Capteur nanofils oxyde de cuivre amélioré UV pour détection rapide d'hydrogène à température ambiante

Contexte

Dans les développements récents, divers gaz tels qu'hydrogène, ammoniac, butane, monoxyde de carbone sont largement utilisés dans l'industrie [1–6]. Divers oxydes métalliques comme oxyde de cuivre, oxyde d'étain, oxyde de zinc pour capteurs gaz ont été étudiés intensivement grâce à leurs avantages : faible coût fabrication et haute sensibilité vers gaz dangereux [7, 8]. Les nanofils CuO (CuO NW) sont un matériau émergent adapté aux capteurs gaz grâce à leur rapport surface/volume élevé améliorant la performance [9, 10]. Il a été rapporté que CuO NW conviennent pour détection éthanol, butane, monoxyde carbone, ammoniac, oxyde azote [9–11]. Généralement, capteurs gaz à base d'oxydes métalliques requièrent haute température fonctionnement pour excellente performance. Cependant, haute température entraîne forte consommation énergie. De plus, opération prolongée à hautes températures cause problèmes dérive dus frittage et diffusion [12, 13]. Donc, explorer nouvelles méthodes sans augmenter température pour capteurs oxydes métalliques a été exploré pour minimiser ce problème.

La fonctionnalisation surface par décoration nanoparticules pour améliorer sensibilité et sélectivité via voie chimique a été rapportée ailleurs [14, 15]. Cependant, cette méthode est très compliquée car préparation implique nombreux produits chimiques et consomme beaucoup temps pour ajuster taille nanoparticules visée [16]. Pour éviter cette complication, certains chercheurs tentent d'améliorer performance capteur gaz en utilisant lumière UV pour créer paires électron-trou photogénérés comme voie alternative car cela ne nécessite pas préparation chimique complexe et donc efficacité temporelle [17–20]. De plus, l'utilisation lumière UV pourrait être solution alternative pour éviter chauffer capteur et réduire consommation énergie et éviter dégradation capteur due hautes températures car capteurs conventionnels requièrent haute température pour opérer et atteindre stabilité.

Des rapports sur capteurs oxyde d'indium et dioxyde d'étain UV-améliorés ont été étudiés par Comini et al. [20]. Il a été rapporté que lumière UV améliorait performance détection CO et NO₂ à température ambiante en augmentant réaction interaction sur semi-conducteur. Comini et al. ont aussi rapporté que lumière UV peut réduire effet empoisonnement détection gaz qui change propriétés électriques quasi irréversiblement en améliorant processus désorption [20]. En plus, irradiation UV a été rapportée améliorer sensibilité, stabilité, temps réponse capteur éthanol par Gong et al. [21]. De plus, capteur gaz pouvait opérer à température relativement plus basse attribuable aux électrons conducteurs dans nanofils ZnO générés par UV qui favorisent réduction éthanol et mènent à plus haute sensibilité et moins temps réponse. Donc, irradiation UV est une méthode adaptée pour améliorer performance capteur gaz.

À notre connaissance, l'effet lumière UV vers propriétés détection hydrogène (H₂) de CuO NW n'a pas été rapporté. Donc, notre étude s'est concentrée sur l'effet UV activé vers propriétés détection H₂ de CuO NW à température ambiante et 100 °C. Les CuO NW sont cultivés par oxydation thermique car cette technique exhibe cristallinité plus haute et rapports d'aspect plus longs comparé autres méthodes comme voies solution.

Résultats et discussions

La morphologie des CuO NW cultivés est montrée Fig. 1a. L'image montre la plupart NW bien alignés et perpendiculaires surface substrat. Fig. 1b montre image MET CuO NW hautement cristallins. Images inset montrent diamètre CuO NW 120 nm. Diagramme DRX Fig. 1c correspond carte base : JCP2:00-045-0937 pour CuO et JCP2:00-005-0667 pour Cu₂O. Montre CuO NW synthétisés structure monoclinique. Figure 1d montre caractéristique I-V CuO NW sur électrodes Pt avec comportement ohmique car Pt a fonction travail plus haute (6,35 eV) comparé CuO (5,2 eV). Cela concorde avec fait comportement ohmique obtenu quand semi-conducteur type p contacte matériau fonction travail plus haute [22]. Tableau 1 montre réponse capteur et stabilité capteur H₂ avec et sans UV à deux températures (température ambiante et 100 °C). La réponse capteur définie comme S = \( \frac{I_g-{I}_a}{I_a}\times 100\% \), où I _g courant après exposition gaz et I _a courant initial avant exposition [23, 24].

a Image MEB-FEG CuO NW cultivés. b Image MET CuO. c Profil diffraction rayons X CuO nanofils. d Caractéristiques IV CuO et Pt

Figures 2 et 3 montrent réponse gaz dans noir et sous illumination UV à 100 °C respectivement. Résultats montrent réponses capteurs gaz stables. Pendant température fonctionnement 100 °C, concentration électron pour réaction détection augmente due énergie thermique suffisante à température plus haute pour surmonter barrière potentielle [25]. Introduction lumière UV 365 nm a significativement amélioré stabilité détection capteur CuO NW au stade initial cycle détection. Échantillon activé UV pouvait atteindre stabilité premier cycle, comparé échantillon sans UV nécessitant ~10 cycles pour stabiliser stade initial. De plus, réponse capteur gaz augmente avec irradiation UV (~4,6 %) comparé sans UV (~4,3 %) comme Tableau 1. Donc, résultats montrent LED faible puissance peut augmenter réponse capteur même température sans augmentation température chauffage qui mènerait plus perte puissance.

Comportement détection H₂ dans noir à 100 °C. a Points max/min 100 cycles. b Réponse capteurs CuO NW vers H₂

Comportement détection H₂ capteur UV activé 100 °C. a Points max/min 100 cycles. b Réponse capteurs CuO NW vers H₂

Figures 4 et 5 présentent réponse gaz dans noir et sous UV à température ambiante. Figure 5 montre stabilité capteur gaz assez bonne température ambiante avec aide UV après certain temps. Capteur commence stabiliser ~9000 s. Figure 5b montre graphique agrandi 9000–9500 s. Augmentation réponse capteur observée 0,0041 à 0,0527 % sans et avec UV. Comparé Fig. 4 sans UV température ambiante, aucun signe stabilisation jusqu'à fin test (12 000 s). Capteur avec UV nécessite ~2,5 h "réchauffement" puis fonctionne stable après. Comparé capteur sans UV, conductivité continue réduire et réponse instable. Cela pourrait être dû effet mémoire et empoisonnement capteur qui surviennent normalement température ambiante [26, 27]. Résultat montre capteur a potentiel opérer température ambiante avec UV sans élément chauffant énergivore.

Comportement détection H₂ dans noir température ambiante. a Points max/min 100 cycles. b Réponse capteurs CuO NW vers H₂

Comportement détection H₂ capteur UV activé température ambiante. a Points max/min 100 cycles. b Réponse capteurs CuO NW vers H₂

Le mécanisme détection H₂ sans irradiation UV est expliqué ci-dessous. Gaz H₂ interagit avec CuO NW via ions oxygène pré-adsorbés surfaces CuO NW quand CuO NW exposé H₂ comme décrit Eqs. (1) et (2). Électrons libres libérés vers CuO NW dues réactions entre molécules H₂ et ions oxygène pré-adsorbés et recombinent avec trous dans CuO NW [Eq. (3)]. Ce processus résulte diminution concentration trous dans nanofils et augmentation résistance [28].

Sous irradiation UV, paires électron-trou photogénérées créées. Quand capteur gaz exposé UV, trous photogénérés contribuent processus conduction ; pendant ce temps, électrons photogénérés migrent vers surface [29]. Donc, plus électrons disponibles pour chimisorption O₂. De plus, UV affecte chimisorption et désorption en modifiant état énergétique H₂ sur surface CuO NW [30, 31]. Tout processus accélère interaction surface CuO NW et H₂ et augmente réaction.

Conclusion

En conclusion, CuO NW cultivés avec succès par oxydation thermique méthode bon marché, simple, sans catalyseur. Capteur H₂ avec assistance UV fabriqué avec succès. Rôle dominant UV est améliorer propriétés détection gaz température ambiante et 100 °C. Stabilité capteur très bonne 100 °C où température fonctionnement élevée. Avec irradiation UV, capteur atteint stabilité premier cycle vs capteur sans UV ~10 cycles stade initial. Réponse capteur aussi augmente avec UV. Donc, pas requis température fonctionnement plus haute consommant haute puissance. De plus, capteur avec UV a grand potentiel opérer basse température (température ambiante) réduisant perte consommation puissance. Stabilité et réponse augmentent avec UV.

Méthode/Expérimental

Puce électrodes Cr/Pt fabriquée par photolithographie. Couche oxyde thermique (150 nm) cultivée sur substrat silicium comme couche isolante sous 1500 sccm flux O₂ à 1000 °C 3 h. Substrat ensuite spin-coaté 1 µm photorésist positif (Futurrex PR1-1000A) 3000 tr/min 40 s. Soft-bake avant exposition UV à 120 °C 120 s. Masque chrome motif électrodes interdigitées transféré échantillon avec exposition UV (356 nm) intensité 2,41 mW/cm² 50 s temps exposition. Cr/Pt (10 nm/150 nm) électrodes contact déposées par pulvérisation magnétron NanoFilm et sputter coater Baltec SCD 005 à 2,0 × 10⁻⁵ Torr respectivement. Lift-off pour motif électrodes attendu.

Dans cette expérience, CuO NW cultivés sur feuille cuivre par oxydation thermique. Processus croissance prend 6 h avec 1500 sccm flux gaz à 600 °C ambiance O₂. CuO NW cultivés caractérisés par MEB-FEG Carl Zeiss Supra 55 VP, MET JOEL JEM-2010, DRX Bruker D8 Advance. Puis capteur gaz fabriqué utilisant CuO NW cultivés thermiquement. Couche CuO NW et film mince Cu₂O transférée sur électrodes platine avec couche Cu₂O face dessus et CuO NW face électrodes IDT comme montré inset Fig. 6. Couche active formée par Cu₂O et CuO NW ; néanmoins réponse détection mainly due CuO NW plutôt que Cu₂O film mince car plus haut rapport surface/volume nanofils. Ici, couche Cu₂O formée indirectement pendant oxydation haute température et recuit. Après, recuit 400 °C 20 min ambiance N₂ pour améliorer contact CuO NW et électrodes interdigitées. Structure dispositif globale illustrée Fig. 6.

Structure dispositif 3D capteur gaz

Ensuite, capteur placé chambre pendant détection suivi contrôleur débit massique contrôlant flux 100 ppm H₂ et air purifié Air Products dans chambre 100 cycles température ambiante et 100 °C avec et sans exposition UV 3 mW/cm² intensité. Source UV générée par LED 365 nm, 3,8 V, 2 mW VioLed International Inc. numéro série 370-5C90. Réponse courant surveillée par mesures deux pointes sur dispositif capteur avec système acquisition données. Caractéristiques courant-tension (I-V) mesurées balayage tension appliquée −3 à 3 V noir ambiante température ambiante Keithley 2400. Même mesure réponse détection effectuée 100 °C sur étage chauffant (ATV Technologie Gmbh, TR-120 D). Cycle détection complet conduit séquence air-H₂-air débit constant 50 sccm.