Наноструктурована плівка йодиду міді в багатофункціональному гнучкому пристрої для ультрафіолетового фотодетектування та моніторингу аміаку
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe70.6.406Ключові слова:
УФ детектори, хiмiчнi детектори, гнучкi пiдкладинки, тонкi плiвки, CuI, нанокристалiчнi шариАнотація
З використанням доступних матерiалiв, якi не мають фiзiологiчної токсичностi та мають низьку вартiсть виробництва, та шляхом застосування методу низькотемпературної водної послiдовної iонної адсорбцiї та реакцiї (SILAR) для нанесення тонкої плiвки наноструктурованого йодиду мiдi (CuI) на гнучку полiетиленову (ПE) пiдкладинку створено гнучкий, легкий та портативний пристрiй, що поєднує функцiї датчика газоподiбного амiаку та ультрафiолетового (УФ) фотодетектора, який працює за кiмнатної температури. Пiд впливом УФ випромiнювання вiн функцiонує як гнучкий фотопровiдний УФ фотодетектор з коефiцiєнтом фотопровiдностi 1,17; чутливiстю 2,3 мА/Вт; питомою детектувальною здатнiстю 1 · 109 джонсiв; зовнiшньою квантовою ефективнiстю 0,8% та часом вiдгуку/вiдновлення у кiлька хвилин. Вiн цiлком пiдходить для портативних персональних пристроїв УФ монiторингу та як “електронне око” в системi безпеки дверей. Висока селективна чутливiсть пристрою до амiаку (NH3) зумовлена синергетичним ефектом газу-донора електронiв NH3 на напiвпровiдник p-типу CuI та здатнiстю останнього до комплексоутворення з NH3. Межа виявлення 0,15 ppm хемiрезистивного сенсора амiаку CuI/ПE та його швидка реакцiя та швидке вiдновлення роблять його придатним для виявлення псування харчових продуктiв, монiторингу витокiв амiаку в режимi реального часу та медичної дiагностики шляхом виявлення NH3 у видихуваному повiтрi.
Посилання
1. Z-X. Zhang, T. Haggren, J-X. Li, J. Wang, Q-L. Fang, H.H. Tanand, L-B. Luo. High-performance flexible GaAs nanofilm UV photodetectors. ACS Appl. Nano Mater. 6 (11), 9917 (2023).
https://doi.org/10.1021/acsanm.3c01875
2. A.M. Thomas, C. Yoon, S. Ippili, V. Jella, T.Y. Yang, G. Yoon, S.G. Yoon. High-performance flexible ultraviolet photodetectors based on facilely synthesized ecofriendly ZnAl : LDH nanosheets. ACS Appl. Mater. Interfaces 13 (51), 61434 (2021).
https://doi.org/10.1021/acsami.1c19313
3. Y. Li, H. Ma, W. Hu, Y. Zhao. Highly transparent oxidebased ultraviolet photodetectors for flexible electronics. J. Mater. Sci.: Mater. Electron 33, 15546 (2022).
https://doi.org/10.1007/s10854-022-08460-x
4. M. Vald's, E.A. Villegas, L.A. Ramajo, R. Parra. Ultraviolet-sensor based on tin-doped zinc oxide thin films grown by spray pyrolysis. Ceramics 7, 1500 (2024).
https://doi.org/10.3390/ceramics7040097
5. S.D. Lawaniya, S. Kumar, Y. Yu, K. Awasthi. Nitrogen-doped carbon nano-onions/polypyrrole nanocomposite based low-cost flexible sensor for room temperature ammonia detection. Sci. Rep. 14, 7904 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41598-024-57153-4
6. J. Cai, C. Zhang, A. Khan, C. Liang, W-D. Li. Highly transparent and flexible polyaniline mesh sensor for chemiresistive sensing of ammonia gas. RSC Adv 8, 5312 (2018).
https://doi.org/10.1039/C7RA13516E
7. Y. Zhuang, X. Wang, P. Lai, J. Li, L. Chen, Y. Lin, F. Wang. Wireless flexible system for highly sensitive ammonia detection based on polyaniline/carbon nanotubes. Biosensors 14, 191 (2024).
https://doi.org/10.3390/bios14040191
8. C. Zhu, T. Zhou, H. Xia, T. Zhang. Flexible room-temperature ammonia gas sensors based on PANI-MWCNTs/ PDMS film for breathing analysis and food safety. Nanomaterials 13, 1158 (2023).
https://doi.org/10.3390/nano13071158
9. M. Matsuguchi, K. Horio, A. Uchida, R. Kakunaka, S. Shiba. A flexible ammonia gas sensor based on a grafted polyaniline grown on a polyethylene terephthalate film. Sensors 24, 3695 (2024).
https://doi.org/10.3390/s24113695
10. Q. Ye, X. Zhang, R. Yao, D. Luo, X. Liu, W. Zou, C. Guo, Z. Xu, H. Ning, J. Peng. Research and progress of transparent, flexible tin oxide ultraviolet photodetector. Crystals 11, 1479 (2021).
https://doi.org/10.3390/cryst11121479
11. H.M.S. Ajmal, F. Khan, N.U. Huda, S. Lee, K. Nam, H.Y. Kim, T-H. Eom, S.D. Kim. High-performance flexible ultraviolet photodetectors with Ni/Cu-Codoped ZnO nanorods grown on PET substrates. Nanomaterials 9 (8), 1067 (2019).
https://doi.org/10.3390/nano9081067
12. H. Chen, K. Liu, L. Hu, A.A. Al-Ghamdi, X. Fang. New concept ultraviolet photodetectors. Materials Today 18 (9), 493 (2015).
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2015.06.001
13. J. Ding, P. Zhao, H. Chen, H. Fu. Ultraviolet photodetectors based on wide bandgap semiconductor: A review. Appl. Phys. A 130, 350 (2024).
https://doi.org/10.1007/s00339-024-07501-y
14. Y.T. Tang, Y. Zhao, H. Liu. Room-temperature semiconductor gas sensors: Challenges and opportunities. ACS Sens. 7 (12), 3582 (2022).
https://doi.org/10.1021/acssensors.2c01142
15. C.Y. Tsay, Y.C. Chen, H.. Tsai, K.H. Liao. Fabrication and characterization of flexible CuI-based photodetectors on mica substrates by a low-temperature solution process. Materials 17 (20), 5011 (2024).
https://doi.org/10.3390/ma17205011
16. A. Liu, H. Zhu, M.G. Kim, J. Kim, Y.Y. Noh. Engineering copper iodide (CuI) for multifunctional p-type transparent semiconductors and conductors. Adv. Sci. 8 (14), 2100546 (2021).
https://doi.org/10.1002/advs.202100546
17. Y.Z. Liu, T. Zhang, L.Y. Shen, H.S. Wu, N. Wang, F.Z. Wang, X.H. Pan, Z.Z. Ye. Self-powered flexible ultraviolet PDs based on CuI/a-ZTO heterojunction processed at room temperature. ACS Appl. Mater. Interfaces 15 (24), 29267 (2023).
https://doi.org/10.1021/acsami.3c03600
18. H-Y. Li, C-S. Lee, D.H. Kim, J-H. Lee. Flexible roomtemperature NH3 sensor for ultrasensitive, selective, and humidity-independent gas detection ACS. Appl. Mater. Interfaces 10 (33), 27858 (2018).
https://doi.org/10.1021/acsami.8b09169
19. X. Yang, Q. Ling, Y. Lin, Y. Lv, J. Xi, L. Fu, F. Chen, R. Zhang, S. Zhao. Preparation and ammonia sensing of copper iodide nanomaterials combined with copper iodideisopropanolamine complexes. Chem. Select 9, e202402808 (2024).
https://doi.org/10.1002/slct.202402808
20. B. Aydas, A. Atilgan, A. Ajjaq, S. Acar, M. F. ¨Oktem, A. Yildiz. Flexible NH3 gas sensors based on ZnO nanostructures deposited on kevlar substrates via hydrothermal method. Ceramics Intern. 50, 32477 (2024).
https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.06.056
21. S. Ahmed, S. K. Sinha. Studies on nanomaterial-based ptype semiconductor gas sensors. Environ Sci. Pollut. Res. 30, 24975 (2023).
https://doi.org/10.1007/s11356-022-21218-6
22. A. Marberger, A.W. Petrov, P. Steiger, M. Elsener, O. Kr¨ocher, M. Nachtegaal, D. Ferri. Time-resolved copper speciation during selective catalytic reduction of NO on CuSSZ-13. Nat. Catal. 1, 221 (2018)
https://doi.org/10.1038/s41929-018-0032-6
23. L. Chen, H. Falsig, T.V.W. Janssens, H. Gr¨onbeck. Activation of oxygen on (NH3-Cu-NH3)+ in NH3-SCR over Cu-CHA. J. Catalysis 358, 179 (2018).
https://doi.org/10.1016/j.jcat.2017.12.009
24. X. Wang, L. Chen, P.N.R. Vennestrøm, T.V.W. Janssens, J. Jansson, H. Gr¨onbeck, M. Skoglundh. Direct measurement of enthalpy and entropy changes in NH3 promoted O2 activation over Cu-CHA at low temperature. Chem. Cat. Chem 13 (11), 2577 (2021).
https://doi.org/10.1002/cctc.202100253
25. N.P. Klochko, V.A. Barbash, V.R. Kopach, S.I. Petrushenko, Y.M. Shepotko, O.V. Fijalkowski, K.I. Adach, S.V. Dukarov, V.M. Sukhov, A.L. Khrypunova. Composite fabric with nanocellulose impregnated cotton for ecofriendly thermoelectric textile. Cellulose 31, 5947 (2024).
https://doi.org/10.1007/s10570-024-05953-2
26. M. Jamshidi, J.M. Gardner. Copper(I) iodide thin films: Deposition methods and hole-transporting performance. Molecules 29, 1723-21 (2024).
https://doi.org/10.3390/molecules29081723
27. P. Darnige, Y. Thimont, L. Presmanes, A. Barnab'e. Insights into stability, transport, and thermoelectric properties of transparent p-type copper iodide thin films. J. Mater. Chem. C 11, 630-15 (2023).
https://doi.org/10.1039/D2TC03652E
28. A.S. Mennito, M. Schmidt, A. Lane, A. Kelly, C. Sabatini, W. Renne, Z. Evans. Assessing the antimicrobial properties of copper-iodide doped adhesives in an in vitro caries model: A pilot study Contemp. Clin. Dent. 13, 118 (2022).
https://doi.org/10.4103/ccd.ccd_424_20
29. P. Patnaik. Handbook of inorganic chemicals (McGrawHill, 2003) [ISBN: 0-07-049439-8].
30. N. Klochko, V. Kopach, S. Petrushenko, E. Shepotko, S. Khrypunova. Copper-enriched nanostructured conductive thermoelectric copper(I) iodide films obtained by chemical solution deposition on flexible substrates. Ukr. J. Phys. 69 (2), 115-8 (2024).
https://doi.org/10.15407/ujpe69.2.115
31. R.J. Rath, J.O. Herrington, M. Adeel, F. G¨uder, F. Dehghani, S. Farajikhah. Ammonia detection: A pathway towards potential point-of-care diagnostics. Biosensors and Bioelectronics 251, 116100-16 (2024).
https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116100
32. M. Lehocky, H. Drnovska, B. Lapcikova, A.M. BarrosTimmons, Trindade, M. Zembala, L. Lapcik. Plasma surface modification of polyethylene. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 222, 125 (2003).
https://doi.org/10.1016/S0927-7757(03)00242-5
33. S.I. Petrushenko, M. Fijalkowski, V.R. Kopach, Y.M. Shepotko, K. Adach, S.V. Dukarov, V.M. Sukhov, A. Fedonenko, A.L. Khrypunova, N.P. Klochko. Carbon fabric coated with nanostructured zinc oxide layers for use in triboelectric self-powered touch sensors J. Mater. Sci.: Mater. in Electron. 35, 414-20 (2024).
https://doi.org/10.1007/s10854-024-12187-2
34. L. Hary'nski, A. Olejnik, K. Grochowska, K. Siuzdak. A facile method for Tauc exponent and corresponding electronic transitions determination in semiconductors directly from UV-Vis spectroscopy data. Opt. Mater. 127, 112205 (2022).
https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.112205
35. M. Patel, A. Chavda, I. Mukhopadhyay, J. Kim, A. Ray. Nanostructured SnS with inherent anisotropic optical properties for high photoactivity. Nanoscale 8, 2293 (2016).
https://doi.org/10.1039/C5NR06731F
36. Y. Zhang, L. Liu, Z. Wang, Y. Yang, F. Xing. Lightassisted defects migration in cuprous iodide (CuI). J. Alloys and Compounds 900, 163456-8 (2022).
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.163456
37. M. Xia, M. Gu, X. Liu, B. Liu, S. Huang, C. Ni. Luminescence characteristics of CuI film by iodine annealing. J. Mater. Sci.: Mater. in Electron. 7, 5092 (2015).
https://doi.org/10.1007/s10854-015-3035-y
38. M. Krishnaiah, A. Kumar, D. Mishra, A.K. Kushwaha, S.H. Jin, J.T. Park. Solution-processed CuI films towards flexible visible-photodetectors: Role of annealing temperature on Cu/I ratio and photodetective properties. J. Alloys and Compounds 887, 161326-12 (2021).
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.161326
39. C-Y. Tsay, Y-C. Chen, H-M. Tsai, P. Sittimart, T. Yoshitake. The role of Zn substitution in improving the electrical properties of CuI thin films and optoelectronic performance of CuI MSM photodetectors. Materials 15, 8145-12 (2022).
https://doi.org/10.3390/ma15228145
40. Z.H. Li, J.X. He, X.H. Lv, L.F. Chi, K.O. Egbo, M-D. Li, T. Tanaka, Q.X. Guo, K.M. Yu, C.P. Liu. Optoelectronic properties and ultrafast carrier dynamics of copper iodide thin films. Nature Commun. 13, 6346 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41467-022-34117-8
41. S.A. Irimiciuc, S. Chertopalov, M. Buryi, Z. Remeˇs, M. Vondr'aˇcek, L. Fekete, M. Novotn'y, Jan Lancok. Investigations on the CuI thin films production by pulsed laser deposition. Appl. Surface Sci. 606, 154868-9 (2022).
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154868
42. X. Li, M. Wan. Morphology and hydrophobicity of micro/nanoscaled cuprous iodide crystal. Crystal Growth and Design. 6 (12), 2661 (2006).
https://doi.org/10.1021/cg050644o
43. K. Mustonen, C. Hofer, P. Kotrusz, A. Markevich, M. Hulman, C. Mangler, T. Susi, T.J. Pennycook, K. Hricovini, C. Richter, J.C. Meyer, J. Kotakoski, V. Sk'akalov'a. Toward exotic layered materials: 2D cuprous iodide Adv. Mater. 34, 2106922-9 (2022).
https://doi.org/10.1002/adma.202106922
44. B. N. Ezealigo, A. C. Nwanya, A. Simo, R.U. Osuji, R. Bucher, M. Maaza, F.I. Ezema. Optical and electrochemical capacitive properties of copper (I) iodide thin film deposited by SILAR method. Arabian J. Chem. 12 (8), 5380 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2017.01.008
45. J. Li, R. Wang, D. Zhang, Z. Su, H. Li, Y. Yan. Copper iodide (CuI) coating as a self-cleaning adsorbent for highly efficient dye removal. J. Alloys and Compounds 774, 191 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.09.373
46. T. Stralka, M. Bar, F. Sch¨oppach, S. Selle, C. Yang, H. von Wenckstern, M. Grundmann. Grain and grain boundary conduction channels in copper iodide thin films. Phys. Status Solidi A 220, 2200883-8 (2023).
https://doi.org/10.1002/pssa.202200883
47. M. Grundmann, F-L. Schein, M. Lorenz, T. B¨ontgen, J. Lenzner, H. von Wenckstern. Cuprous iodide: A p-type transparent semiconductor, history, and novel applications. Phys. Status Solidi (a) 210 (9), 1671 (2013).
https://doi.org/10.1002/pssa.201329349
48. A.S. Mirza, M. Pols, W. Soltanpoor, S. Tao, G.H.L.A. Brocks, M. Morales-Masis. The role of sulfur in sulfur-doped copper(I) iodide p-type transparent conductors. Matter 6 (12), 4306 (2023).
https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.10.003
49. F. Geng, L. Wang, T. Stralka, D. Splith, S. Ruan, J. Yang, L. Yang, G. Gao, L. Xu, M. Lorenz, M. Grundmann, J. Zhu, C. Yang. (111)-Oriented growth and acceptor doping of transparent conductive CuI : S thin films by spin coating and radio frequency-sputtering. Adv. Eng. Mater. 25, 2201666-6 (2023).
https://doi.org/10.1002/adem.202201666
50. X. Hou, B. Liu, X. Wang, Z. Wang, Q. Wang, D. Chen, G. Shen. SnO2-microtube-assembled cloth for fully flexible self-powered photodetector nanosystems. Nanoscale 5 (17), 7831 (2013).
https://doi.org/10.1039/c3nr02300a
51. A. Maity, A.K. Raychaudhuri, B. Ghosh. High sensitivity NH3 gas sensor with electrical readout made on paper with perovskite halide as sensor. Material. Sci. Rep. 9, 7777-10 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41598-019-43961-6
52. Z. Ren, Y. Shi, T. Song, T. Wang, B. Tang, H. Niu, X. Yu. Flexible low-temperature ammonia gas sensor based on reduced graphene oxide and molybdenum disulfide. Chemosensors 9, 345 (2021).
https://doi.org/10.3390/chemosensors9120345
53. A. Nijkoops, M. Ciocca, S. Krik, A. Douaki, A. Gurusekaran, S. Vasquez, M. Petrelli, M.A.C. Angeli, L. Petti, P. Lugli. Flexible and printed chemiresistive ammonia gas sensors based on carbon nanotube and conjugated polymers: a comparison of response and recovery performance. IEEE Sensors Lett. 7 (6), 1 (2023).
https://doi.org/10.1109/LSENS.2023.3274909
54. X. Tian, X. Cui, B. Yao, S. Wang, H. Li, T. Chen, X. Xiao, Y. Wang. Ultrasensitive room-temperature flexible ammonia gas sensor based on Au-functionalized polypyrrole wrapped enriched edge sulfur vacancies MoS2 nanosheets. Sensors and Actuators: B. Chemical 395, 134449 (2023).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
