Co3O4-ZnO P-N Heterostructure Nanomaterials Film and its Enhanced Photoelectric Response to Visible Lights at Near Room Temperature

Abstract

In this paper, Co 3 O 4 -ZnO nanomaterials with Co 3 O 4 doping mass fractions of 0%, 2.13%, 4.13%, and 6.13% were prepared by sol-gel method. In order to explain and confirm the influence of the incorporation of Co 3 O 4 on the surface morphology and gas sensitivity of ZnO at a relatively low gas concentration, additional studies such as XRD, XPS, SEM, EDS and UV-vis spectroscopy were performed. And its photoelectric response to 100 ppm acetone at near room temperature and visible light irradiation was studied. Due to the formation of P-N heterojunctions, the Co 3 O 4 -ZnO heterostructural nanoparticles has a highe response to low concentrations of acetone gas than undoped ZnO nanoparticles even at operating temperatures as low as 30ºC. The addition of Co 3 O 4 improves the sensitivity and selectivity of ZnO thick films. The sensitivity of the 4.13wt% Co 3 O 4 -ZnO sample to 100 ppm acetone at a working temperature of 30ºC was 24.36. The light excitation effect was significantly enhanced. Under visible light irradiation, the sensitivity can reach 37.21. In addition, the Co 3 O 4 -ZnO P-N heterojunction model was combined with visible light excitation theory to further explore the mechanism of gas sensing reaction.

P-Type Metal Oxide Semiconductor Thin Films: Synthesis and Chemical Sensor Applications

“…In addition to using pristine p-type MOX, composite structures, such as a combination different MOX, are also used to detect VOCs, for example, CuO/SnO 2 for triethylamine detection [ 119 ]; CuO/Ga 2 O 3 , [ 120 ] CuO/WO 3 , ZnO/NiO, and Co 3 O 4 /ZnO for acetone detection [ 121 , 122 , 123 ]; TeO 2 /Co 3 O 4 , Fe 2 O 3 /Co 3 O 4 , ZnO/Co 3 O 4 , and SnO 2 /NiO for ethanol detection [ 124 , 125 , 126 , 127 ]; PtO 2 /CuO for butanol detection [ 128 ]; and (CuO-Cu 2 O)/ZnO:Al for VOC detection (specifically butanol) [ 129 ].…”

Effect of Pr/Zn on the anti-humidity and acetone-sensing properties of Co3O4 prepared by electrospray

“…Heterojunction can adjust the barrier of the material, causing a greater change of resistance during the gas reaction. 32,33…”

Синтез гетерогенных наноструктур ZnO/Co-=SUB=-3-=/SUB=-O-=SUB=-4-=/SUB=- методом химического осаждения из растворов

“…Предложен ряд механизмов чувствительности Co 3 O 4 к различным газам [7,8]. Гетерогенные наноструктуры на основе Co 3 O 4 и различных полупроводников как p-типа проводимости [6], так и n-типа, таких как ZnO [9][10][11][12][13][14], имеют улучшенные характеристики по газочувствительности и селективности. Созданы газовые детекторы этанола [9] с рабочей температурой 200 • С формальдегида [10] в диапазоне температур 160−360 • С. В [11] описан датчик на CO и NO 2 с работой при 150 • С и выше.…”

“…Созданы газовые детекторы этанола [9] с рабочей температурой 200 • С формальдегида [10] в диапазоне температур 160−360 • С. В [11] описан датчик на CO и NO 2 с работой при 150 • С и выше. Датчик из Co 3 O 4 /ZnO [12] продемонстрировал чувствительность к ацетону, этанолу и оксиду азота на уровне 100, 500 и 5 ppm соответственно при работе выше 100 • С. Созданные на основе системы Co 3 O 4 /ZnO сенсоры в виде наноструктурированных пленок [13] либо полых наночастиц [14] проявляют более высокую чувствительность, чем из оксида кобальта. Во многих работах [10][11][12][13][14] отмечается, что в смесях оксидов ZnO и Co 3 O 4 из-за присутствия частиц n-типа и p-типа проводимости образуются p−n-гетеропереходы, в результате электронная проводимость материала существенно модифицируется, поэтому полученные композитные материалы демонстрируют новые сенсорные характеристики.…”