Humidity Diode Sensors Based on 1D Nanosized Silicon Structures

Я. Ліневич; В. Коваль; М. Душейко; М. Лакида

doi:10.15407/scine20.03.067

Автор(и)

Я. Ліневич Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» https://orcid.org/0000-0002-8399-034X
В. Коваль Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» https://orcid.org/0000-0002-3898-9163
М. Душейко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» https://orcid.org/0000-0003-3476-4220
М. Лакида Національний університет біоресурсів і природокористування України https://orcid.org/0000-0001-9973-9849

DOI:

https://doi.org/10.15407/scine20.03.067

Ключові слова:

метало-стимульоване хімічне травлення, кремнієві нанонитки, 1D наноструктури, кремнієвий діод, сенсори вологи

Анотація

Вступ. Вимірювання вологості необхідне в мікроелектронній, аерокосмічній, біомедичній та харчовій промисловості, у побуті для клімат-контролю. Наразі як сенсори вологості використовують різні види приладів: ємнісні, резистивні, діодні, гравіметричні та оптичні структури, а також польові транзистори і прилади на поверхневих акустичних хвилях.
Проблематика. На сьогодні є потреба у розробці інтегрально сумісних сенсорів вологи, які мають високу чутливість і низьку вартість. Для цього успішно використано кремнієві нанонитки у сенсорах вологості резистивного та ємнісного типу, проте бракує досліджень щодо впливу нанониток на вологочутливі характеристики сенсорів діодного типу.
Мета. Розробка і дослідження діодних сенсорів вологості на основі кремнієвих нанониток та встановлення впливу технологічних параметрів синтезу та/або структурних особливостей нанониток на робочі характеристики сенсорів вологи.
Матеріали й методи. Процес синтезу сенсорів вологості має кілька етапів: хімічне очищення кремнієвих пластин, синтез кремнієвих нанониток за допомогою стандартного або модифікованого металостимульованого хімічного травлення, дифузія фосфору для створення p-n-переходу, фронтальна і тильна металізація. Поверхневу морфологію
наноструктур вивчали методом скануючої електронної мікроскопії, дослідження вологочутливих характеристик
здійснювали за допомогою сольових гігростатів.
Результати. Показано, що додавання одновимірних кремнієвих наноструктур до складу діодного сенсора вологи значно покращило його робочі характеристики: коефіцієнт випрямлення зріс з 161 до 1807, відгук — з 4,5 до 25, чутливість — з 1,6 до 4,02 (%RH)–1, тоді як час відгуку та час відновлення зменшилися з 85/90 до 25/30 c, величина гістерезису — з 75 до 16 %, девіація сигналу після циклювання — з 15 до 3 %, флуктуація сигналу під час неперервної роботи сенсора — з 17 до 15 %.
Висновки. Використання простоїв та дешевої технології синтезу нанодротів є ефективним для виробництва сенсорів вологи.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

Pan, S., Gayathri, T., Reshma, T., Mang, S. (2022). A sensitive humidity sensor at low pressure with SnO2 . Sensors and Actuators A: Physical, 346, 113835. https://doi.org/10.1016/j.sna.2022.113835.

Nikulicheva, T. B., Zakhvalinskii, V. S., Pilyuk, E. A., Nikulin, I. S., Vyazmin, V. V., Mishunin, M. V. (2023). New humi dity sensor material (CaSO4 ⋅ 2H2 O) 0.975-(CuSO4 ⋅ 5H2 O) 0.025. Materialia, 27, 101662. https://doi.org/10.1016/j.mtla.2022.101662 .

Zheng, F., Li, M., Li, C., Zhou, B., Xuan, X., Li, H. (2022). Wireless surface acoustic wave humidity sensor with chitosan/ porous cyclodextrin — TiO2 composites for monitoring air and human respiration. Sensors and Actuators B: Chemical, 379, 133235. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.133235.

Fang, H., Lin, J., Hu, Z., Liu, H., Tang, Z., Shi, T., Liao, G. (2020). Cu(OH)2 nanowires/graphene oxide composites based QCM humidity sensor with fast-response for real-time respiration monitoring. Sensors and Actuators B: Chemical, 304, 127313. https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.127313.

Zhao, Y., Yang, B., Liu, J. (2018). Eff ect of interdigital electrode gap on the performance of SnO2 — modifi ed MoS2 capacitive humidity sensor. Sensors and Actuators B: Chemical, 271, 256—263. https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.05.084.

Lu, Y., Xu, K., Yang, M. Q., Tang, S. Y., Yang, T. Y., Fujita, Y., Takei, K. (2021). Highly stable Pd/HNb3 O8 -based fl exible humidity sensor for perdurable wireless wearable applications. Nanoscale Horiz, 6, 260—270. https://doi.org/10.1039/D0NH00594K .

Karrevula, V. R., Prasad, A. K., Mishra, V., Tripurasundari, S. (2022). Eff ect of pre-adsorbed moisture and humidity on I—V characteristics of Si PIN diode. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectro meters, Detectors and Associated Equipment, 1047, 167832. https://doi.org/10.1016/j.nima.2022.167832 .

Zhao, X., Chen, X., Liu, F., Ding, X., Yu, X., Tang, K., Li, G. (2022). An ultrafast QCM humidity sensor for respiratory monitoring outside a mask. Sensors and Actuators B: Chemical, 371, 132396. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.132396.

Liu, Y., Gong, H., Lu, X., Ni, K., Zhao, C., Shen, C. (2023). Optical fi ber humidity sensor based on vernier eff ect of Fab ry-Perot interferometers with microsphere. Optical Fiber Technology, 76, 103222. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2023.103222.

Shin, Jongmin, Hong, Y., Wu, M., Bae, J. H., Kwon, H. I., Park, B. G., Lee, J. H. (2018). An accurate and stable humidity sensing characteristic of Si FET-type humidity sensor with MoS2 as a sensing layer by pulse measurement. Sensors and Actuators B: Chemical, 258, 574—579. https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.11.132.

Li, X., Tan, Q., Qin, L., Zhang, L., Liang, X., Yan, X. (2022). A high-sensitivity MoS2/graphene oxide nanocomposite humidity sensor based on surface acoustic wave. Sensors and Actuators A: Physical, 341, 113573. https://doi.org/10.1016/j.sna.2022.113573 .

Dusheiko, M. G., Koval, V. M., Obukhova, T. Y. (2022). Silicon nanowire arrays synthesized using the modifi ed MACE process: Integration into chemical sensors and solar cells. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, 25, 1, 058—067. https://doi.org/10.15407.SPQEO25.01.058

Hou, H., Shao, G., Yang, W., Wong, W. Y. (2020). One-dimensional mesoporous inorganic nanostructures and their applications in energy, sensor, catalysis and adsorption. Progress in Materials Scienc., 113, 100671. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100671.

Hou, H., Shang, M., Wang, L., Li, W., Tang, B., Yang, W. (2015). Effi cient photocatalytic activities of TiO2 hollow fi bers with mixed phases and mesoporous walls. Sci. Rep., 5, 15228. https://doi.org/10.1038/srep15228 .

Ren, X., Hou, H., Liu, Z., Gao, F., Zheng, J., Wang, L., Wu, T. (2016). Shape-enhanced photocatalytic activities of thoroug hly mesoporous ZnO nanofi bers. Small, 12, 4007—4017. https://doi.org/10.1002/smll.201600991.

Hou, H., Shang, M., Gao, F., Wang, L., Liu, Q., Zheng, J., Yang, W. (2016). Highly effi cient photocatalytic hydrogen evolution in ternary hybrid TiO2 /CuO/Cu thoroughly mesoporous nanofi bers. ACS Appl Mater Interfaces, 8, 20128—20137. https://doi.org/10.1021/acsami.6b06644.

Naidonov, A., Koval, V., Barbash, V., Dusheiko, M., Yashchenko, O., Yakymenko, O. (2022). Nanocellulose-Based Biodeg radable Bend Sensors. IEEE 41st International Conference on Electronics and Nanotechnology: “ELNANO”, (10—14 Oc tober 2022, Kyiv), 292—297. https://doi.org/10.1109/ELNANO54667.2022.9927070 .

Shang, M., Hou, H., Gao, F., Wang, L., Yang, W. (2017). Mesoporous Ag@TiO2 nanofi bers and their photocatalytic activity for hydrogen evolution. RSC Adv, 7, 30051—30059. https://doi.org/10.1039/C7RA03177G .

Hou, H., Gao, F., Wang, L., Shang, M., Yang, Z., Zheng, J., Yang, W. (2016). Superior thoroughly mesoporous ternary hybrid photocatalysts of TiO2 /WO3 /g-C3 N4 nanofi bers for visible-light-driven hydrogen evolution. J. Mater. Chem. A, 4, 6276—6281. https://doi.org/10.1039/C6TA02307J.

Linevych, Y., Koval, V., Dusheiko, M., Yakymenko, Y., Lakyda, M., Barbash, V. (2022). Silicon Diode Structures Based on Nanowires for Temperature Sensing Applicatio. IEEE 42th International Conference on Electronics and Nanotechnology: “ELNANO”, (10—14 October 2022, Kyiv), 190—195. https://doi.org/10.1109/ELNANO54667.2022.9927122

Ahmed, N., Bhargav, P. B., Rayerfrancis, A., Chandra, B., Ramasamy, P. (2018). Study the eff ect of plasma power density and gold catalyst thickness on Silicon Nanowires growth by Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition. Materials Letters, 219, 127—130. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.02.086.

Deepu, B. R., Anil, S. M., Savitha, P., Basavaraju, Y. B. (2020). Advanced VLS growth of gold encrusted silicon nanowires Mediated by porous Aluminium Oxide template. Vacuum, 185, 109991. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109991.

Xi, Y., Zhang, W., Fan, Z., Ma, Q., Wang, S., Ma, D., Zhang, Y. (2018). A facile synthesis of silicon nanowires/micropillars structure using lithography and metal-assisted chemical etching method. Journal of Solid State Chemistry, 258, 181—190. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2017.07.034.

Koval, V., Yakymenko, Y., Ivashchuk, A., Dusheyko, M., Masalskyi, O., Koliada, M., Kulish, D. (2019). Metal-Assisted Chemical Etching of Silicon for Photovoltaic Application. IEEE 39th International Conference on Electronics and Nanotechnology: “ELNANO”, (16—18 April 2022, Kyiv), 282—287. https://doi.org/10.1109/ELNANO.2019.8783506

Chen, Xuejiao, Zhang, Jian, Wang, Zhiliang, Yan, Qiang, Hui, Shichao. (2011). Humidity sensing behavior of silicon nanowires with hexamethyldisilazane modifi cation. Sensors and Actuators B: Chemical, 156.2, 631—636. https://doi.org/10.1016/j.snb.2011.02.009

Chen, X., Zhang, J., Wang, Z., Yan, Q., Hui, S. (2008). Investigation of capacitive humidity sensing behavior of silicon nanowires. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 41.4, 600—604. https://doi.org/10.1016/j.physe. 2008.10.016.

Barillaro, G., Diligenti, A., Strambini, L. M., Comini, E., Faglia, G. (2008). NO2 adsorption eff ects on p+-n silicon junctions surrounded by a porous layer. Sensors and Actuators B: Chemical, 134(2), 922—927. https://doi.org/10.1016/j.snb.2008.06.048 .

Tao, B., Zhang, J., Miao, F., Li, H., Wan, L., Wang, Y. (2008). Capacitive humidity sensors based on Ni/SiNWs nanocomposites. Sensors and Actuators B: Chemical, 136.1, 144—150. https://doi.org/10.1016/j.snb.2008.10.039.

Hsueh, H. T., Hsueh, T. J., Chang, S. J., Hung, F. Y., Tsai, T. Y., Weng, W. Y., Dai, B. T. (2011). CuO nanowire-based humidity sensors prepared on glass substrate. Sensors and Actuators B: Chemical, 156.2, 906—911. https://doi.org/10.1016/j.snb.2011.03.004 .