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Tailored ZnCu Conductive MOF as a Floating-Gate in Carbon Nanotube Network FET NH 3 Sensors

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作者
Kun Luo,Xianmao Cao,Haoran Peng,Haochen Zhao,Yifei Xie,Wei Ke,Shun Li,Bo Zhang,Zhijian Peng,Ningfei Gao,Haitao Xu,Xiuli Fu
出处
期刊:ACS Sensors [American Chemical Society]
卷期号:11 (1): 310-323 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acssensors.5c02950
摘要

Ammonia (NH 3 ) is a common and hazardous gas, and monitoring low concentrations of NH 3 is crucial for environmental protection and public health. This study reports a synergistically enhanced Zn/Cu bimetallic conductive metal–organic framework (MOF) for room-temperature gas sensing applications and its integration with carbon nanotube network field-effect transistors (CNTFETs). Zn/Cu-HHTP (HHTP = 2,3,6,7,10,11-hexahydroxytriphenylene hydrate) with varying Zn/Cu ratios was synthesized via a solvothermal method and characterized in terms of its structure, morphology, and gas-sensing performance. Cu 2+ facilitates efficient charge transfer during sensing, and Zn 2+ provides active sites that enhance NH 3 adsorption. Gas sensing tests show that Zn 1 Cu 2 -HHTP achieves the highest chemiresistive response (|Δ R |/ R 0 ≈ 4.48%) to 50 ppm of NH 3 with excellent selectivity. Kinetic analysis showed that Zn 1 Cu 2 -HHTP possessed a 3.45–10.46-fold faster adsorption kinetics rate relative to the monometallic systems. Density functional theory reveals that Zn–Cu synergy optimizes NH 3 adsorption at bimetallic sites by balancing adsorption strength. At a gate voltage of 1.0 V, the Zn 1 Cu 2 -HHTP floating-gate CNTFET exhibits a response of 91,202.25% to 1000 ppb NH 3 within 15 s at room temperature. Sensitivity has been greatly improved from 0.11%/ppm for chemiresistive sensors to 4168.69%/ppm for CNTFET sensors, an increase of nearly 37,500 times. This study presents a novel strategy for developing gas sensors with high performance, low power consumption, and excellent selectivity, offering broad application potential in complex environments for trace gas detection.
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