Capteur de gaz hydrogène à nanofils d'oxyde de cuivre assisté par lumière ultraviolette

Contexte

Dans les développements récents, divers types de gaz tels que l'hydrogène, l'ammoniac, le butane et le monoxyde de carbone ont été largement utilisés dans les industries [1,2,3,4,5,6].Divers oxydes métalliques tels que l'oxyde de cuivre, l'oxyde d'étain , et les capteurs de gaz à base d'oxyde de zinc ont été largement étudiés en raison de leurs avantages, par exemple, un faible coût de fabrication et une sensibilité élevée aux gaz dangereux [7, 8]. Le nanofil d'oxyde de cuivre (CuO NW) est un matériau émergent qui convient au capteur de gaz en raison de son rapport surface/volume élevé pour améliorer les performances du capteur [9, 10]. Il a été rapporté que les CuO NW conviennent à la détection de divers gaz tels que l'éthanol, le butane, le monoxyde de carbone, l'ammoniac et l'oxyde d'azote [9,10,11]. En général, les capteurs de gaz à base d'oxyde métallique nécessitaient une température de fonctionnement élevée pour obtenir d'excellentes performances de détection. Cependant, une température de fonctionnement élevée peut entraîner une consommation d'énergie élevée. De plus, un fonctionnement prolongé à haute température présente des problèmes de dérive causés par le processus de frittage et de diffusion [12, 13]. Par conséquent, l'exploration d'une nouvelle méthode sans amélioration des capteurs de gaz à base d'oxyde métallique a été explorée pour minimiser ce problème.

La fonctionnalisation de surface en décorant les surfaces du matériau avec des nanoparticules pour améliorer la sensibilité et la sélectivité du capteur de gaz vis-à-vis du gaz dangereux par voie chimique a été rapportée ailleurs [14, 15]. Cependant, cette méthode est très compliquée car la préparation impliquait de nombreux produits chimiques et consommait beaucoup de temps de réaction pour régler la taille souhaitée des nanoparticules pour les applications visées [16]. Pour éviter cette complication, certains chercheurs tentent d'améliorer les performances du capteur de gaz en utilisant la lumière UV pour créer les paires d'électrons et de trous photogénérées comme voie alternative, car cela ne nécessite pas de préparation chimique compliquée et donc d'efficacité temporelle [17,18,19 ,20]. De plus, l'utilisation de la lumière UV pourrait être la solution alternative pour éviter de chauffer le capteur et permet de réduire la consommation d'énergie et d'éviter la dégradation du capteur en raison des températures élevées, car le capteur de gaz conventionnel nécessitait une température élevée pour fonctionner et atteindre la stabilité.

Un rapport sur l'utilisation de capteurs d'oxyde d'indium et de dioxyde d'étain améliorés par les UV a été étudié par Comini et al. [20]. Il a été rapporté que la lumière UV améliorait les performances de détection du CO et du NO₂ capteur de gaz à température ambiante qui augmente la réaction de l'interaction sur le semi-conducteur. En plus de cela, Comini et al. ont également rapporté que la lumière UV peut réduire l'effet d'empoisonnement de la détection de gaz qui modifie les propriétés électriques de manière assez irréversible en améliorant le processus de désorption [20]. De plus, il a été rapporté que l'exposition à l'irradiation UV améliore la sensibilité, la stabilité et le temps de réponse du capteur d'éthanol gazeux par Gong et al. [21]. De plus, le capteur de gaz pourrait également fonctionner à une température relativement plus basse qui pourrait être attribuée aux électrons conducteurs dans les nanofils de ZnO générés par l'irradiation UV qui favorisent la réduction de l'éthanol et conduisent donc à une sensibilité plus élevée et à un temps de réponse moindre. Par conséquent, l'irradiation de la lumière UV est l'une des méthodes appropriées pour améliorer les performances du capteur de gaz.

À notre connaissance, l'effet de la lumière UV sur l'hydrogène gazeux (H₂ ) les propriétés de détection des CuO NW n'ont pas encore été rapportées. Par conséquent, notre étude s'est concentrée sur l'effet de la lumière UV activée sur les propriétés de détection de gaz hydrogène des CuO NW à température ambiante et 100 °C. Les CuO NW sont cultivés à l'aide de la méthode d'oxydation thermique, car cette technique présente une cristallinité plus élevée et des rapports d'aspect plus longs par rapport aux autres méthodes signalées telles que les routes basées sur des solutions.

Résultats et discussions

La morphologie des CuO NWs cultivés est illustrée à la Fig. 1a. L'image montre que la plupart des NW sont assez alignés et perpendiculaires à la surface du substrat. Pendant ce temps, la figure 1b montre l'image MET des CuO NW hautement cristallins obtenus. Les images en médaillon montrent que le diamètre du CuO NW est de 120 nm. Le modèle XRD de la figure 1c correspond à la carte de la base de données :JCP2:00-045-0937 pour CuO et JCP2:00-005-0667 pour Cu₂ O. Il montre que les CuO NWs synthétisés ont une structure monoclinique. La figure 1d montre la caractéristique I-V des CuO NW sur des électrodes de Pt avec un comportement ohmique, car le Pt a une fonction de travail plus élevée (6,35 eV) par rapport à CuO (5,2 eV). Ceci est en accord avec le fait que le comportement ohmique est obtenu lors d'un contact semi-conducteur de type p avec un matériau à travail de sortie plus élevé [22]. Le tableau 1 montre la réponse et la stabilité du capteur d'hydrogène gazeux avec et sans la présence d'UV à deux températures différentes (température ambiante et 100 °C). La réponse du capteur est définie comme S = \( \frac{I_g-{I}_a}{I_a}\times 100\% \), où I _g est le flux de courant après l'exposition de l'échantillon au gaz et I _un est le courant initial avant exposition au gaz [23, 24].

un Image FESEM des CuO NWs cultivés. b Image MET de CuO. c Profil de diffraction des rayons X de nanofils de CuO. d Caractéristiques IV de CuO et Pt

Les figures 2 et 3 montrent la réponse du gaz dans l'obscurité et sous un éclairage UV à 100 °C respectivement. Les résultats montrent que les réponses des capteurs de gaz sont stables. Pendant la température de fonctionnement à 100 °C, la concentration d'électrons pour la réaction de détection augmente en raison de l'énergie thermique suffisante à une température plus élevée pour surmonter la barrière de potentiel [25]. L'introduction de la lumière UV à 365 nm a considérablement amélioré la stabilité de détection du capteur CuO NW au stade initial du cycle de détection. L'échantillon activé par UV a pu atteindre la stabilité dans le premier cycle, par rapport à l'échantillon sans irradiation UV qui a nécessité environ 10 cycles pour atteindre la stabilité au stade initial. De plus, la réponse du capteur de gaz augmente avec l'irradiation de la lumière UV (~ 4,6%) par rapport à sans irradiation de la lumière UV (~ 4,3%) comme indiqué dans le tableau 1. Par conséquent, les résultats montrent que la LED de faible puissance pourrait augmenter la réponse du capteur. avec la même température sans augmentation de la température de chauffage qui peut entraîner plus de perte de puissance.

Comportement de détection de gaz hydrogène dans l'obscurité à 100  ^° C. a Point maximum et minimum pour 100 cycles. b Réponse des capteurs CuO NWs à l'hydrogène gazeux

Comportement de détection de gaz hydrogène pour le capteur activé par UV fonctionnant à 100  ^° C. a Point maximum et minimum pour 100 cycles. b Réponse des capteurs CuO NWs à l'hydrogène gazeux

Les figures 4 et 5 présentent la réponse du gaz dans l'obscurité et sous éclairage UV à température ambiante. La figure 5 montre que la stabilité du capteur de gaz est assez bonne à température ambiante à l'aide de la lumière UV après un certain temps. Le capteur commence à se stabiliser à environ 9 000 s. La figure 5b montre un graphique agrandi de 9 000 à 9 500 s. L'augmentation de la réponse du capteur est observée de 0,0041 à 0,0527% sans et avec l'aide de la lumière UV. Par rapport à la figure 4 sans l'irradiation UV à température ambiante, il n'y a aucun signe de stabilisation jusqu'à la fin du test (12 000 s). Le capteur avec exposition à la lumière UV a besoin d'environ 2,5 h pour « s'échauffer », puis il peut fonctionner dans des conditions stables après cela. Par rapport au capteur sans l'aide des UV, la conductivité continue de diminuer et la réponse est instable. Cela pourrait être dû à l'effet mémoire et à l'empoisonnement du capteur qui se produisent normalement à température ambiante [26, 27]. Le résultat montre que le capteur a le potentiel de fonctionner à température ambiante avec l'aide d'UV sans l'utilisation d'un élément chauffant gourmand en énergie.

Comportement de détection de gaz hydrogène dans l'obscurité à température ambiante. un Point maximum et minimum pour 100 cycles. b Réponse des capteurs CuO NWs à l'hydrogène gazeux

Comportement de détection de gaz hydrogène pour le capteur activé par UV à température ambiante. un Point maximum et minimum pour 100 cycles. b Réponse des capteurs CuO NWs à l'hydrogène gazeux

Le mécanisme de détection du capteur d'hydrogène gazeux sans irradiation de lumière UV est expliqué ci-dessous. L'hydrogène gazeux interagit avec le CuO NW par l'intermédiaire des ions d'oxygène pré-adsorbés sur les surfaces du CuO NW lorsque le CuO NW est exposé à l'hydrogène, comme décrit dans les équations. (1) et (2). Les électrons libres libèrent à CuO NWs en raison des réactions entre H₂ molécules et ions oxygène pré-adsorbés et se recombinent avec les trous dans CuO NWs [Eq. (3)]. Ce processus entraîne la diminution de la concentration de trous dans les nanofils et l'augmentation de la résistance [28].

Lors de l'irradiation de la lumière UV, les paires d'électrons et de trous photogénérés sont créées. Lorsque le capteur de gaz est exposé à la lumière UV, les trous photogénérés contribuent au processus de conduction ; pendant ce temps, les électrons photogénérés migrent vers la surface [29]. Par conséquent, plus d'électrons sont disponibles pour la chimisorption de O₂ . De plus, la lumière UV affecte les processus de chimisorption et de désorption en modifiant l'état énergétique de H₂ gaz sur la surface CuO NW [30, 31]. L'ensemble du processus accélère l'interaction entre la surface des CuO NWs et H₂ gaz et augmente la réaction.

Conclusion

En conclusion, les CuO NW ont été cultivés avec succès en utilisant une méthode d'oxydation thermique qui est une méthode peu coûteuse, simple et non catalytique. Le capteur de gaz hydrogène avec l'aide de la lumière UV a été fabriqué avec succès. Le rôle dominant de la lumière UV est d'améliorer les propriétés de détection de gaz pour la température ambiante et 100 °C. La stabilité du capteur de gaz est très bonne à 100 °C où il est à température de fonctionnement élevée. Avec l'irradiation de la lumière UV, le capteur pourrait atteindre la stabilité dans le premier cycle par rapport au capteur sans lumière UV qui nécessitait environ 10 cycles pour atteindre la stabilité au stade initial. La réponse du capteur augmente également avec l'aide de la lumière UV. Par conséquent, nous ne sommes pas obligés d'utiliser une température de fonctionnement plus élevée qui consomme une puissance élevée. En plus de cela, nous avons constaté que le capteur avec irradiation de lumière UV a un grand potentiel pour fonctionner à basse température (température ambiante), ce qui peut réduire la perte de consommation d'énergie. La stabilité et la réponse du capteur augmentent avec l'aide de la lumière UV.

Méthode/Expérimental

La puce d'électrodes Cr/Pt est fabriquée par un processus de photolithographie. La couche d'oxyde thermique (150 nm) a été développée sur un substrat de silicium en tant que couche isolante sous un flux d'oxygène de 1500 sccm à 1000 °C pendant 3 h. Ensuite, le substrat a été revêtu par centrifugation avec 1 μm d'épaisseur de résine photosensible positive (Futurrex PR1-1000A) à 3000 tr/min pendant 40 s. Le processus de cuisson douce a eu lieu avant l'exposition aux UV à 120 °C pendant 120 s. Ensuite, un photomasque chromé avec un motif d'électrodes interdigitées a été transféré sur l'échantillon avec une exposition à la lumière ultraviolette (356 nm) sous l'intensité de 2,41 mW/cm ² avec un temps d'exposition de 50 s. Des électrodes de contact Cr/Pt (10 nm/150 nm) ont été déposées sur l'échantillon à l'aide du système de pulvérisation magnétron NanoFilm et du pulvérisateur Baltec SCD 005 à 2,0  × 10 ^− 5 Torr respectivement. Le processus de décollage a été mené pour atteindre le modèle d'électrodes attendu.

Dans cette expérience, des CuO NW ont été cultivés sur une feuille de cuivre en utilisant un processus d'oxydation thermique. Ce processus de croissance prend 6 h avec un débit de gaz de 1500 sccm à 600 °C dans une atmosphère d'oxygène. Les NW CuO cultivés ont été caractérisés par un microscope électronique à balayage à émission de champ (FESEM) Carl Zeiss Supra 55 VP, un microscope électronique à transmission (TEM) JOEL JEM-2010 et une diffraction des rayons X (XRD) Bruker D8 Advance. Ensuite, le capteur de gaz est fabriqué à l'aide des CuO NW à croissance thermique. La couche de CuO NWs et Cu₂ O film mince a été transféré sur le dessus des électrodes de platine avec la couche de Cu₂ O faisant face au dessus et CuO NWs face aux électrodes IDT comme illustré par l'encart sur la Fig. 6. La couche active était formée par le Cu₂ O et CuO NW ; néanmoins, la réponse de détection est principalement due à CuO NWs plutôt qu'à Cu₂ O film mince en raison du rapport surface/volume plus élevé des nanofils. Ici, la couche de Cu₂ O s'est formé indirectement au cours du processus d'oxydation et de recuit à haute température. Après cela, le processus de recuit a eu lieu à 400 °C pendant 20 min dans N₂ ambiant pour améliorer le contact entre les CuO NWs et les électrodes interdigitées. La conception globale de la structure de l'appareil est illustrée à la figure 6.

Structure de l'appareil 3D du capteur de gaz

Ensuite, le capteur a été placé dans la chambre pendant le processus de détection, suivi du contrôleur de débit massique qui contrôlait le débit d'hydrogène à 100 ppm (H₂ ) le gaz et l'air purifié achetés auprès d'Air Products dans la chambre pendant 100 cycles à température ambiante et 100 °C avec et sans exposition de 3 mW/cm ² intensité UV. La source UV a été générée par la longueur d'onde de 365 nm, 3,8 V et 2 mW LED achetée auprès de VioLed International Inc. avec le numéro de série 370-5C90. La réponse actuelle a été surveillée par deux mesures de sonde placées sur le dispositif de capteur avec le système d'acquisition de données. Les caractéristiques courant-tension (I-V) ont ensuite été mesurées en balayant la tension appliquée de - 3 à 3 V dans un environnement sombre à température ambiante en utilisant la source d'alimentation Keithley 2400. La même mesure de réponse de détection a été effectuée à 100 °C au-dessus de l'étage de chauffage (ATV Technologie Gmbh, TR-120 D). Un cycle de détection complet sera effectué dans la séquence air-H₂ -air à un débit constant de 50 scccm.