Вісник Львівського університету. Серія фізична 61 (2024) с. 42-53
DOI: https://doi.org/10.30970/vph.61.2024.42

Польовий транзистор на основі структури ``відновлений оксид графену – поруватий кремній'' для застосування у селективних газових сенсорах

І. Оленич, Ю. Горбенко, М. Павлик

Створено графеновий польовий транзистор шляхом формування плівки відновленого оксиду графену (rGO) на поверхні термічно окисненого шару поруватого кремнію (por-Si) з наночастинками паладію, одержаного анодним травленням кремнієвої підкладки та електрохімічною інкорпорацією паладію. Вивчено особливості процесу перенесення заряду у сандвіч-структурі rGO–por-Si–Si в режимах постійного та змінного струму. Досліджено можливість використання одержаного польового транзистора як селективного газового сенсора. Встановлено, що адсорбція молекул води, етанолу та діоксиду азоту зумовлює зміну положення точки нейтральності заряду та по різному впливає на електронну та діркову частини профілю провідності польового транзистора на основі структури rGO–por-Si–Si з наночастинками паладію. Отримані результати розширюють перспективу застосування графенових польових транзисторів 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. Vadala R. A review on electronic nose for diagnosis and monitoring treatment response in lung cancer / R. Vadala, B. Pattnaik, S. Bangaru, D. Rai, J. Tak, S. Kashyap, U. Verma, G. Yadav, R.S. Dhaliwal, S. Mittal, V. Hadda, K. Madan, R. Guleria, A. Agrawal, A. Mohan // J. Breath Res. -- 2023. -- Vol. 17. -- P. 024002. doi: 10.1088/1752-7163/acb791.
  3. Lekha S. Recent advancements and future prospects on e-nose sensors technology and machine learning approaches for non-invasive diabetes diagnosis: A review / S. Lekha, S. M. // IEEE Rev. Biomed. Eng. -- 2021. -- Vol. 14. -- P. 127–138. doi: 10.1109/RBME.2020.2993591.
  4. Capelli L. Electronic noses for environmental monitoring applications / L. Capelli, S. Sironi, R. Del Rosso // Sensors. – 2014. -- Vol. 14. -- P. 19979–20007. doi: 10.3390/s141119979.
  5. Tan J. Applications of electronic nose (e-nose) and electronic tongue (e-tongue) in food quality-related properties determination: A review / J. Tan, J. Xu // Artificial Intelligence in Agriculture. -- 2020. -- Vol. 4. -- P. 104–115. doi: 10.1016/j.aiia.2020.06.003.
  6. Iskandarani M. Z. A novel odor key technique for security applications using electronic nose system / M. Z. Iskandarani // Am. J. Applied Sci. -- 2010. -- Vol. 7. -- P. 1118–1122. doi: 10.3844/ajassp.2010.1118.1122.
  7. Ma D. Gas recognition method based on the deep learning model of sensor array response map / D. Ma, J. Gao, Z. Zhang, H. Zhao // Sensor Actuat. B Chem. -- 2021. -- Vol. 330. -- P. 129349. doi: 10.1016/j.snb.2020.129349.
  8. Su S. Gas identification by a single metal-oxide-semiconductor sensor assisted by ultrasound / S. Su, J. Hu // ACS Sens. – 2019. -- Vol. 4. -- P. 2491--2496. doi: 10.1021/acssensors.9b01113.
  9. 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.
  10. 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.
  11. Olenych I. B. Electrical and sensory properties of silicon – graphene nanosystems / I. B. Olenych, O. I. Aksimentyeva, Yu. Yu. Horbenko, B. R. Tsizh // Applied Nanoscience. -- 2022. -- Vol. 12. -- P. 579–584. doi: 10.1007/s13204-021-01698-7.
  12. Geim A. K. Graphene: status and prospects / A. K. Geim // Science. -- 2009. -- Vol. 324. -- P. 1530–1534. doi: 10.1126/science.1158877.
  13. Novoselov K. S. Electric field effect in atomically thin carbon films / K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, \mbox{I. V. Grigorieva}, A. A. Firsov // Science. -- 2004. -- Vol. 306. -- P. 666–669. doi: 10.1126/science.1102896.
  14. Karaduman I. A new generation gas sensing material based on high-quality graphene / I. Karaduman, E. Er, H. \c{C}elikkan, S. Acar // Sensor Actuat. B Chem. – 2015. -- Vol. 221. -- P. 1188–1194. doi: 10.1016/j.snb.2015.07.063.
  15. Choi J. H. Graphene-based gas sensors with high sensitivity and minimal sensor-to-sensor variation / J. H. Choi, J. Lee, M. Byeon, T. E. Hong, H. Park, C. Y. Lee // ACS Appl. Nano Mater. -- 2020. -- Vol. 3. -- P. 2257–2265. doi: 10.1021/acsanm.9b02378.
  16. Hayasaka T. An electronic nose using a single graphene FET and machine learning for water, methanol, and ethanol / T. Hayasaka, A. Lin, V. C. Copa, L. P. Lopez Jr, R. A. Loberternos, L. I. M. Ballesteros, Y. Kubota, Y. Liu, A. A. Salvador, L. Lin // Microsystems \& Nanoengineering. -- 2020. -- Vol. 6. -- P. 50. doi: 10.1038/s41378-020-0161-3.
  17. Stankovich S. Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide / S. Stankovich, D. A. Dikin, R. D. Piner, K. A. Kohlhaas, A. Kleinhammes, Y. Jia, Y. Wu, S. T. Nguyen, R. S. Ruoff // Carbon. -- 2007. -- Vol. 45. -- P. 1558–1565. doi: 10.1016/j.carbon.2007.02.034.
  18. Chua C. K. The reduction of graphene oxide with hydrazine: elucidating its reductive capability based on a reaction-model approach / C. K. Chua, M. Pumera // Chem. Commun. -- 2016. -- Vol. 52. -- P. 72–75. doi: 10.1039/C5CC08170J.
  19. Оленич І. Польовий транзистор на основі відновленого оксиду графену / \mbox{І. Оленич} // Електроніка та інформаційні технології. -- 2023. -- Вип. 21. -- С. 81–89. doi: 10.30970/eli.21.8.
  20. Olenych I. B. Humidity sensor element based on porous silicon – reduced graphene oxide sandwich-like structures / I. B. Olenych, Y. Y. Horbenko, L. S. Monastyrskii, O. I. Aksimentyeva, Y. V. Boyko // Mol. Cryst. Liq. Cryst. – 2023. – Vol. 767. -- P. 9–15. doi: 10.1080/15421406.2023.2224981.
  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. Xia F. The origins and limits of metal–graphene junction resistance / F. Xia, V. Perebeinos, Y.-M. Lin, Y. Wu, P. Avouris // Nature Nanotechnology. -- 2011. -- Vol. 6. -- P. 179–184. doi: 10.1038/nnano.2011.6.
  23. Olenych I. B. Effect of supporting layer on electrical characteristics of field-effect transistor based on reduced graphene oxide film / I. B. Olenych, Y. Y. Horbenko, B. S. Sokolovskii // Mol. Cryst. Liq. Cryst. – 2024. – Vol. 768. – P. 426–435. doi: 10.1080/15421406.2024.2353960.