ZnO/Zn2SnO4 nanorod heterostructure coatings for effective detection of acetone

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

Type II ZnO / Zn 2 SnO 4 heterostructure was considered for gas sensor applications. ZnO nanorods surrounded by a Zn 2 SnO 4 shell were grown on the surface of BI 2 substrate with sputtered electrical contacts (sensor plat-form) by the hydrothermal synthesis method. Gas-sensitive properties were investigated on different gas analytes (isopropanol, ethanol, and acetone) using a combined laboratory setup allowing for resistivity response and electrical impedance spectroscopy measurements. At an operating temperature of 150°C, the sample showed optimum sensitivity to acetone (1000 ppm) and the Ra / Rg ratio reached a value of 11. The variation of the impedance plot based on the results of measurements in the presence of acetone vapors at an operating temperature of 200°C shows consistent changes. This operating temperature showed a clearer optimization compared to other studies where the sensor operating temperature ranged from 300 to 450°C. In addition, the energy band diagram of the ZnO / Zn 2 SnO 4 heterostructure was presented and the acetone detection mechanism was discussed. The structure of the ZnO/Zn2SnO4 nanorods causes an improved response due to the chemisorption of oxygen on the surface of the Zn2SnO4 shells.

Авторлар туралы

Cong Bui

Saint Petersburg Electrotechnical University «LETI»

Email: congdoan6997@gmail.com
2nd year postgraduate student, Micro- and Nanoelectronics Department

Svetlana Nalimova

Saint Petersburg Electrotechnical University «LETI»

Ph. D., Docent, Micro- and Nanoelectronics Department

Zamir Shomakhov

Kabardino-Balkarian State University named after H.M. Berbekov

Ph. D., Director of the Institute of artificial intelligence and digital technologies

Aslan Guketlov

Kabardino-Balkarian State University named after H.M. Berbekov

2nd year graduate student, Department of Electronics and Digital Information

Sergey Buzovkin

Saint Petersburg Electrotechnical University «LETI»

4th year student, Micro- and Nanoelectronics Department

Arina Rybina

Saint Petersburg Electrotechnical University «LETI»

4th year student, Micro- and Nanoelectronics Department

Әдебиет тізімі

  1. Al-Hardan, N.H. Conductometric gas sensing based on ZnO thin films: an impedance spectroscopy study / N.H. Al-Hardan, A.A. Aziz, M.J. Abdullah, N.M. Ahmed // ECS Journal of Solid State Science and Technology. - 2018. - V. 7. - № 9. - P. P487-P490. doi: 10.1149/2.0201809jss.
  2. Verma, A. Advancements in nanohybrid material-based acetone gas sensors relevant to diabetes diagnosis: a comprehensive review / A. Verma, D. Yadav, S. Natesan et al. // Microchemical Journal. - 2024. - V. 201. - Art. № 110713. - 32 p. doi: 10.1016/j.microc.2024.110713.
  3. Han, G. Thermal evaporation synthesis of vertically aligned Zn2SnO4/ZnO radial heterostructured nanowires array / G. Han, M. Kang, Y. Jeong et al. // Nanomaterials (Basel, Switzerland). - 2021. - V. 11. - I. 6. - Art. № 1500. - 9 p. doi: 10.3390/nano11061500.
  4. Nalimova, S.S. Study of sensor properties of zinc oxide based nanostructures / S.S. Nalimova, V.M. Kondratev, A.A. Ryabko et al. // Journal of Physics: Conference Series. - 2020. - V. 1658. - I. 1. - Art. № 012033. - 5 p. doi: 10.1088/1742-6596/1658/1/012033.
  5. Kondratev, V.M. Technologically feasible ZnO nanostructures for carbon monoxide gas sensing / V.M. Kondratev, A.D. Bolshakov, S.S. Nalimova // 2021 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus), 26-29 January 2021. - St. Petersburg, Moscow, Russia: IEEE Publ., 2021. - P. 1163-1166. doi: 10.1109/ElConRus51938.2021.9396573.
  6. Choi, M.S. Selective, sensitive, and stable NO2 gas sensor based on porous ZnO nanosheets / M.S. Choi, M.Y. Kim, A. Mirzaei et al. // Applied Surface Science. - 2021. - V. 568. - Art. № 150910. - 14 p. doi: 10.1016/j.apsusc.2021.150910.
  7. Карпова, С.С. Исследование влияния кислотно-основных свойств поверхности оксидов ZnO, Fe2O3 и ZnFe2O4 на их газочувствительность по отношению к парам этанола / С.С. Карпова, В.A. Мошников, A.И. Максимов и др. // Физика и техника полупроводников. - 2013. - Т. 47. - Вып. 8. - С. 1022-1036.
  8. Шомахов, З.В. Улучшение сенсорных характеристик бинарных и тройных оксидных наносистем / З.В. Шомахов, С.С. Налимова, А.А. Рыбина и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - C. 879-887. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.879.
  9. Налимова, С.С. Газовые сенсоры на основе наноструктур двойных и тройных оксидных систем / С.С. Налимова, В.А. Мошников, З.В. Шомахов, В.М. Кондратьев // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. - 2024. - Т. 27. - № 2. - C. 105-118. doi: 10.32603/1993-8985-2024-27-2-105-118.
  10. Pang, C. Synthesis, characterization and opto-electrical properties of ternary Zn2SnO4 nanowires / C. Pang, B. Yan, L. Liao et al. // Nanotechnology. - 2010. - V. 21. - I. 46. - Art. № 465706. - 4 p. doi: 10.1088/0957-4484/21/46/465706.
  11. He, L. Preparation and characterization of heteroepitaxial Zn2SnO4 single crystalline films prepared on MgO (100) substrates / L. He, C. Luan, Di Wang et al. // Journal of the American Ceramic Society. - 2020. - V. 103. - I. 4. - P. 2555-2561. doi: 10.1111/jace.16943.
  12. Ryabko, A.A. Gas sensitivity of nanostructured coatings based on zinc oxide nanorods under combined activation / A.A. Ryabko, A.A. Bobkov, S.S. Nalimova et al. // Technical Physics. - 2023. - V. 68. - I. S1. - S13-S18. doi: 10.1134/S106378422390053X.
  13. Tharsika, T. Gas sensing properties of zinc stannate (Zn2SnO4) nanowires prepared by carbon assisted thermal evaporation process / T. Tharsika, A. Haseeb, S.A. Akbar et al. // Journal of Alloys and Compounds. - 2015. - V. 618. - P. 455-462. doi: 10.1016/j.jallcom.2014.08.192.
  14. Bao, S. Mesoporous Zn2SnO4 as effective electron transport materials for high-performance perovskite solar cells / S. Bao, J. Wu, X. He et al. // Electrochimica Acta. - 2017. - V. 251. - P. 307-315. doi: 10.1016/j.electacta.2017.08.083.
  15. Fan, H. Ultra-long Zn2SnO4 -ZnO microwires based gas sensor for hydrogen detection / H. Fan, S. Xu, X. Cao et al. // Applied Surface Science. - 2017. - V. 400. - P. 440-445. doi: 10.1016/j.apsusc.2016.12.221.
  16. He, F. One-step solvothermal synthesis of Zn2SnO4/rGO composite material and highly gas sensing performance to acetone / F. He, Q. Du, Y. Zhang et al. // Solid State Sciences. - 2024. - V. 155. - Art. № 107638. - 7 p. doi: 10.1016/j.solidstatesciences.2024.107638.
  17. Yang, X. Enhanced gas sensing properties of monodisperse Zn2SnO4 octahedron functionalized by PdO nanoparticals / X. Yang, H. Gao, L. Zhao et al. // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2018. - V. 266. - P. 302-310. doi: 10.1016/j.snb.2018.03.121.
  18. Zhang, D. Fabrication of polypyrrole/Zn2SnO4 nanofilm for ultra-highly sensitive ammonia sensing application / D. Zhang, Z. Wu, X. Zong, Y. Zhang // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2018. - V. 274. - P. 575-586. doi: 10.1016/j.snb.2018.08.001.
  19. Lu, J. Heterostructures of mesoporous hollow Zn2SnO4/SnO2 microboxes for high-performance acetone sensors /j. Lu, Y. Xie, F. Luo et al. // Journal of Alloys and Compounds. - 2020. - V. 844. - Art. № 155788. - 8 p. doi: 10.1016/j.jallcom.2020.155788.
  20. Bobkov, A. Impedance spectroscopy of hierarchical porous nanomaterials Based on por-Si, por-Si Incorporated by Ni and metal oxides for gas sensors / A. Bobkov, V. Luchinin, V. Moshnikov et al. // Sensors (Basel, Switzerland). - 2022. - V. 22. - I. 4. - Art. № 1530. - 14 p. doi: 10.3390/s22041530.
  21. Kondratev, V.M. Si nanowire-based Schottky sensors for selective sensing of NH3 and HCl via impedance spectroscopy / V.M. Kondratev, E.A. Vyacheslavova, T. Shugabaev et al. // ACS Applied Nano Materials. - 2023. - V. 6. - I. 13. - P. 11513-11523. doi: 10.1021/acsanm.3c01545.
  22. Шомахов, З.В. Изменение энергетики поверхностных адсорбционных центров ZnO при легировании оловом / З.В. Шомахов, С.С. Налимова, В.М. Кондратьев и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2023. - Вып. 8. - С. 58-63. doi: 10.31857/S1028096023080137.
  23. Шомахов, З.В. Наноструктуры станната цинка для газовых сенсоров с высоким быстродействием / З.В. Шомахов, С.С. Налимова, Б.З. Шурдумов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2022. - Вып. 14. - C. 726-735. doi: 10.26456/pcascnn/2022.14.726.
  24. Налимова, С.С. Исследование формирования слоев станната цинка методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии / С.С. Налимова, З.В. Шомахов, В.А. Мошников и др. // Журнал технической физики. - 2020. - Т. 90. - Вып. 7. - C. 1132-1135. doi: 10.21883/JTF.2020.07.49447.276-19.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».