Generic Approach to Boost the Sensitivity of Metal Oxide Sensors by Decoupling the Surface Charge Exchange and Resistance Reading Process

材料科学 氧化物 光电子学 解耦(概率) 等温过程 纳米技术 物理 控制工程 工程类 冶金 热力学
作者
Tiantian Dai,Gang Meng,Zanhong Deng,Ying Chen,Hongyu Liu,Liang Li,Shimao Wang,Junqing Chang,Pengcheng Xu,Xinxin Li,Xiaodong Fang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (33): 37295-37304 被引量:37
标识
DOI:10.1021/acsami.0c07626
摘要

As one of the bottleneck parameters for practical applications of metal oxide semiconductor-based gas sensors, sensitivity enhancement has attracted significant attention in the past few decades. In this work, alternative to conventional strategies for designing sensitive surfaces via morphology/defect/heterojunction control (then operating at an optimized isothermal temperature with a maximal response), a facile enhancement approach by decoupling surface charge exchange and resistance reading process (possessing different temperature-dependent behaviors) through pulsed temperature modulation (PTM) is reported. Substantially magnifying electrical responses of a generic metal oxide (e.g., WO3) micro-electromechanical systems sensor toward diverse analyte molecules are demonstrated. Under the optimal PTM condition, the response toward 10 ppm NO2 can be boosted from (isothermal) 99.7 to 842.7, and the response toward 100 ppm acetone is increased from (isothermal) 2.7 to 425, which are comparable to or even better than most of the state-of-the-art WO3-based sensors. In comparison to conventional (isothermal) operation, PTM allows to sequentially manipulate the physisorption/chemisorption of analyte molecules, generation of surface reactive oxygen species, and sensor resistance reading and thus provides additional opportunities in boosting the electrical response of oxide sensors for advanced health and/or environment monitoring in future.
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