Atomic-Level Insights of Polypyrrole Grafted InGaZnO Structure for ppb-Level Ozone Gas Sensing at Low Operating Temperature

材料科学 聚吡咯 吸附 分子 臭氧 带隙 纳米颗粒 电导率 半导体 化学工程 纳米技术 聚合 光电子学 化学物理 聚合物 物理化学 有机化学 复合材料 化学 物理 工程类
作者
Zu-Yin Deng,Wanyu Lin,Utkarsh Kumar,Kuen-Lin Chen,Te‐Hsien Wang,Jau-Han Chen,Chiu‐Hsien Wu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (31): 41495-41503
标识
DOI:10.1021/acsami.4c07392
摘要

This study explores the utilization of the organic conductive molecule Polypyrrole (PPy) for the modification of Indium Gallium Zinc Oxide (IGZO) nanoparticles, aiming to develop highly sensitive ozone sensors. Pyrrole (Py) molecules undergo polymerization, resulting in the formation of extended chains of PPy that graft onto the surface of IGZO nanoparticles. This interaction effectively diminishes oxygen vacancies on the IGZO surface, thereby promoting the crystallization of the IGZO (1114) facets. The resultant structure exhibits promising potential for achieving high-performance wideband semiconductor gas sensors. The IGZO/PPy device forms a Straddling Gap heterojunction, facilitating enhanced electron transfer between IGZO and ozone molecules. Notably, the adsorption and desorption of ozone gas occur efficiently at a low temperature of approximately 25 °C, obviating the need for additional energy typically associated with wide bandgap semiconductor materials. Density Functional Theory (DFT) calculations attribute this efficiency to the enhanced number of active sites for ozone adsorption, facilitated by hydrogen bonds. The substantial conductivity of PPy, combined with its planar ring structure, induces positively charged polarization on the IGZO side upon ozone adsorption. The resultant device exhibits exceptional sensitivity, boasting a 4-fold improvement compared to sensors reliant solely on IGZO. Additionally, the response time is significantly reduced by a factor of 10, underscoring the practical viability and enhanced performance of the IGZO/PPy sensor field.
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