, yang dikaitkan dengan efek sensitisasi yang sangat baik dari RGO. Sensor buatan pabrik dapat mencapai batasan deteksi aplikasi superior serendah 35 ppb, dan waktu respons/pemulihan secepat 30/10 dtk. Selain peningkatan sensitivitas, selektivitasnya tinggi dibandingkan gas pengganggu biasa (misalnya, etanol, aseton, amonia, metanol, xilena, dan toluena) dan stabilitasnya baik dalam periode 6 hari. Semua hasil membuat langkah signifikan menuju penggunaan kawat nano silikon berlapis graphene oxide (RGO@SiNWs) tereduksi untuk deteksi HCHO konsentrasi rendah di lingkungan dalam ruangan.
Bahan dan Metode
Fabrikasi Array SiNWs
n (100) dan p (100) wafer silikon (0,005–0,02 Ωcm dan 0,001–0,005 Ωcm) digunakan sebagai wafer awal (3,0 cm × 3,0 cm). Sebelum proses etsa, wafer Si dibersihkan dalam aseton selama 10 menit, etanol selama 10 menit, dan air deionisasi (DI) secara bergantian selama 10 menit. Wafer awal yang dibersihkan direndam dalam larutan oksidan yang mengandung H2 JADI4 (97%, Sigma-Aldrich) dan H2 O2 (35%, PP 30 wt.% di H2 O, Aldrich) dalam rasio volume 3:1 selama 30 menit untuk menghilangkan kontaminan organik di permukaan. Setelah tahap pembersihan, sampel kemudian direndam ke dalam larutan HF 5% selama 8 menit pada suhu kamar untuk melarutkan lapisan oksida tipis yang terbentuk di permukaan dan dengan demikian permukaan Si yang baru dihentikan dengan H. Selanjutnya, wafer Si yang telah dibersihkan segera dipindahkan ke dalam larutan pelapis Ag yang mengandung 0,005 M AgNO3 (99,99%, Aladdin) dan 4,8 M HF (Aladdin, GR 40%), yang diaduk perlahan selama 1 menit pada suhu kamar (~25
o
C). Setelah lapisan seragam nanopartikel Ag (AgNPs) diendapkan pada permukaan, wafer berlapis AgNP dicuci dengan air deionisasi untuk menghilangkan Ag
+
tambahan. ion. Kemudian, wafer digores dalam larutan etsa (H2 O2 = 0 .4 M dan HF = 4 .8 M) selama 30 mnt pada suhu kamar dalam gelap. Terakhir, sampel dicelupkan ke dalam larutan HNO3 (70%, Sigma-Aldrich) untuk melarutkan katalis Ag, kemudian dibilas dengan air deionisasi beberapa kali untuk menghilangkan lapisan residu. SiNW yang dibuat secara perlahan digores dengan pisau tajam.
SiNW Difungsikan dengan RGO
Dispersi graphene oxide (GO) disintesis dengan metode Hummer yang dimodifikasi [40], dan kemudian didispersikan secara ultrasonik dalam 60 mL air DI selama 3 jam untuk menyiapkan larutan GO (30 mg). Dalam sintesis tipikal, SiNW yang diperoleh (0,2 g) pertama-tama didispersikan dalam campuran air DI (10 mL) dan etanol (30 mL), kemudian etilendiamin (400 L) ditambahkan tetes demi tetes. Setelah perlakuan ultrasonik selama 20 menit, larutan GO 20 mL ditambahkan ke larutan di atas dan terus diaduk dengan kuat. Selanjutnya, produk dikumpulkan dengan sentrifugasi dan dicuci dengan etanol beberapa kali, kemudian dikeringkan pada suhu 60 °C untuk mendapatkan GO@SiNWs. Akhirnya, GO@SiNWs berkurang di H2 /Ar atmosfer pada 800 °C (2 °C min
−1
) untuk mendapatkan RGO@SiNWs.
Karakterisasi SiNW dan RGO@SiNW
Morfologi SiNWs dan RGO@SiNWs diamati dengan memindai mikroskop elektron (SEM, JSM-7001F+INCA X-MAX) dan mikroskop elektron transmisi (TEM, JEM-2100F). Selain itu, struktur kristal dipelajari dengan difraksi sinar-X (XRD, X'Pert PRO MPD). Selain itu, untuk menganalisis luas permukaan dan distribusi ukuran pori, isoterm penyerapan-desorpsi nitrogen dilakukan pada area tertentu dan penganalisis ukuran pori (SSA-7300, BUILDER) dengan metode Brunauer–Emmett–Teller (BET) dan Model Barett–Joyner–Halenda (BJH), masing-masing. Untuk konfirmasi keberadaan RGO, spektrum Raman dilakukan oleh spektrometer Raman (Thermo Scientific DXR2). Selain itu, analisis unsur dilakukan dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS, ESCALAB 250, radiasi Al Kα).
Fabrikasi dan Pengukuran Perangkat
RGO@SiNWs yang disiapkan (~ 5 mg) dicampur dengan etanol (~ 100 μL), dan didispersikan secara merata dengan ultrasonik. Larutan terdispersi dilapisi ke piring keramik dengan kabel Pt (yaitu, pemanas dan pengukur), dan berumur di bawah tegangan 5 V selama 3 hari di udara. Akhirnya, perangkat yang disiapkan diukur dalam penganalisis sensor gas (Winsen WS-30A, Cina). Formaldehida diproduksi dengan cara menguapkan larutan formaldehida (40% berat) pada tempat pemanas di dalam chamber. Etanol, aseton, amonia, metanol, xilena, dan toluena masing-masing diproduksi oleh etanol cair murni, aseton, amonia, metanol, xilena, dan toluena. Tanggapan didefinisikan sebagai Ra /Rg , di mana Ra dan Rg adalah hambatan sensor di udara murni dan dalam gas formaldehida. Waktu Respons/Pemulihan didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan untuk mengubah hingga 90% dari total respons.
Hasil dan Diskusi
Untuk mempelajari morfologi dan struktur mikro, SEM dan TEM dilakukan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar 1a menampilkan gambar SEM tampilan atas skala besar dari SiNW yang disiapkan, menunjukkan permukaan yang seragam dan kumpulan SiNW yang terkumpul karena tarik elektrostatik antara SiNWs [41, 42]. Terdapat pori-pori besar penuh dengan ukuran 2~15 m di permukaan seperti yang diamati pada SEM yang diperbesar pada Gambar 1b. Seperti yang digambarkan dalam gambar SEM penampang dari n- dan p-SiNWs pada Gambar. 1c, d, NW yang tergores semuanya tegak lurus dengan substrat halus, membuktikan orientasi <100> yang sama dengan wafer awal. Selain itu, panjangnya serupa ~ 24 μm, diameter 100~300 nm, dan kerapatan sekitar 10
10
cm
−2
[41] ditunjukkan dengan jelas, yang menunjukkan tidak ada perbedaan antara <100> berorientasi n- dan p-SiNWs. SiNW n- dan p- yang tergores diamati di File tambahan 1:Gambar S1a dan b, yang mencerminkan tidak ada perubahan morfologi setelah skrip. Untuk mengonfirmasi diameter dan orientasi lebih lanjut, gambar TEM dari n- dan p-SiNW tunggal menampilkan diameter 210 nm (Gbr. 1e) dan 200 nm (File tambahan 1:Gambar S2a). Gambar 1f dan File tambahan 1:Gambar S2b adalah gambar TEM (HRTEM) resolusi tinggi bersama dengan Fast Fourier Transfer (FFT), mengukur struktur kristal tunggal dan orientasi kristal <100> dengan jarak (200) 0,27 nm. Mekanisme yang mendasari fabrikasi SiNWs menggunakan metode metal-assisted chemical etching (MACE) adalah serangkaian reaksi redoks sederhana dengan bantuan katalis Ag, yang dapat dijelaskan secara singkat oleh Persamaan. 1 dan Persamaan. 2.
a Tampilan atas, b tampilan atas yang diperbesar, dan c gambar SEM penampang n-SiNWs. d Gambar SEM penampang p-SiNWs. e Gambar TEM dari n-SiNWs. f Gambar HRTEM dari n-SiNWs bersama dengan FFT yang sesuai. g Gambar SEM dari RGO@n-SiNWs dengan pengobatan HF. h Gambar SEM yang diperbesar dari RGO@n-SiNWs dengan pengobatan HF
Selama proses ini, nanopartikel Ag secara langsung menangkap elektron dari Si karena elektronegativitas Ag yang lebih tinggi dibandingkan dengan Si, menciptakan daerah yang kaya lubang di sekitar nanopartikel Ag. Kemudian, H2 O2 direduksi oleh nanopartikel Ag dan Si dioksidasi menjadi SiO2 , yang dilarutkan dengan cepat oleh larutan HF [43].
Selanjutnya, SiNW yang terukir difungsikan oleh RGO. Gambar 1g adalah gambar SEM dari RGO@n-SiNWs dan Gambar 1h adalah gambar SEM yang diperbesar dari RGO@n-SiNWs, yang membuktikan bahwa RGO dibungkus secara kompak dan seragam pada permukaan NWs. Akan ada pembentukan p-n junction antara RGO dan SiNWs, yang penting untuk peningkatan sensitivitas sensor yang dibahas di bagian berikut.
Untuk menjelaskan komponen dan kristalinitas, pola difraksi sinar-X (XRD) dilakukan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a. Untuk n- dan p-SiNW, puncak utama terletak pada 28,4°, 47,3°, 56,1°, 69,1°, 76,4°, dan 88,0°, sesuai dengan (111), (200), (400), (331), dan (422) bidang struktur silikon kubik (JCPDS No. 27-1402), masing-masing. Tidak ada puncak pengotor yang diamati, menunjukkan kemurnian sampel. Pola XRD dari RGO@n-SiNWs juga menunjukkan puncak yang sama. Jelas, ditemukan bahwa intensitas puncak RGO@n-SiNWs menurun dengan jelas, yang dikaitkan dengan keberadaan RGO amorf luar. Untuk memastikan bahwa GO sepenuhnya direduksi menjadi RGO, spektrum XRD yang diperbesar dari 10° hingga 25° ditunjukkan pada Gambar. 2b, yang menunjukkan puncak RGO@n-SiNWs yang terletak di sekitar 22°, yang berkontribusi pada pengurangan GO ke RGO [44].
a Pola XRD dari n-/p-SiNWs dan RGO@n-SiNWs. b Pola XRD yang diperbesar dari 10 hingga 25 derajat
Dalam upaya untuk menyelidiki sensitivitas RGO@SiNWs terhadap HCHO dan suhu operasi perangkat yang optimal, banyak perangkat berdasarkan SiNWs dan RGO@SiNWs diuji pada berbagai suhu. Seperti yang ditampilkan pada Gambar. 3a, b, respons n-SiNWs murni lebih tinggi daripada p-SiNWs. Semua perangkat berdasarkan n-SiNWs dan RGO@n-SiNWs menunjukkan respons tertinggi 2,5 dan 6,4 hingga 10 ppm pada 300 °C. Untuk mengevaluasi respons dinamis terhadap berbagai konsentrasi gas berdasarkan n-SiNWs dan RGO@n-SiNWs dalam waktu singkat, uji dinamis terhadap HCHO dari 0,1 hingga 10 ppm pada 300 °C dilakukan seperti yang ditampilkan pada Gambar 3c. Jelas diamati bahwa respons n-SiNWs meningkat secara luar biasa dengan membungkus RGO. Sementara itu, perangkat berbasis RGO@n-SiNWs memiliki respons yang luar biasa sebesar 2,4 bahkan pada konsentrasi rendah 0,1 ppm, benar-benar memenuhi kriteria HCHO. Seperti yang digambarkan dalam pemasangan non-linier pada Gambar. 3d, batasan aplikasi (Ra /Rg = 2) diperoleh menjadi 35 ppb, menunjukkan konsentrasi terdeteksi yang sangat rendah.
a Respons n-/p-SiNWs, RGO/n- dan RGO@p-SiNWs terhadap 10 ppm HCHO pada 300 °C. b Respons n-SiNWs dan RGO@n-SiNWs terhadap 10 ppm HCHO pada berbagai suhu. c Respon dinamis n-SiNWs dan RGO@n-SiNWs dari 0,1 hingga 10 ppm HCHO. d Pemasangan non-linier dari respons RGO@n-SiNWs pada berbagai konsentrasi HCHO
Kecepatan respons dan selektivitas selalu menjadi parameter penting untuk aplikasi praktis perangkat yang disiapkan. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 4a, baik n-SiNWs dan RGO@n-SiNWs menunjukkan waktu respons yang sangat singkat (masing-masing 11 dan 13), menunjukkan respons yang relatif cepat. Dengan tujuan untuk mengevaluasi selektivitas sensor RGO@n-SiNWs yang telah disiapkan, enam VOC tipikal lainnya (yaitu, etanol, aseton, amonia, metanol, xilena, dan toluena) digunakan untuk memeriksa selektivitas sensor, dan hasil pengukuran ditunjukkan pada Gambar. 4b, menunjukkan gangguan terbatas pada deteksi HCHO. Selektivitas tinggi terhadap HCHO dihasilkan oleh reducibility HCHO yang lebih tinggi daripada aseton, etanol, metanol, toluena, dan xilena, seperti yang diselidiki dalam laporan sebelumnya [45,46,47]. Dengan demikian, HCHO lebih mudah dioksidasi oleh RGO@n-SiNWs, menyebabkan penurunan resistensi yang besar. Selain itu, dicatat bahwa hampir tidak ada respon terhadap amonia untuk sensor Si [48], karena tidak mudah teroksidasi oleh Si. Selain selektivitas, stabilitas juga merupakan tantangan penting dalam bidang deteksi HCHO. Seperti yang diselidiki pada Gambar. 5, respons sensor RGO@n-SiNWs yang dioperasikan pada 300 °C sedikit berubah (< 5%) dari 6,4 menjadi 6,1 setelah 6 hari, yang menunjukkan stabilitas udara yang sangat baik.
a Waktu respons dan pemulihan n-SiNWs dan RGO@n-SiNWs hingga 0,1 ppm HCHO. b Respons n-SiNWs dan RGO@n-SiNWs untuk tujuh jenis VOC umum (10 ppm) pada 300 °C
Uji stabilitas n-SiNWs dan RGO@n-SiNWs untuk 0,1 ppm dan 10 ppm
Rasio volume permukaan (luas permukaan spesifik) sangat penting untuk mempengaruhi sensitivitas gas. Seperti yang dipelajari dalam isoterm adsorpsi-desorpsi nitrogen pada Gambar. 6a, luas permukaan meningkat dari 37,3 m
2
g
−1
dari n-SiNW hingga 74,5 m
2
g
−1
dari RGO@n-SiNWs, yang berasal dari luas permukaan RGO yang besar. Permukaan spesifik yang diperbesar terikat untuk meningkatkan area kontak efektif antara gas dan sampel yang ditargetkan, sehingga lebih meningkatkan sensitivitas gas. Seperti yang disajikan dalam spektrum Raman (Gbr. 6b), puncak korelatif Si ditampilkan pada 500 dan 912 cm
−1
diamati di RGO@n-SiNWs, menunjukkan adanya ikatan Si-Si [49]. Selain itu, puncaknya pada 1390 dan 1590 cm
−1
ditugaskan ke puncak D- dan G-band dari fase karbon karena sp2 yang tidak teratur dan teratur karbon terikat, masing-masing [49], yang dapat menyimpulkan adanya oksida graphene tereduksi. Umumnya, ID /AkuG (rasio intensitas pita D dan G) dianggap sebagai parameter terpenting untuk mengevaluasi derajat grafitisasi bahan berkarbon [49]. AkuD /AkuG dihitung menjadi 0,72 untuk RGO@n-SiNWs dari Gambar. 6b, yang menunjukkan tingkat karbon yang tinggi dari RGO@n-SiNWs.
a Isoterm adsorpsi nitrogen khas n-SiNWs dan RGO@n-SiNWs. b Pergeseran Raman dari n-SiNWs dan RGO@n-SiNWs, dan puncak Si-Si yang diperbesar seperti yang ditunjukkan pada inset
Selain itu, komposisi kimia komposit RGO-SiNWs dan SiNW murni dievaluasi dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS). Seperti yang diamati pada XPS resolusi tinggi di sekitar puncak Si 2p pada Gambar. 7a, intensitas puncak Si 2p dari n-SiNWs menurun secara jelas setelah melapisi RGO pada permukaannya, sedangkan intensitas puncak C1 yang sesuai dari RGO@SiNWs adalah juga diperbesar secara luar biasa dibandingkan dengan SiNWs murni seperti yang diamati pada Gambar. 7b. Semua analisis ini lebih lanjut membuktikan bahwa RGO berhasil dilapisi pada permukaan SiNWs. Secara signifikan, pergeseran kiri yang jelas menuju tingkat energi tinggi terungkap pada Gambar. 7a, yang dihasilkan oleh transfer elektron dari SiNWs ke RGO. Data XPS yang berisi posisi puncak, luas puncak, rasio atom permukaan ditunjukkan dalam File tambahan 1:Tabel S1. Analisis spektrum XPS dapat memverifikasi pembentukan p-n junction antara RGO dan SiNWs, yang akan meningkatkan pengangkutan elektron yang dihasilkan melalui proses dekomposisi HCHO, dan selanjutnya memfasilitasi sensitivitas HCHO.
a Spektrum XPS dari puncak Si2p untuk n-SiNWs dan RGO@n-SiNWs. b Spektrum XPS puncak C1s untuk n-SiNWs dan RGO@n-SiNWs
Dalam upaya untuk memahami karakteristik penginderaan gas RGO@n-SiNWs, mekanisme deteksi terhadap HCHO ditunjukkan secara skematis. Saat sensor buatan terpapar ke udara murni, resistansi (Ra ) akan menjadi besar karena kemisorpsi elektron yang menjebak oksigen dari material dan membentuk daerah penipisan permukaan yang ditunjukkan pada Persamaan. (3). Saat sensor terpapar HCHO, gas HCHO akan bereaksi dengan O
−
dan O
2−
, dan melepaskan elektron ke RGO@n-SiNWs, menyebabkan penurunan resistansi (Rg ). Proses reaksi digambarkan dalam Persamaan. (4) dan Gbr. 8a.
a Diagram skema mekanisme deteksi molekul HCHO. b Diagram struktur pita antarmuka RGO/n-SiNW
Akhirnya, mekanisme peningkatan sensitivitas yang disebabkan oleh kombinasi n-SiNWs dan RGO dibahas. Kombinasi RGO dan n-SiNWs dapat membentuk p-n junction, sebagai hasil dari karakterisasi tipe-p RGO dengan celah pita sempit (0,2 eV~2 eV) [34]. Persimpangan p-n ini terbentuk antara SiNWs dan RGO telah dilaporkan dalam banyak laporan sebelumnya [50]. Untuk memahami bagaimana sambungan p-n ini meningkatkan sensitivitas, diagram skematik struktur pita dijelaskan pada Gambar 8b. Seperti yang diilustrasikan dalam diagram struktur pita pada Gambar. 8b, elektron ditransfer dari SiNWs dan disimpan di RGO, membentuk lapisan penipisan dan medan listrik bawaan. Deplesi elektron dan tegangan built-in akan meningkatkan reaksi kimia dalam Persamaan. (4) dan memfasilitasi transfer elektron, sehingga meningkatkan kinerja penginderaan gas.
Kesimpulan
Singkatnya, SiNW dengan luas permukaan spesifik yang tinggi disiapkan melalui metode etsa kimia berbantuan logam (MACE), dan kemudian dibungkus dengan graphene oxide (RGO) tereduksi untuk membentuk p-n junction. Setelah membungkus RGO, luas permukaan spesifik meningkat 1× ditunjukkan oleh N2 isoterm absorpsi-desorpsi. Lebih penting lagi, karena sambungan p-n yang terbentuk, RGO@n-SiNWs mengungkapkan sensitivitas yang luar biasa dan selektivitas tinggi terhadap HCHO konsentrasi rendah pada 300 °C. Respons RGO@n-SiNWs meningkat sekitar 2× menuju 10 ppm HCHO (~ 6.4) pada 300 °C dibandingkan dengan n-SiNWs murni (~ 2.5). Batasan deteksi aplikasi dapat mencapai 35 ppb (Ra /Rg = 2) diperoleh dengan pemasangan non-linier yang benar-benar memenuhi standar keamanan udara dalam ruangan. Hasil ini memberikan kemungkinan yang menjanjikan untuk secara tepat mendeteksi HCHO konsentrasi rendah, memungkinkan pemantauan lingkungan dalam ruangan.
Singkatan
GO:
Grafena oksida
HCHO:
Formaldehida
HRTEM:
Mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi
IAIC:
Badan Internasional untuk Penelitian Kanker
MACE:
Etsa kimia dengan bantuan logam
NIOSH:
Institut Nasional untuk Keselamatan dan Kesehatan Kerja
RGO:
Grafena oksida tereduksi
RGO@n-SiNWs:
Kabel nano silikon tipe-n berlapis graphene oxide yang direduksi
RGO@SiNWs:
Kabel nano silikon berlapis graphene oxide yang dikurangi
