室溫氫傳感器在潮濕空氣中通常會(huì)受到劇烈響應(yīng)下降的影響。針對(duì)H
2傳感肖特基二極管的這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種鉑/氧化石墨烯/二氧化鈦(Pt/GO/TiO2)肖特基二極管。在50 nm厚的Pt納米層和TiO
2襯底之間添加氧化石墨烯夾層，顯著提高了其對(duì)濕度干擾的抵抗能力。值得注意的是，當(dāng)氧化石墨烯負(fù)載為0.969 mg cm
-2時(shí)，二極管的響應(yīng)保持率(R
RH95%/R
dry)接近100%。為了揭示Pt/GO/TiO
2二極管抗?jié)裥阅芴岣叩臋C(jī)理，利用石英晶體微天平和近環(huán)境壓力X-射線光電子能譜研究了Pt/GO/TiO
2二極管的水吸附行為。水蒸氣中Pt/GO/TiO
2的Pt表面不存在H
2O分子。這是由于GO夾層的H
2O吸附效應(yīng)，源于GO夾層優(yōu)越的H
2O吸附能力，導(dǎo)致吸附在Pt表面的H
2O分子通過(guò)Pt納米層中的納米通道擴(kuò)散到GO夾層中。此外，氧化石墨烯夾層作為阻斷層，使二氧化鈦表面生成的羥基物質(zhì)向鉑納米層擴(kuò)散。這種羥基阻斷效應(yīng)阻止了吸附在Pt/GO界面上的H原子的消耗。
圖1. Pt/TiO
2 和 Pt/GO/TiO
2 H
2 傳感二極管制備過(guò)程示意圖。
圖2. (a) GO 層和 GO 粉末的拉曼光譜。(b) 在不同 EPD 參數(shù)下沉積的 GO 層的面載荷。TiO
2 基材上的GO 層的 SEM 圖像：(c) ((50 V–30 min) GO層 和 (d) (50 V–60 min) GO 層。TiO
2 上 GO 的 SEM 剖面圖：(e) (50 V–15 min) GO 層，(f) (50 V–30 min) GO 層，(g) (50 V–60 min) GO 層。(h) (50 V–60 min) GO/TiO
2 上 Pt 層的 SEM 圖像。(i) TEM 網(wǎng)格碳膜上濺射 Pt 層的 TEM 圖像。
圖3. (a) 298 K 干燥空氣中的 I-V 曲線，(b) 開啟電壓下的 I-t 曲線（圖 S5a）和 (c) 298 K 干燥空氣中 Pt/TiO2 和 Pt/GO/TiO
2 二極管對(duì) 1000 ppm H
2 的響應(yīng)。(d) 由于金屬誘導(dǎo)間隙態(tài) (MIGS)， Pt/TiO
2 界面處的費(fèi)米能級(jí)釘扎。(e) GO 中間層削弱了從金屬到半導(dǎo)體的電子波函數(shù)，從而減輕了費(fèi)米能級(jí)釘扎。(f) 隨著 GO 中間層變厚，隧穿電阻 (R
T) 增加。
圖4. 298 K時(shí)(a) 開啟電壓 (0.85 V) 下的 Pt/TiO
2 和 (b) 開啟電壓 (0.87 V) 下的 Pt/GO(0.969 mg cm
-2 )/TiO
2 在干燥空氣中對(duì) 1000 ppm H
2 的 I-t 曲線以及在 RH 95% 空氣中對(duì) 1000 ppm H
2 的 I-t 曲線。(c) Pt/TiO
2 和 Pt/GO/TiO
2 二極管的響應(yīng)直方圖和 (d) 響應(yīng)保留率 (R
RH95%/R
dry)。
圖5. 298 K 下，Pt/TiO
2 在開啟電壓 (0.85 V) 和 Pt/GO(0.969 mg cm
-2 )/TiO
2 在開啟電壓 (0.87 V) 下的(a) I-t 曲線以及 (b) 它們對(duì)不同 RH 的 1000 ppm H
2/空氣的響應(yīng)。(c) Pt/TiO
2 和 (d) Pt/GO(0.969 mg cm
-2 )/TiO
2 的 I-t 曲線，以及 (e) 它們對(duì)不同濃度的混合干燥或 95% RH 空氣的 H
2 的響應(yīng)。
圖6. (a) QMC 上 Pt、GO 和 Pt/GO(0.969 mg cm
-2 ) 層的制備過(guò)程。298 K 時(shí) QMC 上的 (b) Pt 層、(c) GO 層和 (d) Pt/GO 層在 95% RH 空氣中長(zhǎng)時(shí)間存在的頻率和質(zhì)量變化。(e) Pt 層、GO 層和 Pt/GO 層的質(zhì)量增加率。(f) QMC 上的 Pt/GO 層在 95% RH 空氣中對(duì) 5% H
2 切換的頻率和質(zhì)量變化。(g) Pt/GO(0.969 mg/cm
2 )/TiO
2 二極管在 RH 95% 空氣中長(zhǎng)期濕潤(rùn)空氣中 (40 小時(shí)) 對(duì) 1000 ppm H
2 的 I-t 曲線。
圖7. (a) Pt 箔、(b) Pt/TiO
2 和 (c) Pt/GO/TiO
2 的 Pt 表面的 O 1 s 光譜。NAP–XPS 的條件和順序：UHV（298 K，RT）、0.3 mbar H
2O（RT）、0.3 mbar H
2O（373 K）、0.3 mbar H
2O（RT）和 0.3 mbar H
2O + 0.1 mbar H
2（RT）。
圖8. (a) 由于 Pt 表面吸附了 H
2O，潮濕空氣中的 H
2 響應(yīng)降低。(b) 由于 GO 夾層的 H
2O 吸附作用，H
2O 分子從 Pt 表面擴(kuò)散到具有優(yōu)異 H
2O 吸附能力的 GO 夾層。(c) TiO
2 表面生成了 –OH 物質(zhì)使得潮濕空氣中的 H
2 響應(yīng)降低。(d) GO 夾層的羥基阻斷作用可防止 –OH 從 TiO
2 向 Pt 層擴(kuò)散。
相關(guān)研究成果由哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院Haitao Fang、中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Baohua Mao、上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院Zhi Liu等人于2024年發(fā)表在Sensors and Actuators: B. Chemical (https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.135569)上。原文：Pt/GO/TiO
2 room–temperature hydrogen sensing Schottky diode: High resistance to humidity interference endowed by the graphene oxide interlayer
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
