stringtranslate.com

Хеморезистор

Упрощенная схема хемирезистивного датчика с одним зазором. (не в масштабе)

Хемирезистор — это материал, который изменяет свое электрическое сопротивление в ответ на изменения в близлежащей химической среде. [1] Хемирезисторы — это класс химических датчиков, которые основаны на прямом химическом взаимодействии между чувствительным материалом и аналитом. [2] Чувствительный материал и аналит могут взаимодействовать посредством ковалентной связи , водородной связи или молекулярного распознавания . Несколько различных материалов обладают свойствами хемирезистора: полупроводниковые оксиды металлов , некоторые проводящие полимеры , [3] и наноматериалы, такие как графен , углеродные нанотрубки и наночастицы . Обычно эти материалы используются в качестве частично селективных датчиков в таких устройствах, как электронные языки или электронные носы .

Базовый хемирезистор состоит из чувствительного материала, который перекрывает зазор между двумя электродами или покрывает набор встречно-штыревых электродов . Сопротивление между электродами можно легко измерить . Чувствительный материал имеет собственное сопротивление, которое может модулироваться присутствием или отсутствием аналита. Во время воздействия аналиты взаимодействуют с чувствительным материалом. Эти взаимодействия вызывают изменения в показаниях сопротивления. В некоторых хемирезисторах изменения сопротивления просто указывают на присутствие аналита. В других изменения сопротивления пропорциональны количеству присутствующего аналита; это позволяет измерять количество присутствующего аналита.

История

Еще в 1965 году появились сообщения о полупроводниковых материалах, демонстрирующих электропроводность, на которую сильно влияют окружающие газы и пары. [4] [5] [6] Однако только в 1985 году Вольтен и Сноу ввели термин «хемирезистор» . [7] Исследованный ими хемирезистивный материал представлял собой фталоцианин меди , и они продемонстрировали, что его удельное сопротивление уменьшалось в присутствии паров аммиака при комнатной температуре. [7]

В последние годы технология хеморезисторов использовалась для разработки перспективных датчиков для многих приложений, включая датчики на основе проводящего полимера для пассивного курения, датчики на основе углеродных нанотрубок для газообразного аммиака и датчики на основе оксидов металлов для газообразного водорода. [2] [8] [9] Способность хеморезисторов предоставлять точную информацию об окружающей среде в реальном времени с помощью небольших устройств, требующих минимального количества электроэнергии, делает их привлекательным дополнением к Интернету вещей . [8]

Типы хеморезисторных датчиков

Кислородчувствительная пленка TiO 2 на встречно-штыревом электроде. [10]

Архитектуры устройств

Хеморезисторы могут быть изготовлены путем покрытия встречно-штыревого электрода тонкой пленкой или путем использования тонкой пленки или другого чувствительного материала для перекрытия единственного зазора между двумя электродами. Электроды обычно изготавливаются из проводящих металлов, таких как золото и хром, которые обеспечивают хороший омический контакт с тонкими пленками. [7] В обеих архитектурах химически стойкий чувствительный материал контролирует проводимость между двумя электродами; однако каждая архитектура устройства имеет свои преимущества и недостатки.

Встречно-штыревые электроды позволяют большей площади поверхности пленки контактировать с электродом. Это позволяет создавать больше электрических соединений и увеличивает общую проводимость системы. [7] Встречно-штыревые электроды с размерами пальцев и расстоянием между пальцами порядка микрометров сложны в изготовлении и требуют использования фотолитографии . [8] Более крупные элементы легче изготавливать, и их можно изготавливать с использованием таких методов, как термическое испарение. Как системы со встречно-штыревыми электродами, так и системы с одним зазором могут быть расположены параллельно, что позволяет обнаруживать несколько аналитов одним устройством. [11]

Чувствительные материалы

Полупроводниковые оксиды металлов

Датчики оксида металла с хемирезистором были впервые коммерциализированы в 1970 году [12] в детекторе оксида углерода , который использовал порошкообразный SnO 2 . Однако существует много других оксидов металлов, которые обладают хемирезистивными свойствами. Датчики оксида металла в первую очередь являются газовыми датчиками, и они могут определять как окисляющие , так и восстанавливающие газы. [2] Это делает их идеальными для использования в промышленных ситуациях, где газы, используемые в производстве, могут представлять риск для безопасности работников.

Датчики, изготовленные из оксидов металлов, требуют для работы высоких температур (200 °C и выше), поскольку для изменения сопротивления необходимо преодолеть энергию активации . [2]

Монослой графена. [13]

Графен

По сравнению с другими материалами графеновые хемирезисторные датчики являются относительно новыми, но показали превосходную чувствительность. [14] Графен — это аллотроп углерода, состоящий из одного слоя графита . [15] Он использовался в датчиках для обнаружения молекул в паровой фазе, [16] [17] [18] pH, [19] белков, [19] бактерий, [20] и имитаторов боевых отравляющих веществ. [21] [22]

Углеродные нанотрубки

Первый опубликованный отчет об использовании нанотрубок в качестве хемирезисторов был сделан в 2000 году. [23] С тех пор проводились исследования хемирезисторов и химически чувствительных полевых транзисторов, изготовленных из отдельных однослойных нанотрубок , [24] пучков однослойных нанотрубок, [25] [26] пучков многослойных нанотрубок , [27] [28] и смесей углеродных нанотрубок и полимеров. [29] [30] [31] [32] Было показано, что химические вещества могут изменять сопротивление пучка однослойных углеродных нанотрубок посредством нескольких механизмов.

Углеродные нанотрубки являются полезными сенсорными материалами, поскольку они имеют низкие пределы обнаружения и быстрое время отклика; однако датчики из голых углеродных нанотрубок не очень избирательны. [2] Они могут реагировать на присутствие многих различных газов от газообразного аммиака до дизельных паров. [2] [9] Датчики из углеродных нанотрубок можно сделать более избирательными, используя полимер в качестве барьера, легируя нанотрубки гетероатомами или добавляя функциональные группы на поверхность нанотрубок. [2] [9]

Круглые встречно-штыревые электроды с хеморезисторной пленкой из золотых наночастиц и без нее

.

Наночастицы

В хемирезисторные датчики было включено множество различных наночастиц разного размера, структуры и состава. [33] [34] Наиболее часто используются тонкие пленки золотых наночастиц, покрытые самоорганизующимися монослоями (SAM) органических молекул. [35] [36] [37] [38] [39] SAM имеет решающее значение для определения некоторых свойств сборки наночастиц. Во-первых, стабильность золотых наночастиц зависит от целостности SAM, которая предотвращает их спекание . [40] Во-вторых, SAM органических молекул определяет разделение между наночастицами, например, более длинные молекулы заставляют наночастицы иметь более широкое среднее разделение. [41] Ширина этого разделения определяет барьер, через который электроны должны туннелировать при приложении напряжения и протекании электрического тока. Таким образом, определяя среднее расстояние между отдельными наночастицами, SAM также определяет электрическое сопротивление сборки наночастиц. [42] [43] [44] Наконец, SAM образуют матрицу вокруг наночастиц, в которую могут диффундировать химические вещества . Когда новые химические вещества попадают в матрицу, это изменяет межчастичное разделение, что, в свою очередь, влияет на электрическое сопротивление. [45] [46] Аналиты диффундируют в SAM в пропорциях, определяемых их коэффициентом распределения , и это характеризует селективность и чувствительность материала хеморезистора. [41] [47]

Полимеризация полимера вокруг целевой молекулы, которая затем вымывается, оставляя после себя сформированные полости.

Проводящие полимеры

Проводящие полимеры, такие как полианилин и полипиррол, могут использоваться в качестве сенсорных материалов, когда цель напрямую взаимодействует с полимерной цепью, что приводит к изменению проводимости полимера. [8] [48] Эти типы систем не обладают селективностью из-за широкого спектра целевых молекул, которые могут взаимодействовать с полимером. Молекулярно отпечатанные полимеры могут добавить селективности к проводящим полимерным хемирезисторам. [49] Молекулярно отпечатанный полимер изготавливается путем полимеризации полимера вокруг целевой молекулы и последующего удаления целевой молекулы из полимера, оставляя полости, соответствующие размеру и форме целевой молекулы. [48] [49] Молекулярное отпечатывание проводящего полимера увеличивает чувствительность хемирезистора путем выбора общего размера и формы цели, а также ее способности взаимодействовать с цепью проводящего полимера. [49]

Ссылки

  1. ^ Флоринель-Габриэль Баника, Химические датчики и биосенсоры: основы и применение , John Wiley and Sons, Чичестер, 2012, глава 11, печатный ISBN  978-0-470-71066-1 ; веб- ISBN 0-470710-66-7 ; ISBN 978-1-118-35423-0 .  
  2. ^ abcdefg Ханна, ВК (2012). Наносенсоры: физические, химические и биологические . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-1-4398-2712-3.
  3. ^ "Хемирезистор - Химические микросенсоры - Микросенсоры и сенсорные микросистемы (MSTC)". Архивировано из оригинала 2014-12-17 . Получено 2014-12-17 .
  4. ^ JI Bregman и A. Dravnieks Поверхностные эффекты в обнаружении, 1965 :Spartan
  5. ^ Ф. Гутман и Л. Э. Лайонс Органические полупроводники, 1967 : Wiley
  6. ^ Розенберг, Б.; Мисра, ТН; Свитцер, Р. (1968). «Механизм обонятельной трансдукции». Nature . 217 (5127): 423–427. Bibcode :1968Natur.217..423R. doi :10.1038/217423a0. PMID  5641754. S2CID  4157172.
  7. ^ abcd Wohltjen, H.; Barger, WR; Snow, AW; Jarvis, NL (1985). «Парочувствительный хемирезистор, изготовленный с планарными микроэлектродами и органической полупроводниковой пленкой Ленгмюра-Блоджетт». IEEE Trans. Electron Devices . 32 (7): 1170–1174. Bibcode : 1985ITED...32.1170W. doi : 10.1109/T-ED.1985.22095. S2CID  44662151.
  8. ^ abcd Лю, Юань; Антви-Боампонг, Садик; БелБруно, Джозеф Дж.; Крейн, Марди А.; Тански, Сюзанна Э. (2013-09-01). «Обнаружение пассивного курения сигарет с помощью никотина с использованием проводящих полимерных пленок». Nicotine & Tobacco Research . 15 (9): 1511–1518. doi :10.1093/ntr/ntt007. ISSN  1462-2203. PMC 3842131. PMID 23482719  . 
  9. ^ abc Azzarelli, Joseph M.; Mirica, Katherine A .; Ravnsbæk, Jens B.; Swager, Timothy M. (2014-12-23). ​​«Беспроводное обнаружение газа с помощью смартфона через радиочастотную связь». Труды Национальной академии наук . 111 (51): 18162–18166. Bibcode : 2014PNAS..11118162A. doi : 10.1073/pnas.1415403111 . ISSN  0027-8424. PMC 4280584. PMID 25489066  . 
  10. ^ Ван, Х.; Чен, Л.; Ван, Дж.; Сан, Ц.; Чжао, И. (2014). «Микродатчик кислорода на основе тонкой пленки нанозоля-геля TiO2». Датчики . 14 (9): 16423–33. Bibcode : 2014Senso..1416423W . doi : 10.3390/s140916423 . PMC 4208180. PMID  25192312. 
  11. ^ Ван Гервен, Питер; Лорейн, Вим; Лорейс, Вим; Хайберехтс, Гвидо; Оп Де Бек, Маайке; Баерт, Крис; Сульс, Ян; Сансен, Вилли; Джейкобс, П. (25 июня 1998 г.). «Наноразмерные встречно-штыревые электродные матрицы для биохимических сенсоров». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 49 (1–2): 73–80. дои : 10.1016/S0925-4005(98)00128-2.
  12. ^ ab Wilson, DM; Hoyt, S.; Janata, J.; Booksh, K.; Obando, L. (2001). «Химические датчики для портативных, ручных полевых приборов». Журнал датчиков IEEE . 1 (4): 256–274. Bibcode : 2001ISenJ...1..256W. doi : 10.1109/7361.983465.
  13. ^ Киани, М.Дж.; Харун, Ф.К.К.; Ахмади, М.Т.; Рахмани, М.; Саидманеш, М.; Заре, М. (2014). «Модуляция проводимости заряженного липидного бислоя с использованием транзистора с электролитным затвором на основе графена и полевого эффекта». Nanoscale Res Lett . 9 (9): 371. Bibcode : 2014NRL.....9..371K. doi : 10.1186 /1556-276X-9-371 . PMC 4125348. PMID  25114659. 
  14. ^ Купер, Дж. С.; Майерс, М.; Чоу, Э.; Хаббл, Л. Дж.; Пейчич, Б.; и др. (2014). «Характеристики датчиков на основе графена, углеродных нанотрубок и золотых наночастиц с хемирезистором для обнаружения нефтяных углеводородов в воде». J. Nanoparticle Res . 16 (1): 1–13. Bibcode : 2014JNR....16.2173C. doi : 10.1007/s11051-013-2173-5. S2CID  97772800.
  15. ^ Рао, CNR; Говиндарадж, А. (2005). Нанотрубки и нанопровода . Кембридж, Великобритания: Королевское химическое общество. ISBN 978-0-85404-832-8.
  16. ^ Schedin, F.; Geim, AK; Morozov, SV; Hill, EW; Blake, P.; et al. (2007). «Обнаружение отдельных молекул газа, адсорбированных на графене». Nature Materials . 6 (9): 652–655. arXiv : cond-mat/0610809 . Bibcode :2007NatMa...6..652S. doi :10.1038/nmat1967. PMID  17660825. S2CID  3518448.
  17. ^ Джоши, РК; Гомес, Х.; Фарах, А.; Кумар, А. (2007). «Графеновые пленки и ленты для измерения O 2 и 100 ppm CO и NO2 в практических условиях». Журнал физической химии C . 114 (14): 6610–6613. doi :10.1021/jp100343d.
  18. ^ Дэн, И. и др. (2009). «Внутренний отклик датчиков паров графена». Nano Letters . 9 (4): 1472–1475. arXiv : 0811.3091 . Bibcode : 2009NanoL...9.1472D. doi : 10.1021/nl8033637. PMID  19267449. S2CID  23190568.
  19. ^ ab Ohno, Y.; et al. (2009). «Полевые транзисторы на основе графена с электролитным затвором для определения pH и адсорбции белка». Nano Letters . 9 (9): 3318–3322. Bibcode : 2009NanoL...9.3318O. doi : 10.1021/nl901596m. PMID  19637913.
  20. ^ Моханти, Н.; и др. (2008). «Биоустройство с разрешением на основе одной бактерии и ДНК-транзистор на основе графена: взаимодействие производных графена с биокомпонентами нано- и микромасштаба». Nano Letters . 8 (12): 4469–4476. Bibcode :2008NanoL...8.4469M. doi :10.1021/nl802412n. PMID  19367973.
  21. ^ Робинсон, Дж. Т. и др. (2008). «Молекулярные датчики на основе восстановленного оксида графена». Nano Letters . 8 (10): 3137–3140. Bibcode :2008NanoL...8.3137R. CiteSeerX 10.1.1.567.8356 . doi :10.1021/nl8013007. PMID  18763832. 
  22. ^ Ху, НТ; и др. (2008). «Газовый датчик на основе восстановленного оксида графена п-фенилендиамина». Датчики и приводы B: Химия . 163 (1): 107–114. doi :10.1016/j.snb.2012.01.016.
  23. ^ Kong, J.; et al. (2000). «Молекулярные провода на основе нанотрубок как химические сенсоры». Science . 287 (5453): 622–5. Bibcode :2000Sci...287..622K. doi :10.1126/science.287.5453.622. PMID  10649989.
  24. ^ Брэдли, К.; и др. (2003). «Эффекты короткого канала в контактно-пассивированных химических сенсорах на основе нанотрубок». Appl. Phys. Lett . 83 (18): 3821–3. Bibcode :2003ApPhL..83.3821B. doi :10.1063/1.1619222.
  25. ^ Helbling, T.; et al. (2008). «Подвешенные и неподвешенные транзисторы на основе углеродных нанотрубок для измерения содержания no2 — качественное сравнение». Physica Status Solidi B. 245 ( 10): 2326–30. Bibcode : 2008PSSBR.245.2326H. doi : 10.1002/pssb.200879599. S2CID  124825726.
  26. ^ Maeng, S.; et al. (2008). "Высокочувствительная матрица сенсоров no2 на основе недекорированных однослойных углеродных нанотрубок". Appl. Phys. Lett . 93 (11): 113111. Bibcode :2008ApPhL..93k3111M. doi : 10.1063/1.2982428 .
  27. ^ Пенза, М.; и др. (2009). "Влияние снижения интерферентов в бинарной газовой смеси на адсорбцию газа no2 с использованием хемирезисторов на основе сетчатых пленок из углеродных нанотрубок". J. Phys. D: Appl. Phys . 42 (7): 072002. Bibcode :2009JPhD...42g2002P. doi :10.1088/0022-3727/42/7/072002. S2CID  98541592.
  28. ^ Ван, Ф.; и др. (2011). «Различные хемирезисторы на основе ковалентно модифицированных многослойных углеродных нанотрубок». J. Am. Chem. Soc . 133 (29): 11181–93. doi :10.1021/ja201860g. hdl : 1721.1/74235 . PMID  21718043.
  29. ^ Бекярова, Э. и др. (2004). «Химически функционализированные однослойные углеродные нанотрубки как сенсоры аммиака». J. Phys. Chem. B . 108 (51): 19717–20. doi :10.1021/jp0471857.
  30. ^ Ли, И. и др. (2007). «Характеристики газового зондирования N-типа химически модифицированных многослойных углеродных нанотрубок и композита ПММА». Sens. Actuators, B. 121 ( 2): 496–500. doi :10.1016/j.snb.2006.04.074.
  31. ^ Ван, Ф.; и др. (2008). «Углеродные нанотрубки/политиофеновые хемирезистивные датчики для химических боевых агентов». J. Am. Chem. Soc . 130 (16): 5392–3. doi :10.1021/ja710795k. PMID  18373343.
  32. ^ Wei, C.; et al. (2006). «Многофункциональные химические датчики паров выровненных углеродных нанотрубок и полимерных композитов». J. Am. Chem. Soc . 128 (5): 1412–3. doi :10.1021/ja0570335. PMID  16448087.
  33. ^ Франке, ME; и др. (2006). «Наночастицы металлов и оксидов металлов в хеморезисторах: имеет ли значение наномасштаб?». Small . 2 (1): 36–50. doi :10.1002/smll.200500261. PMID  17193551.
  34. ^ Ибаньес, Ф. Дж.; и др. (2012). «Хемирезистивное зондирование с помощью химически модифицированных металлических и сплавных наночастиц». Small . 8 (2): 174–202. doi :10.1002/smll.201002232. hdl : 11336/5227 . PMID  22052721.
  35. ^ Wohltjen, H.; et al. (1998). «Коллоидный ансамбль металл-изолятор-металл хеморезисторный датчик». Anal. Chem . 70 (14): 2856–9. doi :10.1021/ac9713464.
  36. ^ Эванс, SD; и др. (2000). «Определение паров с использованием гибридных органических-неорганических наноструктурированных материалов». J. Mater. Chem . 10 (1): 183–8. doi :10.1039/A903951A.
  37. ^ Джозеф, И.; и др. (2004). «Золотые наночастицы/органические связующие пленки: самосборка, электронная и структурная характеристика, состав и чувствительность к парам». Faraday Discussions . 125 : 77–97. Bibcode : 2004FaDi..125...77J. doi : 10.1039/B302678G. PMID  14750666.
  38. ^ Ahn, H.; et al. (2004). «Электропроводность и свойства парового зондирования пленок золотых наночастиц, защищенных ω-(3-тиенил)алкантиолом». Chem. Mater . 16 (17): 3274–8. doi :10.1021/cm049794x.
  39. ^ Саха, К.; и др. (2012). «Золотые наночастицы в химическом и биологическом зондировании». Chem. Rev. 112 ( 5): 2739–79. doi : 10.1021/cr2001178. PMC 4102386. PMID  22295941. 
  40. ^ Liu, J.last2=; et al. (2012). «Влияние функционализации поверхности и размера частиц на кинетику агрегации спроектированных наночастиц». Chemosphere . 87 (8): 918–24. Bibcode :2012Chmsp..87..918L. doi :10.1016/j.chemosphere.2012.01.045. PMID  22349061.{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  41. ^ ab Raguse, B.; et al. (2009). «Золотые наночастичные хеморезисторные датчики в водном растворе: сравнение гидрофобных и гидрофильных пленок наночастиц». J. Phys. Chem. C. 113 ( 34): 15390–7. doi :10.1021/Jp9034453.
  42. ^ Terrill, RH; et al. (1995). «Монослои в трех измерениях: ЯМР, саксофон, термические и электронные прыжковые исследования кластеров золота, стабилизированных алканетиолами». J. Am. Chem. Soc . 117 (50): 12537–48. doi :10.1021/ja00155a017.
  43. ^ Wuelfing, WPlast2=; et al. (2000). «Электронная проводимость твердотельных, смешанно-валентных, монослойно-защищенных кластеров au». J. Am. Chem. Soc . 122 (46): 11465–72. doi :10.1021/ja002367+.{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  44. ^ Wuelfing, WP; et al. (2002). «Прыжки электронов через пленки арентиолатных монослоев золотых кластеров». J. Phys. Chem. B. 106 ( 12): 3139–45. doi :10.1021/jp013987f.
  45. ^ Raguse, B.; et al. (2007). «Золотые наночастичные хеморезисторные датчики: прямое обнаружение органических веществ в водном растворе электролита». Anal. Chem . 79 (19): 7333–9. doi :10.1021/ac070887i. PMID  17722880.
  46. ^ Мюллер, К.-Х.; и др. (2002). "Модель перколяции для электронной проводимости в пленках металлических наночастиц, связанных органическими молекулами". Phys. Rev. B. 66 ( 7): 75417. Bibcode : 2002PhRvB..66g5417M. doi : 10.1103/Physrevb.66.075417.
  47. ^ Борер, FI; и др. (2011). «Характеристика плотных массивов хемирезисторных датчиков паров с субмикрометровыми характеристиками и структурированными слоями интерфейса наночастиц». Anal. Chem . 83 (10): 3687–95. doi :10.1021/ac200019a. PMID  21500770.
  48. ^ ab Хуан, Цзиюн; Вэй, Чжисян; Чэнь, Цзиньчунь (2008-09-25). «Молекулярно-импринтированные полипиррольные нанопроволоки для распознавания хиральных аминокислот». Датчики и приводы B: Химия . 134 (2): 573–578. doi :10.1016/j.snb.2008.05.038.
  49. ^ abc Antwi-Boampong, Sadik; Mani, Kristina S.; Carlan, Jean; BelBruno, Joseph J. (2014-01-01). "Селективный молекулярно отпечатанный полимерно-углеродный нанотрубочный датчик для определения котинина". Journal of Molecular Recognition . 27 (1): 57–63. doi :10.1002/jmr.2331. ISSN  1099-1352. PMID  24375584. S2CID  5196220.

Смотрите также