نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
دانشکده فیزیک دانشگاه علم و صنعت ایران
چکیده
گرافن، ماده دوبعدی کربنی با خواصی نظیر سطح مقطع بالا و رسانایی الکتریکی عالی، کاربردهای وسیعی در ساخت حسگرهای ترکیبات آلی فرار (VOCs) دارد. این حسگرها با تغییر خواص الکتریکی گرافن در مواجهه با مولکولهایVOC ، امکان تشخیص و اندازهگیری این ترکیبات را فراهم میکنند. چنین حسگرهایی در پایش کیفیت هوا و محیط زیست اهمیت زیادی دارند. در این مطالعه، حسگر مبتنی بر اتصال تکلایه گرافن-سیلیکون با استفاده از روش فوتولیتوگرافی و انتقال تر، ساخته شد. برای افزایش کارایی، این گرافن با پلاسمای گاز SF6 به گرافن فلوئوردار نیمرسانا تبدیل شد و سپس، عملکرد این حسگر در تشخیص گاز اتانول هم در حالت اهمی و هم در حالت ترانزیستوری مورد ارزیابی قرار گرفت. مشخصهیابی سطح این حسگر با استفاده از روشهای مختلفی مانند میکروسکوپ الکترونی روبشی و نیروی اتمی انجام و اثرات فلوئوردار شدن بر گرافن نیز از طریق طیفسنجی پراش انرژی پرتو ایکس، طیفسنجی رامان و طیفسنجی بازتاب کلی تضعیف شده بررسی شد. در نهایت، عملکرد حسگر با اندازهگیری تغییرات جریان-ولتاژ در حضور گاز اتانول ارزیابی شد. از نظر مکانیسم عملکرد، جذب اتانول در سطح گرافن فلوئوردار نیمرسانا، منجر به الکتروندهی و افزایش تعداد حاملهای بار میشود. این تغییرات الکتریکی، اساس عملکرد حسگر برای تشخیص اتانول است. نتایج نشان میدهد با اعمال ولتاژ گیت، حد تشخیص نسبت به اتصالات اهمی کاهش مییابد و همچنین حد اشباع نیز کاهش یافته و با افزایش مقدار اتانول، این مقدار کمتر هم میشود. در مجموع، عملکرد حسگری در حالت ترانزیستوری از اهمی بهتر بوده است. توسعه نسل جدید حسگرهای VOC مبتنی بر گرافن، به دلیل سرعت پاسخ بالا، حساسیت عالی و قابلیت اصلاح سطحی، نقش حیاتی در نظارت بر آلودگی هوا ایفا خواهد کرد.
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Ethanol gas sensing with single-layer fluorinated graphene in ohmic and transistor junctions
نویسندگان [English]
- Asieh sadat Kazemi
- Mobina Bolhasani
- , Seyed Mohamad Amin Tabatabaee
Department of Physics, Iran University of Science and Technology
چکیده [English]
Graphene, a two-dimensional carbon material with properties such as high cross-sectional area and excellent electrical conductivity, has wide applications in the manufacture of volatile organic compound (VOC) sensors. These sensors allow the detection and measurement of these compounds by changing the electrical properties of graphene upon exposure to VOC molecules. Such sensors are of great importance in air quality and environmental monitoring. In this study, a monolayer graphene-silicon junction-based sensor was fabricated using photolithography and graphene wet transfer. To enhance the performance, the graphene sheet was converted into semiconducting fluorinated graphene using SF6 plasma, and then, the performance of this sensor in detecting ethanol gas was evaluated in both ohmic and transistor modes. The surface characterization of this sensor was carried out using various methods such as scanning electron microscopy and atomic force microscopy, and the effects of fluorination on graphene were also investigated through, Energy-dispersive X-ray spectroscopy, Raman and Attenuated Total Reflectance spectroscopies. Finally, the sensor performance was evaluated by measuring the current-voltage changes in the presence of ethanol gas. In terms of the mechanism of action, the adsorption of ethanol on the surface of the semiconducting fluorinated graphene leads to electron donation and an increase in the number of charge carriers. These electrical changes are the basis of the sensor performance for ethanol detection. The results show that the saturation limit is reduced by applying a gate voltage compared to the ohmic junctions, and this value becomes even lower with increasing ethanol concentration. Overall, the sensing performance in the transistor mode was better than the ohmic one. The development of a new generation of graphene-based VOC sensors will play a vital role in air pollution monitoring due to their high response speed, excellent sensitivity, and surface modification capabilities.
کلیدواژهها [English]
- Gas sensors
- Fluorinated Graphene
- volatile organic compound
- Ethanol
- Transistors
)