Вісник Львівського університету. Серія фізична 60 (2023) с. 116-126
DOI: https://doi.org/10.30970/vph.60.2023.116

Сенсорні елементи на основі наносистеми багатошарові вуглецеві нанотрубки – поруватий кремній

І. Оленич, М. Павлик, Р. Серкіз

У роботі запропоновано мережу багатошарових вуглецевих нанотрубок (mwCNTs), осаджену на шар поруватого кремнію (por-Si), як чутливий елемент газового сенсора. Порувата структура наносистеми mwCNTs–por-Si забезпечує збільшення робочої поверхні сенсора. Виявлено збільшення електричного опору та ємності сенсорних елементів внаслідок адсорбції молекул аміаку, ацетону та етанолу. Для оцінки сенсорних властивостей наносистеми mwCNTs–por-Si було досліджено концентраційні залежності адсорбційної здатності та динамічні характеристики резистивних та ємнісних сенсорів. Час відгуку одержаних сенсорних елементів на зміну концентрації молекул аміаку, ацетону та етанолу становить близько однієї хвилини при кімнатній температурі. Отримані результати розширюють перспективу застосування mwCNTs у сенсорних пристроях.

Текст статті (pdf)

Список посилань
  1. Koulamas C. Real-Time Sensor Networks and Systems for the Industrial IoT: What Next? / C. Koulamas, M. T. Lazarescu // Sensors. -- 2020. -- Vol. 20. -- P. 5023. doi: 10.3390/s20185023.
  2. Chen Z. Humidity Sensors: A Review of Materials and Mechanisms / Z. Chen, C. Lu // Sensor Letters. -- 2005. -- Vol. 3. -- P. 274. doi: 10.1166/sl.2005.045.
  3. Tharsika T. Highly Sensitive and Selective Ethanol Sensor Based on ZnO Nanorod on SnO2 Thin Film Fabricated by Spray Pyrolysis / T. Tharsika, M. Thanihaichelvan, A. S. M. A. Haseeb, S. A. Akbar // Frontiers in Materials. -- 2019. -- Vol. 6. -- P. 122. doi: 10.3389/fmats.2019.00122.
  4. Cao A. Silicon Nanowire-Based Devices for Gas-Phase Sensing / A. Cao, E. J. R. Sudholter, L. C. P. M. de Smet // Sensors. -- 2014. -- Vol. 14. -- P. 245--271. doi: 10.3390/s140100245.
  5. Li C. J. Carbon Nanotube Sensors for Gas and Organic Vapor Detection / C. J. Li, Y. Lu, Q. Ye, M. Cinke, J. Han, M. Meyyappan // Nano Lett. -- 2003.-- Vol. 3. -- P. 929--933. doi: 10.1021/nl034220x.
  6. Singh E. Flexible Graphene-Based Wearable Gas and Chemical Sensors / E. Singh, M. Meyyappan, H. S. Nalwa // ACS Appl. Mater. Interfaces. -- 2017. -- Vol. 9. -- P. 34544--34586. doi: 10.1021/acsami.7b07063.
  7. Wang Y. A Review of Carbon Nanotubes-Based Gas Sensors / Y. Wang, J. T. W. Yeow // Journal of Sensors. -- 2009. -- Vol. 2009. -- P. 493904. doi: 10.1155/2009/493904.
  8. Cantalini C. Sensitivity to NO2 and cross-sensitivity analysis to NH3, ethanol and humidity of carbon nanotube thin film prepared by PECVD / C. Cantalini, L. Valentini, I. Armentano, L. Lozzi, J. M. Kenny, S. Santucci // Sens Actuat B. -- 2003. -- Vol. 95. -- P. 195--202. doi: 10.1016/S0925-4005(03)00418-0.
  9. Mittal M. Carbon nanotube (CNT) gas sensors for emissions from fossil fuel burning / M. Mittal, A. Kumar // Sensors and Actuators B: Chemical. -- 2014. -- Vol. 203. -- P. 349--362. doi: 10.1016/j.snb.2014.05.080.
  10. Guo S. Y. Transparent and flexible hydrogen sensor based on semiconducting single-wall carbon nanotube networks / S. Y. Guo, P. X. Hou, H. X. Wang, C. Shi, H. T. Fang, C. Liu // Carbon. -- 2019. -- Vol. 151. -- P. 156--159. doi: 10.1016/j.carbon.2019.05.045.
  11. Young S. J. Ethanol gas sensors based on multi-wall carbon nanotubes on oxidized Si substrate / S. J. Young, Z. D. Lin // Microsyst. Technol. -- 2018. -- Vol. 24. -- P. 55--58. doi: 10.1007/s00542-016-3154-2.
  12. Liu J. The electronic properties of chiral carbon nanotubes / J. Liu, J. Lu, X. Lin, Y. Tang, Y. Liu, T. Wang, H. Zhu // Computational Materials Science. -- 2017. -- Vol. 129. -- P. 290--294. doi: 10.1016/j.commatsci.2016.12.035.
  13. Shiraz H. G. Decorated CNT based on porous silicon for hydrogen gas sensing at room temperature / H. G. Shiraz, F. R. Astaraei, S. Fardindoost, Z. S. Hosseini // RSC Adv. -- 2016. -- Vol. 6. -- P. 44410--44414. doi: 10.1039/C6RA03541H.
  14. Abbas S. K. Functionalized Carbon Nanotubes on Porous Silicon for Sensing Application / S. K. Abbas, A. N. Naje // J. Nano- Electron. Phys. -- 2019. -- Vol. 11, No 5. -- P. 05015. doi: 10.21272/jnep.11(5).05015.
  15. Ozdemir S. The potential of porous silicon gas sensors / S. Ozdemir, J. Gole // Curr. Opin. in Solid State and Mater. Science. -- 2007. -- Vol. 11. -- P. 92--100. doi: 10.1016/j.cossms.2008.06.003.
  16. Baratto C. Multiparametric Porous Silicon Sensors / C. Baratto, G. Faglia, G. Sberveglieri, Z. Gaburro, L. Pancheri, C. Oton, L. Pavesi // Sensors. -- 2002. -- Vol. 2(3). -- P. 121--126. doi: 10.3390/s20300121.
  17. Монастирський Л. С. Система аналізу газів на основі структур поруватого кремнію / Л. С. Монастирський, І. Б. Оленич, О. І. Петришин, В. М. Лозинський // Сенсорна електроніка і мікросистемні технології. -- 2018. -- Т. 15, №2. -- С. 88--96. doi: 10.18524/1815-7459.2018.2.136891.
  18. Eom N. S. A. Room-Temperature H2 Gas Sensing Characterization of Graphene-Doped Porous Silicon via a Facile Solution Dropping Method / N. S. A. Eom, H. B. Cho, Y. Song, W. Lee, T. Sekino, Y. H. Choa // Sensors. -- 2017. -- Vol. 17. -- P. 2750. doi: 10.3390/s17122750.
  19. Olenych I. B. Charge transport in porous silicon/graphene-based nanostructures / I. B. Olenych, L. S. Monastyrskii, O. I. Aksimentyeva, L. Orovcik, M. Y. Salamakha // Mol. Cryst. Liq. Cryst. -- 2018. -- Vol. 673. -- P. 32--38. doi: 10.1080/15421406.2019.1578491.
  20. Peng S. Nano-WO3 film modified macro-porous silicon (MPS) gas sensor / S. Peng, H. Ming, L. Mingda, M. Shuangyun // J. Semicond. -- 2012. -- Vol. 33. -- P. 054012. doi: 10.1088/1674-4926/33/5/054012.
  21. Eom N. S. A. Ultrasensitive detection of low-ppm H2S gases based on palladium-doped porous silicon sensors / N. S. A. Eom, H. B. Cho, H. R. Lim, T. Y. Hwang, Y. Song, Y. H. Choa // RSC Adv. -- 2018. -- Vol. 8. -- P. 29995--30001. doi: 10.1039/C8RA05520C.
  22. Olenych I. B. Electrical and Photoelectrical Properties of Porous Silicon Modified by Cobalt Nanoparticles / I. B. Olenych // Journal of Nano- and Electronic Physics. -- 2014. -- Vol. 6, No 4. -- P. 04022.
  23. Olenych I. B. Sensory properties of hybrid composites based on poly(3,4-ethylenedioxythiophene) - porous silicon - carbon nanotubes / I. B. Olenych, O. I. Aksimentyeva, L. S. Monastyrskii, Y. Y. Horbenko, L. I. Yarytska // Nanoscale Research Letters. -- 2015. -- Vol. 10. -- P. 187. doi: 10.1186/s11671-015-0896-1.
  24. Bisi O. Porous silicon: a quantum sponge structure for silicon based optoelectronics / O. Bisi, S. Ossicini, L. Pavesi // Surf. Sci. Rep. -- 2000. -- Vol. 38. -- P. 1--126. doi: 10.1016/S0167-5729(99)00012-6.
  25. Vashpanov Y. Dynamic Control of Adsorption Sensitivity for Photo-EMF-Based Ammonia Gas Sensors Using a Wireless Network / Y. Vashpanov, H. Choo, D. S. Kim // Sensors. -- 2011. -- Vol. 11. -- P. 10930--10939. doi: 10.3390/s111110930.