Modeling the Conduction Mechanism in Chemoresistive Gas Sensor Based on Single-Crystalline Sn₃O₄ Nanobelts: A Phenomenological In Operando Investigation

Autor(es)

Suman, Pedro H. ; Junker, Benjamin ; Weimar, Udo ; Orlandi, Marcelo O. ; Barsan, Nicolae

• Tipo de documento: Artigo Científico
• Fonte: ACS SENSORS; v. 9, n. 1, p. 8-pg., 2024-01-05.

Resumo

Investigating the sensing mechanisms in semiconducting metal oxide (SMOx) gas sensors is essential for optimizing their performance across a wide range of potential applications. Despite significant progress in the field, there are still many gaps in comprehending the phenomenological processes occurring in one-dimensional (1D) nanostructures. This article presents the first insights into the conduction mechanism of chemoresistive gas sensors based on single-crystalline Sn3O4 nanobelts using the operando Kelvin Probe technique. From this approach, direct current (DC) electrical resistance and work function changes were simultaneously measured in different working conditions, and a correlation between the conductance and the surface band bending was established. Appropriate modeling was proposed, and the results revealed that the conduction mechanism in the single-crystalline one-dimensional nanostructures closely aligns with the behavior observed in single-crystalline epitaxial layers rather than in polycrystalline grains. Based on this assumption, relevant parameters were further estimated, including Debye length, concentration of free charge carriers, effective density of states in the conduction band, and position of the Fermi level. Overall, this study provides an effective contribution to understanding the role of surface chemistry in the transduction of the electrical signal generated from gas adsorption in single-crystalline one-dimensional nanostructures. (AU)

• Processo FAPESP: 17/24839-0 - Eletrônica e eletroquímica em escala nanométrica: fundamentos e aplicações
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• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
• Processo FAPESP: 13/07296-2 - CDMF - Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais
• Beneficiário: Elson Longo da Silva
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão - CEPIDs
• Processo FAPESP: 19/26333-2 - Investigação da performance como sensores de gás de dispositivos FET em operação: modelando os mecanismos de condução em nanoestruturas 1D de óxidos metálicos semicondutores por técnicas operando
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• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 17/26219-0 - Estudo de Sensores Químicos de Elemento Único a base de semicondutores de óxidos metálicos
• Beneficiário: Marcelo Ornaghi Orlandi
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
• Processo FAPESP: 16/20808-0 - Transistores de efeito de campo (FET) baseados em nanoestruturas semicondutoras 1D: impacto da modulação do sinal elétrico sobre a performance como sensor de gás
• Beneficiário: Pedro Henrique Suman
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado