ایرنا/به تازگی یک حسگر گازی با انتخاب‌گری بالا مبتنی بر اتصال شاتکی گرافن-سیلیکون طراحی شده که تحت شرایط ولتاژی مختلف عمل می‌کند و قادر است با تغییر شرایط نوری محیط، بین نواحی مختلف حساسیت گازی جابه‌جا شود.

به گزارش روز شنبه گروه علمی ایرنا از ستاد توسعه ویژه فناوری‌های نانو، این پژوهش توانایی‌های تشخیص چشمگیری را نشان می‌دهد که شامل دستیابی به حد تشخیص ۳۶ قسمت در میلیارد (ppb) برای دی‌اکسید نیتروژن (NO۲)، ۲۳۸ ppb برای آمونیاک (NH۳) و ۶۴۰ ppb برای استون (C۳H۶O) تحت تابش فرابنفش (UV) در ولتاژ -۰٫۴ ولت است. با این حال، عملکرد این حسگر برای حفظ حساسیت مؤثر به یک منبع تغذیه نوری نیاز دارد.

عملکرد این حسگر به ویژگی‌های منحصربه‌فرد اتصال شاتکی که هنگام ترکیب گرافن با سیلیکون نوع n ایجاد می‌شود، وابسته است. این پژوهش نشان داده که ارتفاع مانع شاتکی نسبت به جذب گاز بسیار حساس است و پاسخ اندازه‌گیری‌شده‌ای را ارائه می‌دهد. علاوه بر این، هنگامی که حسگر در غیاب نور عمل می‌کند، اثر دروازه‌ای از خود نشان می‌دهد که با خمیدگی در منحنی جریان-ولتاژ (I-V) در حدود ۰٫۷ ولت مشخص می‌شود. این تغییر بایاس ناشی از تعامل بارهای گازی با سطح گرافن بوده و حساسیت دستگاه را افزایش می‌دهد.

گرافن برای بیش از یک دهه توجه پژوهشگران را به خود جلب کرده است، که عمدتاً به دلیل خواص ساختاری، نوری، الکتریکی، حرارتی و مکانیکی بی‌نظیر آن است. واکنش‌پذیری بالای سطح دوبعدی و تحرک بالای حامل‌های آن، این ماده را به گزینه‌ای ایده‌آل برای کاربردهای حسگری حساس در انواع مختلف سیستم‌های تشخیص گاز تبدیل کرده است. با این حال، حسگرهای سنتی مبتنی بر گرافن با مشکلاتی از جمله انتخاب‌پذیری پایین و کاهش عملکرد در اثر قرار گرفتن در معرض سطوح متغیر رطوبت نسبی در هوا مواجه بوده‌اند.

برای غلبه بر این محدودیت‌ها، راهبردی‌های مختلفی به کار گرفته شده است تا حساسیت، انتخاب‌پذیری و دوام حسگرهای مبتنی بر گرافن بهبود یابد. این روش‌ها شامل تزئین سطح گرافن با مواد کاتالیستی، ایجاد ساختارهای هیبریدی و استفاده از روش‌های تابش فرابنفش است.

دستگاه اتصال شاتکی که در این مقاله بررسی شده، مزیتی قابل‌توجه نسبت به ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) سنتی ارائه می‌دهد، چرا که حساسیت مشابهی را در ولتاژهای بایاس به‌مراتب پایین‌تر نشان می‌دهد و کارایی تشخیص گاز را در شرایط رطوبتی افزایش می‌دهد.

برای ساخت دیودهای شاتکی، پژوهشگران کار را با یک ویفر سیلیکون نوع n شروع کردند، سپس یک لایه ۹۰ نانومتری از اکسید حرارتی (SiO۲) را روی سطح آن قرار دادند. سپس نواحی مشخصی برای حکاکی انتخاب شدند و پس از آن یک لایه گرافن که از طریق رسوب شیمیایی بخار (CVD) روی فویل مسی به دست آمده بود، روی زیرلایه سیلیکونی منتقل شد.

در ادامه، تماس‌های فلزی (Ni/Au) روی گرافن قرار داده شد تا اندازه‌گیری‌های الکتریکی امکان‌پذیر شود. اندازه ناحیه فعال حسگرها از ۲۵ هزار تا ۵۰ هزار میکرومتر مربع، متغیر بود که امکان کاربرد عملی در آزمایش‌های حسگری گاز را افزایش می‌داد.

نتایج نشان می‌دهد که دیود G-Si پاسخ قابل‌توجهی به گازهای مورد آزمایش نشان می‌دهد، به طوری که تغییرات جریان به صورت تغییر نسبی در جریان حسگر نمایش داده شده است. حد تشخیص در شرایط تاریکی برای NO۲ در ابتدا ۴۷ ppb در بایاس ۰٫۷ ولت مشاهده شد، اما با کمک نور فرابنفش به ۳۶ ppb کاهش یافت. علاوه بر این، نتایج نشان داد که در معرض ۳ ppm از NO۲ در تاریکی، افزایش جریان حدود ۶۹٪ مشاهده شد که در شرایط نور فرابنفش به ۱۸۱ درصد افزایش یافت.

در مورد آمونیاک، پاسخ‌های پایداری مشاهده شد، اما حد تشخیص در شرایط تاریکی ۶۲۹ ppb بود که با نور فرابنفش به ۲۳۸ ppb کاهش یافت، که نشان‌دهنده کارایی روش‌های افزایش انرژی ورودی است. آزمایش این حسگر با استون نیز تغییرات کمتری در جریان نشان داد، اما همچنان حد تشخیص ۶۴۰ ppb تحت تابش UV را به دست آورد که به‌طور قابل‌توجهی نسبت به شرایط تاریکی بهبود یافته بود.

علاوه بر این، عملکرد حسگر در محیط‌های مرطوب به دقت مورد بررسی قرار گرفت که نشان داد وجود رطوبت می‌تواند حساسیت حسگر را مختل کند. مشخص شد که تعامل مولکول‌های H۲O با جذب گازهای هدف رقابت کرده و بر آستانه‌های تشخیص تأثیر منفی می‌گذارد. با این وجود، آنچه در این حسگر برجسته است، مقاومت آن در برابر تأثیرات رطوبت است که آن را به گزینه‌ای برتر نسبت به سایر سیستم‌های مبتنی بر گرافن تبدیل می‌کند.

در حالی که کارایی دیود G-Si از طریق آزمایش‌های مختلف تأیید شده است، نیاز به بررسی بیشتر در مورد قابلیت کاربرد آن در دنیای واقعی، به‌ویژه از نظر تکرارپذیری در دسته‌های تولیدی مختلف، همچنان احساس می‌شود. این مطالعه بر رویکردی تحول‌آفرین برای کاربردهای حسگری گاز کم‌مصرف و مقرون‌به‌صرفه تأکید دارد و در عین حال اطمینان می‌دهد که دستگاه حتی در شرایط رطوبتی متغیر حساس باقی می‌ماند. چنین نوآوری‌هایی در فناوری حسگرها، پتانسیل گسترده‌ای برای حل چالش‌های مهم زیست‌محیطی و نظارت بر سلامت عمومی دارند.