Physical study by surface characterizations of sarin sensor on the basis of chemically functionalized silicon nanoribbon field effect transistor

Autor: Kacem Smaali, Stéphane Lenfant, Thierry Melin, Emmanuel Dubois, D. Guerin, Jean-Pierre Simonato, Dominique Vuillaume, V. Passi, Alexandre Carella, L. Ordronneau
Přispěvatelé: Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 (IEMN), Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF), Centre de Développement des Technologies Avancées (CDTA), Centrale de Micro Nano Fabrication - IEMN (CMNF-IEMN), Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF), Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019]), Département des Technologies des NanoMatériaux (DTNM), Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux (LITEN), Institut National de L'Energie Solaire (INES), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut National de L'Energie Solaire (INES), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Physique-IEMN (PHYSIQUE-IEMN), Microélectronique Silicium - IEMN (MICROE SI - IEMN), Nanostructures, nanoComponents & Molecules - IEMN (NCM-IEMN), ANRFrench National Research Agency (ANR) [ANR-10-CSOSG-003], French RENATECH network, Renatech Network, Centrale de Micro Nano Fabrication - IEMN (CMNF - IEMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de L'Energie Solaire (INES), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Physique - IEMN (PHYSIQUE - IEMN), Microélectronique Silicium - IEMN (MICROELEC SI - IEMN), Nanostructures, nanoComponents & Molecules - IEMN (NCM - IEMN), ANR-10-SECU-0003,CAMIGAZ,Capteurs autonomes miniatures communicants pour la détection de gaz de combats(2010)
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2016
Předmět:
Zdroj: Journal of Physical Chemistry C
Journal of Physical Chemistry C, American Chemical Society, 2016, 120 (20), pp.11180-11191. ⟨10.1021/acs.jpcc.6b00336⟩
Journal of Physical Chemistry C, 2016, 120 (20), pp.11180-11191. ⟨10.1021/acs.jpcc.6b00336⟩
ISSN: 1932-7447
1932-7455
DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b00336⟩
Popis: Surface characterizations of an organophosphorus (OP) gas detector based on chemically functionalized silicon nanoribbon field-effect transistor (SiNR-FET) were performed by Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) and ToF-SIMS, and correlated with changes in the current-voltage characteristics of the devices. KPFM measurements on FETs allow (i) to investigate the contact potential difference (CPD) distribution of the polarized device as function of the gate voltage and the exposure to OP traces and, (ii) to analyze the CPD hysteresis associated to the presence of mobile ions on the surface. The CPD measured by KPFM on the silicon nanoribbon was corrected due to side capacitance effects in order to determine the real quantitative surface potential. Comparison with macroscopic Kelvin probe (KP) experiments on larger surfaces was carried out. These two approaches were quantitatively consistent. An important increase of the CPD values (between + 399 mV and + 302 mV) was observed after the OP sensor grafting, corresponding to a decrease of the work function, and a weaker variation after exposure to OP (between - 14 mV and - 61 mV) was measured. Molecular imaging by ToF-SIMS revealed OP presence after SiNR-FET exposure. The OP molecules were essentially localized on the Si-NR confirming effectiveness and selectivity of the OP sensor. A prototype was exposed to Sarin vapors and succeeded in the detection of low vapor concentrations (40 ppm).
Paper and supporting information, J. Phys. Chem. C, 2016
Databáze: OpenAIRE
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