室溫氫傳感器在潮濕空氣中通常會受到劇烈響應下降的影響。針對H
2傳感肖特基二極管的這一問題，設計了一種鉑/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，顯著提高了其對濕度干擾的抵抗能力。值得注意的是，當氧化石墨烯負載為0.969 mg cm
-2時，二極管的響應保持率(R
RH95%/R
dry)接近100%。為了揭示Pt/GO/TiO
2二極管抗濕性能提高的機理，利用石英晶體微天平和近環境壓力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，源于GO夾層優越的H
2O吸附能力，導致吸附在Pt表面的H
2O分子通過Pt納米層中的納米通道擴散到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向鉑納米層擴散。這種羥基阻斷效應阻止了吸附在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 1000 ppm H
2 的響應。(d) 由于金屬誘導間隙態 (MIGS)， Pt/TiO
2 界面處的費米能級釘扎。(e) GO 中間層削弱了從金屬到半導體的電子波函數，從而減輕了費米能級釘扎。(f) 隨著 GO 中間層變厚，隧穿電阻 (R
T) 增加。
圖4. 298 K時(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 1000 ppm H
2 的 I-t 曲線以及在 RH 95% 空氣中對 1000 ppm H
2 的 I-t 曲線。(c) Pt/TiO
2 和 Pt/GO/TiO
2 二極管的響應直方圖和 (d) 響應保留率 (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) 它們對不同 RH 的 1000 ppm H
2/空氣的響應。(c) Pt/TiO
2 和 (d) Pt/GO(0.969 mg cm
-2 )/TiO
2 的 I-t 曲線，以及 (e) 它們對不同濃度的混合干燥或 95% RH 空氣的 H
2 的響應。
圖6. (a) QMC 上 Pt、GO 和 Pt/GO(0.969 mg cm
-2 ) 層的制備過程。298 K 時 QMC 上的 (b) Pt 層、(c) GO 層和 (d) Pt/GO 層在 95% RH 空氣中長時間存在的頻率和質量變化。(e) Pt 層、GO 層和 Pt/GO 層的質量增加率。(f) QMC 上的 Pt/GO 層在 95% RH 空氣中對 5% H
2 切換的頻率和質量變化。(g) Pt/GO(0.969 mg/cm
2 )/TiO
2 二極管在 RH 95% 空氣中長期濕潤空氣中 (40 小時) 對 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 響應降低。(b) 由于 GO 夾層的 H
2O 吸附作用，H
2O 分子從 Pt 表面擴散到具有優異 H
2O 吸附能力的 GO 夾層。(c) TiO
2 表面生成了 –OH 物質使得潮濕空氣中的 H
2 響應降低。(d) GO 夾層的羥基阻斷作用可防止 –OH 從 TiO
2 向 Pt 層擴散。
相關研究成果由哈爾濱工業大學材料科學與工程學院Haitao Fang、中國科學院上海微系統與信息技術研究所信息功能材料國家重點實驗室Baohua Mao、上海科技大學物質科學與技術學院Zhi Liu等人于2024年發表在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
轉自《石墨烯研究》公眾號
