3. 介绍了MOS化学电阻式气体传感器的气体传感机制,并提出了FRT气体传感器的应用、未来前景和挑战。
在这篇综述中,作者系统地分析和总结了FRT MOS气体传感器的最新进展。此外,还总结了基于光照MOS的FRT气体传感器。从材料设计、替代激活和机制解释的角度讨论了实施FRT气体传感器的策略。以上讨论的各种类型的传感器表明,优秀的机械柔性气体传感器是与柔性基材(聚合物基材、纺织品、纸基基材等)、器件结构和基材与传感材料之间的稳定接触适当结合。同时,高性能的RT气体传感器是与形态学纳米结构、混合材料和协同界面效应的合理结合。这篇综述对新型FRTMOS气体传感器的设计、制造和开发具有相当的参考价值。
一般来说,MOS气体传感器具有易于合成、响应值高、成本低、响应/恢复快、可逆性强和稳定性好等优点。然而,它们的高温操作阻碍了更广泛的应用。例如,当在RT条件下工作时,许多MOS气体传感器表现出灵敏度不足,选择性降低,响应/恢复过程变得缓慢,有时长达几十分钟,这对于快速检测有害气体和及时触发警报至关重要。MOS气体传感器的性能可以通过几种方法来提高,包括制备各种形态的MOS,用贵金属修饰MOS,与有机聚合物、碳基材料和TMDCs材料的复合材料,以及光照的辅助。
尽管FRT MOS气体传感器的发展已经取得了巨大的进步,但在实现巨大的机械灵活性、高响应阀、快速响应/恢复、独家选择性、低LOD和长期稳定性方面仍然存在许多挑战和问题。现将FRT气体传感器所涉及的挑战和未来前景总结如下:
(a) 各种MOS已被应用于FRT气体传感器,包括N型MOS (SnO2、ZnO、TiO2、WO3、In2O3、Fe2O3、MoO3、CdO、CeO2、CoFe2O4和SrGe4O9) ,和p型MOS (CuO和Co3O4)。然而,仍有许多敏感和有前途的MOS没有被应用于FRT气体传感器,如V2O5、NiO和MnO2,它们已被广泛研究并表现出很好的气体感应性能。新型MOS的引入可能有助于找到新的性能良好的传感材料来实现FRT传感器。
(b)一般来说,大多数基于FRTMOS的气体传感器是基于原始MOS或双组分复合材料。最近,基于三元复合材料的MOS气体传感器已经被制备出来,以达到更优越的性能。三元复合材料传感性能的大幅提高主要是由于在不同成分的界面上形成了许多易于调制的异质结构,产生了更多的脱效应和活性位点,并增加了可能的导电通道。然而,专注于三元或多元复合材料的研究仍然很少,这可能对FRT气体传感器有很好的前景。
(c)目前,柔性基材已经发展得比较成熟,表现出很好的机械性能。到目前为止,聚合物(PI、PET、PDMS、尼龙等)、纺织品(棉布、纱线、纤维等)和纸基基材(纤维素、纹身纸等)已广泛用于柔性气体传感器。然而,关键的挑战之一是传感元件的开裂和剥落。
(d)到目前为止,TMDCs材料已被广泛地应用于RT气体传感器,具有低LODs、极大的响应和快速的响应/恢复。然而,它很少与柔性基材结合形成FRT传感器。TMDCs材料改性MOS可能是有前途的FRT气体传感器的材料。
(e) 由于碳基材料具有良好的导电性,与MOS杂交后可以扩大电子通路,加速电子传输。目前,碳基材料修饰的MOS FRT气体传感器具有很好的发展前景,已经有实际应用的报道,如智能面罩、智能纺织品、无线RFID等,这可能是最早投入商业产品的FRT气体传感器。
(f) 目前,基于MOS的FRT传感器阵列已被报道。传感器阵列的集成封装可能是未来稳健柔性气体传感系统的发展趋势。传感器阵列不仅可以通过一次性检测得到更准确、更可靠的结果,而且由于多个传感器的配置,还可 以提高系统的长期稳定性。此外,柔性气体传感器阵列与机器学习算法相结合,实现了多种气体的检测,显著提高了传感器阵列的选择性,这对于传统的传感器来说是不可想象的。气体传感器阵列的集成配置可能是构建稳定和高效电子鼻的未来趋势。
(g) 尽管光照已被证明是提高传感器性能的有用方法,但其背后的机制仍有待探索。一般来说,紫外光源很昂贵,而且可能导致传感材料的光降解,限制了它的广泛应用。因此,设计能被可见光激活的更敏感的材料对实际应用更有利。
到目前为止,FRT 气体传感器的发展才刚刚开始,在实现优秀的灵活性和气体敏感特性方面仍然存在许多挑战和问题。在未来,随着新材料、创新工艺和先进结构的进一步发展,高性能的FRT气体传感器将更容易获得。