Functionalized Carbon Nanotubes on Porous Silicon for Sensing Application

Abstract

Еволюція газових датчиків на основі вуглецевих нанотрубок (CNTs) викликала великий інтерес серед дослідників в останнє десятиріччя через їх вибірковість для різних газоподібних середовищ, швидку реакцію, високу чутливість та роботу за кімнатної температури. Функціоналізовані одностінні вуглецеві нанотрубки (F-SWCNTs) та функціоналізовані багатостінні вуглецеві нанотрубки (FMWCNTs) були використані для виготовлення датчика газу на основі діоксиду азоту. Плівки з CNTs наносилися на порувату підкладку кремнію (n-типу) методом краплинного лиття. Шар поруватого кремнію (PS) був виготовлений за допомогою фотоелектрохімічного травлення. Щільність прикладеного струму становить 20 мА/см2 із зеленим лазерним випромінюванням, а типовий час фотоелектрохімічного травлення становив близько 15 хв. Коли зразки F-SWCNTs та F-MWCNTs піддавалися впливу газу NO2 при різних робочих температурах, результати відгуку чутливості показують, що FSWCNTs мають кращі показники, ніж F-MWCNTs. При 200 °C, чутливість F-SWCNTs/PS досягає 61 %, час відгуку та час відновлення становили відповідно 10 с і 214 с, тоді як для F-MWCNTs/PS чутливість сягає 57 % при 100 °С, час відгуку та час відновлення складали приблизно 20 с і 647 с відповідно. У той же час, F-MWCNTs мають робочу температуру (100 °C) меншу за температури F-SWCNTs (200 °C).

The evolution of carbon nanotube (CNTs) based gas sensors has attracted great interest among researchers in the last decade because of their selectivity for various gaseous media, fast response, high sensitivity and room temperature operation. Functionalized single-walled carbon nanotubes (F-SWCNTs) and functionalized multi-walled carbon nanotubes (F-MWCNTs) have been utilized to manufacture nitrogen dioxide gas sensor. CNTs films have been deposited on (n-type) porous silicon substrate by the drop casting technique. A porous silicon layer (PS) was prepared using the photo-electrochemical etching. The applied current density is 20 mA/cm2 with green laser radiation, and the typical photo-electrochemical etching time was about 15 min. When the F-SWCNTs and F-MWCNTs samples were exposed to NO2 gas at different operating temperatures, the sensitivity response results show that the F-SWCNTs have better performance than the F-MWCNTs. At 200 °C the F-SWCNTs/PS sensitivity reaches 61%, the response time and the recovery time were about 10 s and 214 s, respectively; whereas for the F-MWCNTs/PS the sensitivity reaches 57 % at 100 °C, the response time and the recovery time were about 20 s and 647 s, respectively. At the same time, the F-MWCNTs have an operating temperature (100 °C) less than that of the F-SWCNTs (200 °C).