超灵敏的基于忆阻的气体传感器，具有气体触发开关和记忆功能，用于稀NH3检测

Ultrasensitive memristor-based gas sensor (gasistor) with gas-triggered switch and memory function for dilute NH3 detection

超灵敏的基于忆阻的气体传感器，具有气体触发开关和记忆功能，用于稀NH3检测

文献来源:期刊：Sensors and Actuators: B. Chemical

        作者：Peilun Qiu等

        通讯作者：Yuxiang Qin*

        机构：天津大学微电子学院，天津大学成像与传感微电子技术天津市重点实验室，天津大学材料科学与工程学院，先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室。

简介

作者提出了一种TiO2基气化气在室温(RT)下检测稀NH3。该气垫具有双极电阻开关特性，重复性和稳定性好。气敏测量结果表明，TiO2基气敏器可用于NH3的超灵敏检测。在高阻状态下，对1 ppm NH3的响应高达164.2，响应/恢复时间均< 1 s。特别是随着NH3浓度的降低，气相器由高阻态状态转为低阻状态，用于记录NH3泄漏时间。

材料的制备

将钛板依次在丙酮、异丙醇和去离子水中超声清洗10 min，去除表面残留的微量杂质。然后将干净的钛板贴在50ml特氟龙内衬不锈钢高压釜的壁上，高压釜中填充30ml 1mol /L NaOH水溶液。高压灭菌器保持在220◦C 18小时，然后自然冷却到室温。取出覆盖纳米线的钛板，在20 mL HCl(体积比1:10)溶液中浸泡1 h，使Na+与H +交换。最后，得到的样品用去离子水清洗，然后在500◦C在空气中煅烧2小时。为了形成TiO2基气垫，直接使用Ti板作为底部电极，通过抛光表面的TiO2纳米线获得电接触区域(2 × 2 mm2面积)。对于顶部电接触，使用探针尖端与TiO2表面进行直接的电接触。

结果与讨论

通过扫描电镜、XRD、XPS等表征手段证明了材料的成功制备。

为了实现阻性开关功能，原始的TiO2基气化器首先在高电场中通过软击穿在顶部电极和底部电极之间形成导电丝。经过测试发现低阻态与高阻态都具有良好的稳定性。

对比可知在高阻态是材料对氨气的响应高，选择性好。

动态响应测试表明材料具有较好的稳定性，同时响应时间与恢复时间都较短，TiO2基气化气在55% RH时保持相对稳定的响应。当RH大于65%时，传感器的响应迅速下降。这可能是由于湿度过高时，TiO2纳米线表面的活性位点被水分子所占据。

LRS是由于在高电场中氧空位局部重排而形成的纳米级导电灯丝(CF)。当探针尖端处于负偏置时，Ti/TiO2 (TiO2−x)界面中的氧空位向探针迁移，形成高导电性的通道(设定过程)。一旦从探头尖端到底部钛电极形成一条或多条导电通路，气垫就会切换LRS。在复位过程中，TiO2基体中的氧空位向底部电极排斥，导致在Ti底层附近恢复了高浓度的氧空位。这意味着原来的传导通路被打破，器件过渡到HRS。在负电压扫描过程中，电阻开关前后的状态分别为HRS和LRS。拟合斜率估计为0.99，表明载流子输运符合欧姆传导机制。结果提示探针尖端与底部钛电极之间存在良好的导电通道。HRS的ln (I)与V1/2的曲线可以很好地拟合为斜率为4.74的直线，说明在HRS载流子输运过程中肖特基发射占主导地位。

基于各种金属氧化物的传统传感器一般在高温下工作(>200◦C)。然而，作者所提出的二氧化钛基气垫可以用于室温下NH3的检测。与传统的气体传感器不同的是，在进行气敏测试之前，原始的TiO2基气垫首先在高电场下通过软击穿在顶部电极和底部电极之间产生导电丝(CF)。这说明在高电场作用下，TiO2活性层中的氧空位发生了局部重排。无论气化气处于低阻状态还是高阻状态，在顶部电极和底部电极之间都存在电场诱导氧空位，用于导电。因此，可以在室温下测量TiO2基气化硅的电阻值。也就是说，初始电阻的降低有利于信噪比的提高，使气敏响应的变化更加明显。

结论

综上所述，作者提出了一种基于TiO2的气敏装置，并在HRS中表现出了对NH3在RT下的良好敏感性和选择性。成功实现了气体触发开关和记忆功能，气体开关从HRS切换到LRS，记录NH3浓度降低时的泄漏时间。在此基础上，提出了一种改进的理论模型来探讨气体触发开关的机理。该模型具有较好的通用性和现实性，可为气体触发电压和合规电压的预测提供参考。

转自：“科研一席话”微信公众号

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