केमिरेसिस्टर

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सिंगल गैप केमिरेसिस्टिव सेंसर का सरलीकृत योजनाबद्ध। (बड़े पैमाने पर नहीं)

केमिरेसिस्टर एक ऐसी सामग्री है जो आस-पास के रासायनिक वातावरण में परिवर्तन के जवाब में अपने विद्युत प्रतिरोध और संचालन को बदल देती है।[1] केमिरेसिस्टर रासायनिक सेंसरों का एक वर्ग है,जो संवेदन सामग्री और विश्लेषक के बीच सीधे रासायनिक संपर्क पर निर्भर करता है।[2] संवेदन सामग्री और विश्लेषक सहसंयोजक बंधन, हाइड्रोजन बंधन, या आणविक मान्यता द्वारा संपर्क कर सकते हैं । कई अलग-अलग सामग्रियों में केमिरेसिस्टर गुण होते हैं,जैसे धातु-ऑक्साइड अर्धचालक, कुछ प्रवाहकीय पॉलिमर,[3] और ग्राफीन, कार्बन नैनोट्यूब और नैनोकण जैसे नैनोमटेरियल। सामान्यतः इन सामग्रियों का उपयोग इलेक्ट्रॉनिक जीभ या इलेक्ट्रॉनिक नाक जैसे उपकरणों में आंशिक रूप से चयनात्मक सेंसर के रूप में किया जाता है।

एक बुनियादी केमिरेसिस्टर में एक सेंसिंग सामग्री होती है जो दो इलेक्ट्रोडों के बीच के अंतर को कम करती है या इंटरडिजिटल ट्रांसड्यूसर के एक सेट को कोट करती है। इलेक्ट्रोड के बीच प्रतिरोध आसानी से मापा जा सकता है। संवेदन सामग्री में एक अंतर्निहित प्रतिरोध होता है, जिसे विश्लेषक की उपस्थिति या अनुपस्थिति से नियंत्रित किया जा सकता है। एक्सपोज़र के दौरान, विश्लेषक संवेदन सामग्री के साथ बातचीत करते हैं। ये पारस्परिक प्रभाव प्रतिरोध रीडिंग में बदलाव का कारण बनते हैं। कुछ केमिरेसिस्टर्स में प्रतिरोध परिवर्तन केवल विश्लेषण की उपस्थिति का संकेत देते हैं। दूसरों में, प्रतिरोध परिवर्तन उपस्थित विश्लेषण की मात्रा के समानुपाती होते हैं; इससे उपस्थित विश्लेषण की मात्रा को मापा जा सकता है।

इतिहास

1965 से ही ऐसी रिपोर्टें हैं कि अर्धचालक सामग्रियों में विद्युत चालकता प्रदर्शित होती है जो परिवेशीय गैसों और वाष्पों से दृढ़ता से प्रभावित होती हैं।[4][5][6] हालाँकि, 1985 तक वोहल्टजेन और स्नो ने केमिरेसिस्टर शब्द प्रयोग किया था।[7] उन्होंने जिस रसायन प्रतिरोधी सामग्री की जांच की, वह कॉपर फथलोसाइनिन थी, और उन्होंने प्रदर्शित किया कि कमरे के तापमान पर अमोनिया वाष्प की उपस्थिति में इसकी प्रतिरोधकता कम हो गई।[7]

हाल के वर्षों में केमिरेसिस्टर तकनीक का उपयोग कई अनुप्रयोगों के लिए आशाजनक सेंसर विकसित करने के लिए किया गया है, जिसमें सेकेंडहैंड धुएं के लिए प्रवाहकीय पॉलिमर सेंसर, गैसीय अमोनिया के लिए कार्बन नैनोट्यूब सेंसर और हाइड्रोजन गैस के लिए धातु ऑक्साइड सेंसर सम्मिलितहैं।[2][8][9] न्यूनतम बिजली की आवश्यकता वाले छोटे उपकरणों के माध्यम से पर्यावरण के बारे में सटीक वास्तविक समय की जानकारी प्रदान करने की केमिरेसिस्टर्स की क्षमता उन्हें इंटरनेट ऑफ थिंग्स, में एक आकर्षक योगदान देता है।[8]

केमिरेसिस्टर सेंसर के प्रकार

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एक ऑक्सीजन सेंसिंग TiO2 एक इंटरडिजिटल इलेक्ट्रोड पर फिल्म।[10]

डिवाइस आर्किटेक्चर

दो इलेक्ट्रोडों के बीच एकल अंतर को पाटने के लिए एक पतली फिल्म के साथ अंतर्विभाजित इलेक्ट्रोड को कोटिंग करके या एक पतली फिल्म या अन्य सेंसिंग सामग्री का उपयोग करके केमिरेसिस्टर्स बनाया जा सकता है। इलेक्ट्रोड सामान्यतौर पर सोने और क्रोमियम जैसी प्रवाहकीय धातुओं से बने होते हैं, जो पतली फिल्मों के साथ अच्छा ओमिक संपर्क बनाते हैं।[7]दोनों आर्किटेक्चर में, केमिरेसिस्टेंट सेंसिंग सामग्री दो इलेक्ट्रोडों के बीच संचालन को नियंत्रित करती है, हालाँकि, प्रत्येक डिवाइस आर्किटेक्चर के अपने फायदे और नुकसान हैं।

अंतर्विभाजित इलेक्ट्रोड फिल्म के सतह क्षेत्र की एक बड़ी मात्रा को इलेक्ट्रोड के संपर्क में रखने की अनुमति देते हैं। यह अधिक विद्युत कनेक्शन बनाने की अनुमति देता है और सिस्टम की समग्र चालकता को बढ़ाता है।[7]उंगलियों के आकार और माइक्रोन के क्रम पर उंगलियों के अंतर के साथ अंतर्विभाजित इलेक्ट्रोड का निर्माण करना मुश्किल है और इसके लिए फोटोलिथोग्राफी के उपयोग की आवश्यकता होती है।[8]बड़ी विशेषताओं को बनाना आसान होता है और इन्हें थर्मल वाष्पीकरण जैसी तकनीकों का उपयोग करके निर्मित किया जा सकता है। एक डिवाइस द्वारा एकाधिक विश्लेषणों का पता लगाने की अनुमति देने के लिए अंतर्विभाजित इलेक्ट्रोड और सिंगल-गैप सिस्टम दोनों को समानांतर में व्यवस्थित किया जा सकता है।[11]


संवेदन सामग्री

धातु ऑक्साइड अर्धचालक

मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर केमिरेसिस्टर सेंसर का पहली बार 1970 में व्यावसायीकरण किया गया था[12] कार्बन मोनोऑक्साइड डिटेक्टर जिसमें पाउडरयुक्त टिन डाइऑक्साइड SnO2 का उपयोग किया था। हालाँकि, ऐसे कई अन्य धातु ऑक्साइड हैं जिनमें रसायन प्रतिरोधक गुण होते हैं। मेटल ऑक्साइड सेंसर मुख्य रूप से गैस सेंसर होते हैं, और वे गैसों के ऑक्सीकरण और अपचयन दोनों को महसूस कर सकते हैं।[2]यह उन्हें औद्योगिक स्थितियों में उपयोग के लिए आदर्श बनाता है जहां विनिर्माण में उपयोग की जाने वाली गैसें श्रमिकों की सुरक्षा के लिए खतरा पैदा कर सकती हैं।

धातु ऑक्साइड से बने सेंसर को संचालित करने के लिए उच्च तापमान (200 डिग्री सेल्सियस या अधिक) की आवश्यकता होती है, क्योंकि प्रतिरोधकता को बदलने के लिए, सक्रियण ऊर्जा को दूर करना होगा।[2]

धातु ऑक्साइड केमिरेसिस्टर्स[12]
धातु ऑक्साइड वाष्प
क्रोमियम टाइटेनियम ऑक्साइड H2S
गैलियम ऑक्साइड O2, CO
इंडियम ऑक्साइड O3
मोलिब्डेनम ऑक्साइड NH3
टिन ऑक्साइड गैसों को कम करना
टंगस्टन ऑक्साइड NO2
ज़िंक ऑक्साइड हाइड्रोकार्बन, O2
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एक ग्राफीन मोनोलेयर।[13]

ग्राफीन

अन्य सामग्रियों की तुलना में ग्राफीन केमिरेसिस्टर सेंसर अपेक्षाकृत नए हैं लेकिन उन्होंने उत्कृष्ट संवेदनशीलता दिखाई है।[14] ग्राफीन कार्बन का एक अपरूप है जिसमें ग्रेफाइट की एक परत होती है।[15] इसका उपयोग वाष्प-चरण अणुओं का पता लगाने के लिए सेंसर में किया गया है,[16][17][18] पीएच,[19] प्रोटीन,[19]बैक्टीरिया,[20] और नकली रासायनिक युद्ध अभिकर्मक।[21][22]


कार्बन नैनोट्यूब

केमिरेसिस्टर्स के रूप में उपयोग किए जाने वाले कार्बन नैनोट्यूब की पहली प्रकाशित रिपोर्ट 2000 में बनाई गई थी।[23] तब से व्यक्तिगत एकल-दीवार नैनोट्यूब [24] एकल-दीवार वाले नैनोट्यूब के बंडल,[25][26] बहु-दीवार वाले नैनोट्यूब के बंडल,[27][28] से निर्मित केमिरेसिस्टर्स और रासायनिक रूप से संवेदनशील प्रभाव क्षेत्र, ट्रांजिस्टर पर शोध किया गया है, और कार्बन नैनोट्यूब-पॉलिमर मिश्रण[29][30][31][32] यह दिखाया गया है, कि एक रासायनिक प्रजाति कई तंत्रों के माध्यम से एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब के बंडल के प्रतिरोध को बदल सकती है।

कार्बन नैनोट्यूब उपयोगी संवेदन सामग्री हैं क्योंकि उनमें पता लगाने की सीमा कम होती है, और त्वरित प्रतिक्रिया समय होता है, हालाँकि, नंगे कार्बन नैनोट्यूब सेंसर बहुत चयनात्मक नहीं हैं।[2] वे गैसीय अमोनिया से लेकर डीजल धुएं तक कई अलग-अलग गैसों की उपस्थिति पर प्रतिक्रिया कर सकते हैं।[2][9] कार्बन नैनोट्यूब सेंसर को बाधा के रूप में पॉलिमर का उपयोग करके, नैनोट्यूब को हेटेरोएटम के साथ डोपिंग करके, या नैनोट्यूब की सतह पर कार्यात्मक समूह को जोड़कर अधिक चयनात्मक बनाया जा सकता है।[2][9]

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सोने के नैनोपार्टिकल केमिरेसिस्टर फिल्म के साथ और उसके बिना सर्कुलर इंटरडिजिटेड इलेक्ट्रोड

.

नैनोकण

विभिन्न आकार, संरचना और संरचना के कई अलग-अलग नैनोकणों को केमिरेसिस्टर सेंसर में सम्मिलित किया गया है।[33][34] सबसे अधिक उपयोग सोने के नैनोकणों की पतली फिल्मों का होता है जो कार्बनिक अणुओं के स्व-इकट्ठे मोनोलेयर (एसएएम) से लेपित होती हैं।[35][36][37][38][39] एसएएम नैनोकण असेंबली के कुछ गुणों को परिभाषित करने में महत्वपूर्ण है। सबसे पहले, सोने के नैनोकणों की स्थिरता एसएएम की अखंडता पर निर्भर करती है, जो उन्हें एक साथ सिंटरिंग से रोकती है।[40] दूसरे, कार्बनिक अणुओं का एसएएम नैनोकणों के बीच अलगाव को परिभाषित करता है, जैसे लंबे अणुओं के कारण नैनोकणों का औसत पृथक्करण व्यापक हो जाता है।[41] इस पृथक्करण की चौड़ाई उस अवरोध को परिभाषित करती है जिससे वोल्टेज लागू होने और विद्युत धारा प्रवाहित होने पर इलेक्ट्रॉनों को सुरंग बनाना पड़ता है। इस प्रकार व्यक्तिगत नैनोकणों के बीच औसत दूरी को परिभाषित करके एसएएम नैनोकण असेंबली की विद्युत प्रतिरोधकता और चालकता को भी परिभाषित करता है।[42][43][44] अंत में, एसएएम नैनोकणों के चारों ओर एक आव्यूह बनाते हैं जिसमें रासायनिक प्रजातियां फैल सकती हैं। जैसे ही नई रासायनिक प्रजातियां आव्यूह में प्रवेश करती हैं, यह अंतर-कण पृथक्करण को बदल देती है जो बदले में विद्युत प्रतिरोध को प्रभावित करती है।[45][46] विश्लेषण उनके विभाजन गुणांक द्वारा परिभाषित अनुपात में एसएएम में फैलते हैं और यह केमिरेसिस्टर सामग्री की चयनात्मकता और संवेदनशीलता को दर्शाता है।[41][47]

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एक लक्ष्य अणु के चारों ओर एक पॉलिमर का पॉलिमराइजेशन जिसे बाद में आकार की गुहाओं को छोड़ने के लिए धोया जाता है।

प्रवाहकीय पॉलिमर

पॉलीएनिलिन और पॉलीपाइरोले जैसे प्रवाहकीय बहुलक का उपयोग संवेदन सामग्री के रूप में किया जा सकता है जब लक्ष्य सीधे पॉलिमर श्रृंखला के साथ संपर्क करता है जिसके परिणामस्वरूप बहुलक की चालकता में परिवर्तन होता है।[8][48] इस प्रकार की प्रणालियों में लक्ष्य अणुओं की विस्तृत श्रृंखला के कारण चयनात्मकता का अभाव होता है जो बहुलक के साथ बातचीत कर सकते हैं। आणविक रूप से मुद्रित बहुलक प्रवाहकीय पॉलिमर केमिरेसिस्टर्स में चयनात्मकता रूप से जोड़ सकते हैं।[49] एक लक्ष्य अणु के चारों ओर एक बहुलक को बहुलकीकृत करके और फिर लक्ष्य अणु के आकार और आकार से मेल खाने वाली गुहाओं को पीछे छोड़ते हुए लक्ष्य अणु को बहुलक से हटाकर आणविक रूप से मुद्रित बहुलक बनाया जाता है।[48][49]आणविक रूप से अंकित बहुलक प्रवाहकीय बहुलक लक्ष्य के सामान्य आकार और आकार के साथ-साथ प्रवाहकीय बहुलक की श्रृंखला के साथ बातचीत करने की क्षमता का चयन करके केमिरेसिस्टर की संवेदनशीलता को बढ़ाता है।[49]


संदर्भ

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