ساخت حسگر گاز مونوكسيد كربن با استفاده از لايه نازك اكسيد روي

Fabrication of gas sensors based on zinc oxide nanostructured thin films.

اكسيد روي ماده اي نيمه هادي با خواص فيزيكي منحصربه فرد، كاربردهاي فراواني در صنعت و پزشكي دارد. به طوري كه در ساخت الكترودها، بلورهاي فوتوني، آشكار سازهاي نوري، حسگرهاي گازي، سلول هاي خورشيدي، كاتاليزورها و واريستورها از اين ماده استفاده مي شود. روش هاي متنوعي براي توليد آزمايشگاهي اكسيد روي به صورت توده اي، لايه نازك و نانو لوله، پيشنهاد شده است. در اين پژوهش، لايه هاي نازك روي به روش كندوپاش مگنتروني روي زير لايه كوارتز نهشته شد. سپس، نانوذرات اكسيد روي، از حرارت دادن لايه نازك روي در هوا، در دماهاي مختلف متفاوت توليد شد و ويژگي هاي فيزيكي از جمله ويژگي هاي ساختاري، اپتيكي و الكتريكي لايه هاي نانوساختار اكسيد روي جهت ساخت حسگر گازي مقاومتي بررسي گرديد. جهت بررسي مشخصات ساختاري نانو ذرات اكسيد روي، يك ارزيابي مقايسه اي متوسط اندازه دانه هاي بدست آمده از اندازه گيري مستقيم ميكروسكوپ الكتروني روبشي و تحليل پهناي پيك هاي، طيف پراش پرتو ايكس انجام گرفت. آناليز الگوهاي پراش پرتوايكس اين لايه ها ساختار بلوري هگزاگونال ورتسايت را تاييد كردند. بررسي تصوير SEM لايه هاي بازپخت شده تشكيل نانو ذرات كروي تاييد مي شود. اندازه ذرات و كرنش شبكه با استفاده از تحليل پهن شدگي و گسترش پيك هاي نانو ذرات اكسيد روي، با دو روش مختلف ويليامسون-هال و شرر مطالعه شد. اين نتايج با نتايج حاصل از تحليل تصاوير SEM، هم خواني خوبي دارند. بررسي طيف فرابنفش و محاسبه پارامترهاي نوري نشان داد كه تغيير دماي باز پخت به عنوان يك عامل تاثير گذار در خواص نوري لايه هاي نازك اكسيد روي با كيفيت بالا مطرح است. همچنين تغيير گاف انرژي باند اپتيكي بر حسب دماي بازپخت با استفاده از نظريه برشتاين-ماس مطابقت دارد. در بررسي خواص الكتريكي لايه هاي نازك با روش هال و دستگاه پروب چهار سوزني مشاهده شد كه با افزايش دماي بازپخت تا دماي °C 500 چگالي حامل ها افزايش مي يابد كه با توجه به نتايج حاصل از گاف انرژي توجيه مي شود. همچنين از طيف هاي XRD و تصاوير SEM اين لايه-ها اين مساله قابل توجيه است زيرا چگالي حامل ها تحت تاثير بلورينگي اين لايه ها قرار مي گيرد. با جمع بندي نتايج حاصل از بررسي خواص فيزيكي لايه ها، نتيجه مي شود كه در لايه نازك بازپخت شده در دماي°C 500، اندازه نانو ذرات نسبت به بقيه نمونه ها كوچكتر و آثار كلوخه شدن و توده شدگي ذرات در آن كمتر است، به همين دليل بيشترين تخلخل و تهيجاهاي اكسيژن را در ساختار كريستالي خود دارد كه باعث حضور الكترون در نوار هدايت و بالا رفتن ضريب هدايت كريستال مي گردند. همچنين مطابق نظريه برشتاين-ماس، گاف باندي بزرگ تر، از افزايش چگالي حامل با استفاده از تهي جاهاي اكسيژن (هر تهي جاي اكسيژن دو الكترون آزاد مي دهد) ناشي مي شود. در نتيجه لايه نازك بازپخت شده در دماي °C 500 بهترين خواص را جهت ساخت حسگر گازي نشان داد. از بررسي و تحليل آزمايشات و نتايج حسگر براي گازهاي كربن دي اكسيد، كربن مونوكسيد و اتانول با غلظت هاي مختلف 1000، 500 ، 300 وppm 100، حساسيت حسگري براي غلظت هاي مختلف گاز مونوكسيد كربن بيشتر از دو گاز ديگربوده است و همچنين اين آزمايش ها نشان داد كه مي توان با بهينه كردن ساير شرايط لايه نشاني و خواص حسگري از لايه هاي نازك نانوساختار اكسيد روي براي توليد انبوه حسگر گاز CO استفاده كرد.