Verstärkung der Ammoniak-Sensorleistung durch Gate-induzierte Trägermodulation in Cur

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 8159 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Unkontrollierte menschliche und industrielle Aktivitäten führen zu einem steigenden Bedarf an selektiven Gassensoren zur Erkennung giftiger Gase in unserer Umwelt. Herkömmliche Widerstandsgassensoren haben den Nachteil einer vorgegebenen Empfindlichkeit und einer schlechten Selektivität zwischen den Gasen. In diesem Artikel wird ein Curcumin-reduzierter Graphenoxid-Seiden-Feldeffekttransistor für den selektiven und empfindlichen Nachweis von Ammoniak in der Luft demonstriert. Die Sensorschicht wurde durch Röntgenbeugung, FESEM und HRTEM charakterisiert, um ihre strukturellen und morphologischen Merkmale zu bestätigen. Raman-Spektroskopie, Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie wurden durchgeführt, um die in der Sensorschicht vorhandenen funktionellen Einheiten zu analysieren. Curcumin-reduziertes Graphenoxid führt ausreichend Hydroxylgruppen in die Sensorschicht ein, um ein hohes Maß an Selektivität gegenüber Ammoniakdämpfen zu gewährleisten. Die Leistung des Sensorgeräts wurde bei positiver, negativer und Null-Gate-Spannung bewertet. Die Ladungsträgermodulation im Kanal durch Gate-Elektrostatik ergab, dass die Minoritätsträger (Elektronen) in reduziertem Graphenoxid vom p-Typ eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Empfindlichkeit des Sensorgeräts spielen. Die Sensorreaktion wurde für 50 ppm Ammoniak bei 0,6 V Gate-Spannung auf 634 % verbessert, verglichen mit 23,2 % und 39,3 % bei 0 V bzw. –3 V. Aufgrund der höheren Beweglichkeit der Elektronen und des schnellen Ladungsübertragungsmechanismus zeigte der Sensor bei 0,6 V eine schnellere Reaktion und Erholung. Der Sensor zeigte zufriedenstellende feuchtigkeitsbeständige Eigenschaften und eine hohe Stabilität. Daher ermöglicht ein Curcumin-reduziertes Graphenoxid-Seiden-Feldeffekttransistorgerät mit der richtigen Gate-Vorspannung eine hervorragende Ammoniakerkennung und könnte ein potenzieller Kandidat für zukünftige tragbare Gasdetektionssysteme mit geringem Stromverbrauch bei Raumtemperatur sein.

Aufgrund der zunehmenden Aktivitäten in der Chemie-, Lebensmittel- und Automobilindustrie besteht ein erheblicher Bedarf an der Entwicklung handgeführter und batteriebetriebener1 Gaswarngeräte. Diese Anforderungen erfordern intensive Forschung zur Herstellung miniaturisierter Gassensoren mit Raumtemperatur und geringem Stromverbrauch. In diesem Zusammenhang werden Sensorschichten auf Basis von Metalloxidhalbleitern (ZnO, TiO2, SnO2, WO3 usw.2,3,4,5) umfassend erforscht. Diese Sensorschichten sind aufgrund ihrer enormen Empfindlichkeit sehr attraktiv, ihre Funktion erfordert jedoch hohe Betriebstemperaturen (typischerweise im Bereich von 200–450 °C). Das hohe Leistungsbudget von Metalloxiden schränkt ihre Verwendung in tragbaren Gasdetektionssystemen bei Raumtemperatur ein. Beispielsweise nutzen SnO2-basierte Taguchi-Sensoren (Figaro Japan), die im Handel erhältlich sind, eine Leistung von 200 mW. Daher sind Anstrengungen erforderlich, um Sensoren mit geringem Stromverbrauch für Raumtemperatur zu entwickeln. Diesbezüglich gibt es mehrere Versuche6,7,8,9, die darauf abzielen, die Sensoren in die ausgereifte CMOS-Plattform zu integrieren. Bestimmte Gase wie Ammoniak und Schwefelwasserstoff haben eine niedrige Zündtemperatur und sind leicht entzündlich. Daher haben sich Forscher auf die Synthese funktionalisierter Nanomaterialien konzentriert, die bei Raumtemperatur funktionieren. Zu diesen Materialien gehören zweidimensionale Nanomaterialien (Graphen), Übergangsmetalldi-Chalkogenide (MoS2, WS2), schwarzer Phosphor, metallorganische Gerüste usw.

Graphen, ein zweidimensionales Nanomaterial, hat aufgrund seiner enormen Oberfläche, thermischen und mechanischen Stabilität, hohen Mobilität und Flexibilität große Aufmerksamkeit gefunden10. Es wurde festgestellt, dass Graphen gegenüber verschiedenen Gasanalyten sehr empfindlich ist. Die zweidimensionale Wabenstruktur und die einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen ermöglichen eine höhere Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Analyten. Unberührtes Graphen, das frei von Defekten ist, weist eine geringe Adsorptionsenergie gegenüber verschiedenen Gasen auf. Das Einbringen von Defekten und Dotierstoffen in die Graphenmatrix soll das Adsorptionsenergieniveau erhöhen und einen besseren Ladungstransfer zwischen den Zielanalyten und der Graphenmatrix ermöglichen. Die chemische Ablösung von Graphen führt zu Graphenoxid, das bei der Reduktion reduziertes Graphenoxid (RGO) erzeugt. Reduziertes Graphenoxid besteht aus mehreren Defektstellen zusammen mit verschiedenen funktionellen Einheiten, die mehrere aktive Stellen für die Adsorption von Zielgasen einführen. Der größte Vorteil von RGO ist seine Fähigkeit, Spurengase auch bei Raumtemperatur nachzuweisen. Dies macht RGO zu einem idealen Kandidaten für den Einsatz in tragbaren Raumtemperatur-Gassensoren der nächsten Generation mit geringem Stromverbrauch.

In verschiedenen industriellen Anwendungen wird Ammoniak als gängiges Reagens verwendet. Ammoniak ist ein äußerst stechendes und giftiges Gas, das bei Exposition in höheren Konzentrationen (> 350 ppm) schwerwiegende Auswirkungen auf Atemwege, Augen und Haut haben kann11,12. Bei längerer Exposition werden beim Menschen schwerwiegende Gesundheitsschäden bis hin zum Tod beobachtet. Nach Angaben der OSHA (Arbeitsschutzbehörde) gilt eine Ammoniakkonzentration von 15–28 Volumenprozent in der Luft als äußerst gesundheitsgefährdend13. Die Brennbarkeit von Ammoniak erfordert die Herstellung von Sensoren, die bei Raumtemperatur funktionieren müssen. Es wurden nur wenige chemoresistive Ammoniaksensoren auf Graphenbasis entwickelt11,14,15,16,17,18,19,20,21, ihre Leistungen sind jedoch nicht zufriedenstellend. RGO-basierte Sensoren, über die bereits berichtet wurde, leiden unter einer großen Reaktion und Wiederherstellung, einer Basisliniendrift, einer schlechten Wiederherstellbarkeit und einer unbefriedigenden Selektivität. In früheren Berichten über Gassensoren auf Graphenbasis fehlt die Analyse unter Feuchtigkeitsumgebungen. Bei Widerstandssensoren kann die Sensorschicht nach dem Aufbringen nicht mehr weiter abgestimmt oder moduliert werden. Diese Faktoren verstärken die Motivation zur Entwicklung von Gassensoren auf der Basis von Feldeffekttransistoren (FET), bei denen der Kanal auch nach der Herstellung des Sensors moduliert werden kann. Diese Strategie könnte eine „Empfindlichkeitssteigerung“ ermöglichen, indem die Anzahl der effektiven Träger in der Kanalregion gesteuert wird22.

In der vorliegenden Arbeit wurde ein Feldeffekttransistor (FET) hergestellt, um Ammoniakdämpfe selektiv zu erkennen. Curcumin-reduziertes Graphenoxid (Cur-rGO) wird als Kanalmaterial synthetisiert und zwischen den Source- und Drain-Elektroden tropfenweise gegossen. Aufgrund (i) der hohen Dielektrizitätskonstante und (ii) der einfachen Abscheidung wird Seide als Gate-Dielektrikum verwendet. Dies reduziert die Herstellungskosten und die Komplexität. Die aktuelle Arbeit demonstriert die Rolle der Gate-Spannung bei der Abstimmung der Art der Ladungsträger, die am Ladungsübertragungs-/Erfassungsmechanismus beteiligt sind. Obwohl bekannt ist, dass es sich bei RGO um ein p-Typ-Material handelt, lässt sich beobachten, dass das Anlegen einer geeigneten Gate-Spannung die Beteiligung der Elektronen an der Ammoniakdetektion gewährleistet. Beim Anlegen einer positiven Gate-Vorspannung (0,6 V) weist der Sensor eine enorme Empfindlichkeit von 634 % bei 50 ppm Ammoniak auf. Im Vergleich zu einer Gate-Vorspannung von Null (rein ohmscher Typ) und einer negativen Gate-Vorspannung wird eine etwa 15-fache Verbesserung der Reaktion beobachtet. Die Beteiligung von Elektronen erhöht die Geschwindigkeit des Ladungstransfers, was sich auch in der Analyse der Reaktions- und Erholungszeit widerspiegelt. Die Leistung dieser Sensoren bei geeigneter Gate-Spannung zeigt die Bedeutung der „Optimierung der Gate-Elektrostatik“ in chemischen Sensoren. Die Verwendung von Curcumin zur Reduzierung von Graphenoxid wird auch durch Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie validiert. Die Reduktion durch Curcumin führt zur vollständigen Entfernung aller anderen funktionellen Gruppen außer Hydroxyl (OH-Bindungen). Diese Hydroxylgruppen spielen eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung der Selektivität der Sensoren gegenüber Ammoniak. Cur-rGO wurde weiter durch FESEM, HRTEM, Raman-Spektroskopie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie charakterisiert, um seine strukturellen, morphologischen und chemischen Eigenschaften aufzudecken. Der auf Cur-rGO basierende Seiden-FET zeigte eine gute Immunität gegen Feuchtigkeit und zeigte eine gute Stabilität. Im Vergleich zu den vorherigen Berichten ist es offensichtlich, dass Cur-rGO-Seiden-FET mit geeigneter Gate-Vorspannung hocheffizient für den selektiven und empfindlichen Nachweis von Ammoniak ist. Diese Ergebnisse beweisen, dass der Ammoniaksensor auf Seiden-FET-Basis Cur-rGO in zukünftigen kommerziellen Niedrigstrom-, Raumtemperatur- und tragbaren Gasdetektorsystemen verwendet werden kann.

Die morphologische, strukturelle und kompositorische Analyse von Cur-rGO wurde mittels FESEM-, HRTEM-, XRD-, FTIR-, XPS- und Raman-Spektroskopie durchgeführt. Abbildung 1a zeigt das FESEM-Bild von Cur-rGO, das das Vorhandensein enormer Falten über den Blättern zeigt. Das Vorhandensein von Falten und die blattartige Morphologie werden durch HRTEM weiter bestätigt, wie in Abb. 1b dargestellt. Das Muster der selektiven Flächenelektronenbeugung (SAED) in Abb. 1c zeigt das Vorhandensein mehrerer Ringe mit unterschiedlicher Punktgröße und variabler Intensität. Dies bestätigt die zufällige Ausrichtung der Blätter und das Vorhandensein zahlreicher Mängel. Die beiden Beugungsebenen entsprechen den (002)- und (100)-Ebenen von Cur-rGO. Abbildung 1d zeigt die Gitterränder und zeigt, dass der Wert des d-Abstands 0,336 nm beträgt, was sehr nahe am ursprünglichen Graphen (0,36 nm) liegt.

(a) FESEM-Bild von Cur-rGO-Nanoblättern, (b) HRTEM-Bild von Cur-rGO-Nanoblättern, (c) SAED-Muster von Cur-rGO-Nanoblättern und (d) Gitterränder und -abstände in Cur-rGO.

Die Untersuchung der kristallographischen Orientierung der synthetisierten Materialien wurde durch XRD-Analyse mit Cu-Kα1-Strahlung (λ = 1,54 Å) durchgeführt, ausgestattet mit einem Parallelstrahldiffraktometer. Abbildung 2a zeigt das XRD-Muster von GO und Cur-rGO. Der scharfe Beugungspeak bei 10,48° für GO entspricht der Reflexion an der (001)-Ebene. Dies bestätigt die Bildung von Graphenoxid durch erfolgreiche Oxidation von Graphitflocken. Ein breiter Peak mit der Mitte bei 24,57° zeigt die Reflexion von (002)-Gitterebenen von Cur-rGO-Nanoblättern. Abbildung 2b zeigt die FTIR-Analyse von GO- und Cur-rGO-Proben. Der breite Peak aufgrund von O-H-Schwingungen spiegelt sich zwischen 3000 und 3500 cm−1 wider. Die C=O-Bindung bei 1740 cm−1 bezieht sich auf die Carboxylgruppen, die am Rand der Graphenschicht vorhanden sind. Das Vorhandensein einer C-O-Streckung bei 1048 cm-1, einer C-O-C-Streckung bei 1220 cm-1 und einer C-OH-Streckung bei 1373 cm-1 spiegelt die unterschiedlichen funktionellen Einheiten wider, die in GO23 vorhanden sind. Die thermische Behandlung von GO mit Curcumin führt zu einer erfolgreichen Reduktion von GO, wie durch FTIR-Spektren bestätigt. Abgesehen von der O-H-Streckung (zentriert bei 3400 cm−1) werden alle anderen funktionellen Gruppen erfolgreich von der GO-Oberfläche entfernt. Das Vorhandensein dieser O-H-Gruppe hat im Vergleich zu anderen VOCs einen großen Einfluss auf den selektiven Nachweis von Ammoniak.

(a) XRD-Muster von GO und Cur-rGO und (b) FTIR-Spektren von GO und Cur-rGO.

Die erfolgreiche Reduktion durch Curcumin wird durch Raman-Spektroskopie weiter validiert, wie in Abb. 3 dargestellt. Abbildung 3a zeigt die Raman-Spektren für GO, während Abb. 3b die Raman-Spektren für Cur-rGO zeigt. Die D- und G-Banden für GO wurden bei 1366 cm-1 und 1607 cm-1 gefunden, nach der Reduktion verschoben sich die D- und G-Banden jedoch auf 1357 cm-1 und 1599 cm-1, was mit den vorherigen Berichten übereinstimmt24,25 . Die Bindung von Curcumin-Funktionalitäten an die ungesättigten Kohlenstoffatome führt zu einer Verschiebung der „D“- und „G“-Banden zu niedrigeren Wellenzahlen. Das elektronenspendende Curcumin führt zu einer Erweichung der Phononen und verschiebt das Fermi-Niveau26,27.

(a) Raman-Spektren für GO, (b) Raman-Spektren für Cur-rGO.

Das Curcumin-reduzierte GO wurde durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) weiter untersucht, um die chemischen Zustände und funktionellen Gruppen weiter zu analysieren. Das entfaltete XPS-Spektrum der C 1s-Region von Cur-rGO ist in Abb. 4a dargestellt. Es ist zu bemerken, dass die C 1S-Region Peaks mit Bindungsenergien von 284,6 eV und 286,5 eV aufweist, die der C=C- bzw. CO-Bindung entsprechen. Der entfaltete Graph der O 1S-Region ist auch in Abb. 4b dargestellt. O 1s-Peaks mit Bindungsenergien von 530,6 eV und 532,5 eV werden der O=C-OH- bzw. O=C-Bindung zugeschrieben. Das Vorhandensein von O=C–OH ist in unserer Studie aufgrund der hohen Adsorptionsenergie von NH3-Molekülen gegenüber –OH-Gruppen von großer Bedeutung.

(a) Schmalscan-Spektren von C 1s und (b) O 1s von Cur-rGO.

Die Reduktion von GO in Gegenwart von Curcumin führt zur Bildung einer hochempfindlichen Ammoniak-Sensorschicht. Das Vorhandensein eines Feldeffekts in den Sensorgeräten ermöglicht die Modulation von Ladungsträgern im Kanalbereich. Da reduziertes Graphenoxid p-Typ-Eigenschaften aufweist, spielen Elektronen bei allen Transportmechanismen die Rolle von Minoritätsträgern. Diese Elektronen spielen eine entscheidende Rolle beim hochempfindlichen Nachweis von Ammoniak in niedrigen Konzentrationen. Es wird vorhergesagt, dass die Ladungsübertragung während der Messung bei Elektronen effizienter wäre als bei Löchern. Löcher mit geringerer Beweglichkeit und höherer effektiver Masse würden einem schnellen Ladungstransfer stärker im Wege stehen. Daher liegt der Schwerpunkt auf der Verwendung von Elektronen als Hauptträger für die Ladungsübertragung durch Anlegen einer geeigneten Gate-Vorspannung.

Unberührtes Graphen weist eine Adsorptionsenergie von 0,114 eV gegenüber Ammoniak auf28. Es wurde festgestellt, dass die Epoxid- und Hydroxylgruppen in defektinduzierten Graphenschichten Bindungsenergien von 0,219 eV bzw. 0,840 eV für Ammoniak aufweisen28. Dies zeigt, wie wichtig es ist, dass Hydroxylgruppen auf der Sensoroberfläche vorhanden sind. Wenn die angelegte Gate-Spannung negativ oder Null ist, sind Löcher die Träger, die am Erfassungsphänomen beteiligt sind. Ammoniakmoleküle binden sich an die Hydroxylgruppen und spenden Elektronen an die Cur-rGO-Sensorschicht, wie in Abb. 5 dargestellt. Die Hauptträger sind Löcher, die sich mit den ankommenden Elektronen rekombinieren und der Drainstrom verringert sich. Wenn die angelegte Spannung positiv ist, besteht der Kanal aus Elektronen. Wenn Ammoniakmoleküle mit dem Kanal in Kontakt kommen, erhöht dies die Elektronenkonzentration von Cur-rGO und erhöht somit den Drainstrom. Die Funktionalisierung der Cur-rGO-Oberfläche mit Hydroxylgruppen bietet eine hohe Bindungsenergie gegenüber Ammoniak, was zu bevorzugter Adsorption und hoher Selektivität führt. Diese Änderung des Drain-Stroms wird als Reaktion visualisiert und in Prozent ausgedrückt.

Ammoniak-Sensormechanismus des Cur-rGO-Sensors.

Die Reaktion ist mathematisch definiert als:

Dabei sind Id, Gas und Id, Luft der Drainstrom bei Einwirkung von Ammoniak bzw. Luft.

Die Id-Vg-Charakteristik (Vds = 1,5 V) in Abb. 6a zeigt, dass das Gerät ein sehr hohes EIN-AUS-Verhältnis (~ 105) aufweist. Bei einer Gate-Spannung von weniger als 0,5 V weist das Gerät aufgrund von Löchern Leitfähigkeit auf. Nach 0,5 V weist das Gerät jedoch Elektronenleitfähigkeit auf. Wenn der Sensor Ammoniakmolekülen ausgesetzt wird, verringert sich der Löcherstrom (links von 0,5 V), aber der Elektronenstrom steigt (rechts von 0,5 V). Wenn die Mehrheitsträger Löcher sind, verringert die Anwesenheit von Ammoniakmolekülen die Anzahl der Löcher aufgrund der Elektron-Loch-Rekombination. Daher wird eine Verringerung des Stroms beobachtet. Bei einer erhöhten Gate-Spannung über 0,5 V spendet das Vorhandensein von Ammoniak Elektronen in den Kanal. Da nun das Elektron der Hauptträger ist, nimmt seine Konzentration zu und daher wird ein Anstieg des Stroms beobachtet.

(a) Id-Vgs des Cur-rGO-Seidengeräts zusammen mit unterschiedlichen Ammoniakkonzentrationen. (b) Konzentrationskurve bei Vgs = 0,6 V. (c) Reaktion auf Ammoniak bei unterschiedlicher Gate-Spannung. (d) Selektivität des Sensors gegenüber Ammoniak.

Abbildung 6b zeigt die Änderung des Stroms mit einer Änderung der NH3-Konzentration von 10 auf 50 ppm. Die Konzentrationskurve wird bei Vgs = 0,6 V angezeigt, der besten Erfassungsbedingung. Abbildung 6c zeigt die Reaktion des Sensors auf Ammoniak bei verschiedenen Gate-Spannungen. Es ist offensichtlich, dass die Reaktion bei 0 V Gate sehr gering ist. Bei negativer Spannung, mit Löchern als Mehrheitsträger, steigt die Empfindlichkeit, allerdings nicht wesentlich. Bei positiver Gate-Spannung, insbesondere bei 0,6 V, sind die Elektronen die primären Ladungsträger, die an der Erfassung beteiligt sind. Bei dieser Spannung verstärken zwei Ereignisse das Erfassungsphänomen: (i) eine geringere Anzahl von Elektronen im Kanal, was eine starke Reaktion in Gegenwart von Spuren von Ammoniak ermöglicht, und (ii) eine höhere Mobilität der Elektronen als die von Löchern, was einen schnelleren Ladungstransfer ermöglicht. Bei einer Konzentration von 50 ppm beträgt die Reaktion auf Ammoniak 23,2 % bei 0 V Vgs und 39,3 % bei –3 V Vgs. Bei Vgs = 0,6 V steigt die Reaktion jedoch enorm auf 634 % für 50 ppm Ammoniak. Dieses Ergebnis stellt den Kern der Gate-Spannungsoptimierung dar, um die Empfindlichkeit der Sensorschicht zu erhöhen.

Abbildung 6d zeigt den hohen Grad der Selektivität von Cur-rGO gegenüber NH3-Molekülen im Vergleich zu sieben anderen VOCs (Aceton, Toluol, Formaldehyd, Ethanol, Methanol, Benzol, Isopropanol). Aufgrund des n-Typ-Verhaltens des Kanals bei der gewünschten Gate-Spannung wird beobachtet, dass der Strom mit abnehmender Konzentration abnimmt. Abbildung 7 zeigt die Wiederholbarkeit von Cur-rGO bei 20 ppm NH3 bei einem optimierten Vgs von 0,6 V. Der Sensor erreicht den Basisstrom, nachdem die Gasquelle entfernt wurde. Das Fehlen einer Basisliniendrift ist ein Segen im Hinblick auf die Kalibrierung des Geräts.

Wiederholgenauigkeit des Geräts bei 20 ppm.

Die Reaktionszeit ist die Zeit, die der Sensor benötigt, um bei 10 % des Maximalwerts 90 % zu erreichen. Die Erholungszeit ist die Zeit, die der Sensor benötigt, um sich von 90 auf 10 % des Maximalwerts zu erholen. Die Reaktions- und Erholungszeit von Cur-rGO bei positiver Gate-Spannung (0,6 V) ist geringer als bei negativer (-3 V) und Null-Gate-Vorspannung, wie in Abb. 8a, b dargestellt. Dies liegt daran, dass die Elektronenmobilität im Vergleich zu Löchern höher ist und eine optimierte Anzahl von Elektronen im Kanal die Empfindlichkeit von Cur-rGO erhöht. Die Feuchtigkeitsbeständigkeit des Cur-rGO Silk-FET-Geräts ist für die Entwicklung hochpräziser Ammoniakdetektoren von großer Bedeutung. Die Variation der Reaktion mit RH% bei Vgs = 0,6 V und Vgs = 0 V ist in Abb. 8c dargestellt. Es wird beobachtet, dass der Sensor gegenüber Feuchtigkeitsschwankungen immun ist. Dies kann auf die selektive Entfernung anderer sauerstoffhaltiger Gruppen (Carbonyl, Epoxid, Carboxyl) zurückgeführt werden, die sonst in Graphenoxid auftritt. Die Stabilität des Sensorgeräts wird in Abb. 8d erläutert, wo deutlich zu erkennen ist, dass Cur-rGO Silk-FET auch nach 40 Tagen noch sehr stabil ist.

(a) Variation der Reaktionszeit von Cur-rGO mit der Gate-Spannung. (b) Variation der Erholungszeit von Cur-rGO mit der Gate-Spannung. (c) Feuchtigkeitsbeständiges Verhalten von Cur-rGO. (d) Stabilität des Geräts für 40 Tage.

Daher führt der Effekt der Gate-Spannung zur Verbesserung der Ammoniak-Sensorleistung für Cur-rGO eine neue Technik zur Erhöhung der Empfindlichkeit im Gassensorbereich ein. Die Leistung von Cur-rGO gegenüber NH3 wird mit früheren Arbeiten aus der Literatur verglichen, wie in Tabelle 1 dargestellt. Es wird somit beobachtet, dass Cur-rGO Silk-FET sich als hocheffizient bei der Detektion von NH3 bei Raumtemperatur erweist. Die Optimierung der Gate-Spannung zur Änderung der Polarität des Kanals und das Vorhandensein von Seide als Dielektrikum gewährleisten einen empfindlichen und stromsparenden Betrieb. Die ordnungsgemäße Reduktion von Graphenoxid durch Curcumin hinterlässt Hydroxylgruppen, was das selektive Ammoniak-Erkennungsverhalten des Cur-rGO Silk FET erleichtert. Daher kann Cur-rGO Silk FET in zukünftigen kommerziellen Ammoniakgas-Detektionssystemen mit Raumtemperatur und geringem Stromverbrauch eingesetzt werden.

Graphitpulver, Natriumnitrat, Kaliumpermanganat, Schwefelsäure, Ammoniaklösung, Ethanol, Natriumcarbonat, Calciumchlorid, Ameisensäure und Curcumin wurden von Merck India pvt Ltd. bezogen und während des gesamten Experiments ohne weitere Reinigung verwendet. Im Handel erhältliche Bombyx Mori-Seide wurde von M/S Bombyx Mori Silks and Textiles, Srinagar, Indien, gekauft. Zur Herstellung von entionisiertem Wasser wurde das Millipore-Reinigungssystem verwendet.

Die weithin bekannte Hummer-Methode wurde zur Synthese von Graphenoxid (GO)-Schichten durch chemisches Peeling von Graphitpulver eingesetzt. Zur Synthese von Curcumin-reduziertem Graphenoxid (Cur-rGO) wurde eine Lösung von Curcumin in Ethanol durch Zugabe von 5 mg Curcumin zu 10 ml Ethanol hergestellt. Die Lösung wurde eine Stunde lang gerührt, um eine homogene gelbe Lösung zu erhalten. Ein Becherglas mit 100 ml GO-Dispersion (1 mg/ml) wurde ständig gerührt und Curcuminlösung tropfenweise zugegeben, um eine homogene Mischung zu erhalten. Nach 2-stündigem Rühren wurden 20 μl Ammoniaklösung (27 %) zugegeben, um einen pH-Wert von 10 zu erreichen. Nach weiterem Rühren für eine Stunde wurde die Lösung in eine Reagenzflasche mit blauem Deckel überführt. Anschließend wurde die Lösung 4 Stunden lang in einem Heißluftofen auf 85 °C erhitzt. Die resultierende Lösung wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und einer Zentrifugation bei 2500 U/min unterzogen, um unerwünschte Verunreinigungen zu entfernen. Die so hergestellte Lösung wurde Cur-rGO genannt.

Die dielektrische Seidenlösung wurde nach einer von Sarkar et al.29 vorgeschlagenen Methode hergestellt. Zunächst wurde eine leimartige Substanz (Sericin) entfernt, die die Seidenfibroine bindet. Anschließend wurden die Fibroine aufgelöst, um eine homogene Lösung zu bilden. Sericin wurde aus Seidenfibroinen durch 1,5-stündige Behandlung mit 0,5 %iger Natriumcarbonat-Wasser-Lösung bei 110 °C entfernt. Im nächsten Schritt wurde es gründlich mit entionisiertem Wasser gespült und über Nacht getrocknet. Nach der Trocknungsphase wurde die entschleimte Seide in einer Lösung aus Ameisensäure und Calciumchlorid (19:1) gelöst, was zu einer regenerierten Seidenfibroinlösung führte. Die Anwesenheit anorganischer Salze mit Ameisensäure erleichtert die Auflösung entschleimter Seide. Calciumchlorid dringt in die Struktur ein, während Ameisensäure das Quellen der Seide ermöglicht. Das Eindringen dieser Salze unterbricht die Wasserstoffbindung zwischen den Fibroin-Proteinketten und zersetzt sie in mikrogroße Fibrillen und schließlich in Nanofibrillen. Anschließend wurde die Lösung auf eine Petrischale gegossen und bei 60 °C getrocknet. Nach dem Trocknen wurde der Film über Nacht in entionisiertes Wasser getaucht, um Calciumchlorid zu entfernen, da es sich nachteilig auf die Eigenschaften dünner Filme auswirkt. Der Film kann bei Bedarf direkt in Ameisensäure aufgelöst und rekonstituiert werden.

Die Herstellung des Silk-Gate-Feldeffekttransistors (Silk-FET) erfolgte auf einem Siliziumwafer vom Typ p<100> mit einem spezifischen Widerstand von 4–20 Ω-cm. Ein 200 nm dickes thermisches Oxid (trocken-nass-trocken) wurde über Silizium gewachsen, um eine ordnungsgemäße Isolierung zu erreichen. Die Abscheidung einer 50 nm dicken Aluminiumschicht erfolgte durch thermische Verdampfung, die als Gate-Elektrode fungierte. Über den Aluminiumfilm wurde eine dielektrische Schicht aus einer 200-nm-Seidenlösung schleuderbeschichtet. Source- und Drain-Elektroden wurden mittels Gleichstromsputtern hergestellt, eine 20 nm dicke Titan-(Ti)-Klebeschicht wurde abgeschieden, gefolgt von 100 nm Gold (Au) durch eine Schattenmaske. Zwischen den Fingern wurde ein Fingerabstand von 200 μm erreicht. Die Breite der Elektroden betrug 500 µm. Das Sensormaterial (Cur-rGO) wurde durch einfache Tropfengusstechnik auf die Lücken aufgetragen. Das Schema des hergestellten Silk-FET-Geräts ist in Abb. 9 dargestellt.

Schematische Darstellung eines Silk-FET-Sensorgeräts mit Cur-rGO als Kanalmaterial.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Die Autoren möchten dem Mikroelektronik- und MEMS-Labor für die Bereitstellung aller experimentellen Einrichtungen danken.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Avik Sett und Lisa Sarkar.

Abteilung für Elektronik und elektrische Kommunikationstechnik, IIT Kharagpur, Kharagpur, 721302, Westbengalen, Indien

Avik Sett, Lisa Sarkar und Tarun Kanti Bhattacharyya

School of Nanoscience and Technology, IIT Kharagpur, Kharagpur, 721302, Westbengalen, Indien

Santanab Majumder

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AS hat den Sensor hergestellt, das Sensormaterial synthetisiert, die Arbeit geschrieben und alle experimentellen Daten validiert. LS und SM unterstützen bei der Charakterisierung von Materialien. TKB überprüfte und korrigierte das Manuskript und stellte entsprechende Anleitungen zur Verfügung. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Tarun Kanti Bhattacharyya.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Sett, A., Sarkar, L., Majumder, S. et al. Verstärkung der Ammoniak-Sensorleistung durch Gate-induzierte Trägermodulation im Cur-rGO Silk-FET. Sci Rep 13, 8159 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34617-7

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Eingegangen: 09. Februar 2023

Angenommen: 04. Mai 2023

Veröffentlicht: 19. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34617-7

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