بخشی از مقاله
چکیده:
حسگر اکسید روي کپه اي در دماهاي 860−950o C تفجوش گردید. سپس تغییرات مقاومت و حساسیت حسگرهاي ساخته شده از این نمونه ها در دماهاي مختلف و همچنین تغییرات حساسیت با تغییرات تراکم گاز اتانول در دماي ثابت بهینه بررسی شد. برنامه دمایی اعمال شده در تفجوشی و نحوه ساخت حسگرها سبب ایجاد ساختار متخلخل و در نتیجه حساسیت قابل ملاحظه نمونه ها شده است. بیشینه حساسیت بدست آمده براي 800 ppm اتانول 37 می باشد که با افزایش غلظت گاز سیر صعودي دارد.
مقدمه:
اکسید روي به عنوان یک نیمرساناي نوع n – با نوار ممنوعه پهن، Eg 3 / 4ev ، و مستقیم[1] به علت خواصی همچون پایداري شیمیایی بالا، ضریب دي الکتریک پایین، ثابت کوپل الکترومکانیکی بزرگ و شفافیت بالا، کاربردهاي بسیاري در سرامیک هاي عایق، رنگدانه هاي صنعتی و حسگرهاي گاز دارد ZnO .[2] از اولین اکسیدهاي نیمرسانا است که به عنوان حسگر گاز مورد استفاده قرارگرفته است و نسبت به طیف وسیعی از گازها همچون NH3، CO، O2، [3] CH4 ,H2S، ترکیبات آلی فرار همچون بنزن[4] و غیره حساس است. همچنین ZnO به علت حساسیت نسبت به گازهاي فرار و رادیکالی، پایداري شیمیایی، آلایش پذیري مناسب، سمی نبودن و قیمت ارزان، ماده مناسبی براي ساخت حسگر گاز می باشد .
اما به علت دماي کار بالا - معمولاً در گستره - 400−500o C و انتخابگري ضعیف کمتر مورد توجه قرار گرفته است.براي بهبود عملکرد حسگر گاز ZnO از آلایندهها یا کاتالیزورها [2]، نانوذرات و یا نانوجامد متخلخل ZnO استفاده می شود
حسگر گاز ZnO به روشهاي مختلفی مانند: تک کریستال، حبه اي، لایه نازك، لایه ضخیم و پیوندهاي ناهمگون ساخته شده است.
روش دیگر گزارش شده روش الکتروفورس است.[8] در این کار پژوهشی ویژگی- هاي حسگر اکسید روي کپه اي و تاثیر دما و مراحل تفجوش پله اي بر حساسیت آننسبت به بخار اتانول بررسی شده است.
نحوه انجام آزمایش:
ابتدا از پودر خالص اکسید روي با خلوص 99/9% ساخت شرکت مرك آلمان و آب دو بار تقطیر خمیري نرم تهیه شد، به شکلی که به دست نچسبد. سپس خمیر حاصله پرس و لایه اي با ضخامت 1mm حاصل شد. این لایه ها به مدت 24 ساعت در محیط تمیز و در هواي آزمایشگاه نگهداري شد. سپس این لایه ها در کوره Ex.1100.6L ساخت شرکت اکسایتون و طبق برنامه دمایی شکل - 1 - که تغییرات به صورت دستی کنترل شده است، در دماهاي 860 ، 880 ، 895 ، 915 ، 935 و 950 درجه سانتیگراد هر یک جداگانه تفجوش شدند.
شکل – - 1 - برنامه دمایی اعمال شده براي تفجوشی - پله آخریکی از دماهاي نهایی - 860-950oC
پس از تفجوش نمونه ها، کوره خاموش و پس از24 ساعت لایه ها از کوره خارج شدند و براي ساخت حسگرهاي گاز با ساختاري مطابق شکل - - 2 مورد استفاده قرار گرفتند. از چسب نقره به عنوان الکترود استفاده شد. زیرا اتصال نقره با ZnO از نوع اهمی است و مسائل مربوط به پیوندهاي یکسو ساز فلز – نیمه هادي را ندارد. هیتر نیز از سیم نیکل- کروم و با مقاومت 50Ω ساخته شد. از میکا به عنوان زیرلایه استفاده شد، زیرا میکا رساناي حرارتی و عایق الکتریکی مناسبی است.
شکل – - 2 - شماي ساختار حسگر ساخته شده
مدار الکتریکی مورد استفاده در شکل - - 3 نشان داده شده است.
گاز استفاده شده براي آزمایش، بخار اتانول با غلظت 50-15000 ppm مخلوط با هوا بود. همچنین حساسیت حسگر به صورت S = Rair / Rgas تعریف شده است. تغییرات مقاومت با دما، همچنین تغییرات حساسیت - - S برحسب غلظت گاز بررسی شده است.
شکل – - 3 - مدار الکتریکی استفاده شده براي بررسی حساسیت حسگرها.
بحث و نتیجه گیري:
تغییرات لگاریتم رسانش الکتریکی برحسب دما - نموار آرنیوس - براي نمونه ها در شکل - - 4 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می شود با افزایش دما، رسانایی افزایش می یابد. ZnO یک نیمه رساناي نوع n – است که این ویژگی آن به دلیل عیوب شبکه مانند تهی جاهاي اکسیژن و اتم هاي روي میانجایی است که همانند دهنده الکترون عمل می کند.[5] با افزایش دما، تهی جاهاي اکسیژن به شدت یونیزه شده و دو الکترون به نوار رسانش اضافه می کنند. و در نتیجه مطابق رابطه زیر باعث افزایش رسانایی می شوند :
اکسیژن جذب شده روي سطح نیمرسانا و در نتیجه تغییر غلظت حامل بار نزدیک سطح می باشد. حالت والانس یونهاي اکسیژن جذب شده با دما تغییر می کند و روي پاسخ حسگر گاز اثر میگذارد. گزارش شده است که زیر 100o C یون اکسیژن پایدار O2− ، بین 100−300o C، O− و بالاي 300o C ، O−2 می باشد. انتظار می رود که گازهاي کاهنده به سرعت با یونهاي O− موجود روي سطح واکنش دهند، در حالیکه بسیار آهسته با O2−
واکنش می دهد .
وقتی که یک گاز کاهنده - R - نزدیک سطح حسگر گاز سرامیکی نوع n- شارش می یابد، واکنش زیر بر روي سطح ماده اتفاق می افتد و رسانایی الکتریکی ماده نوع n-افزایش مییابد:
اگر دما پائین باشد، RO حاصل آزاد نمی شود و بنابراین سطح براي جذب بیشتر اکسیژن منفعل می شود. از طرف دیگر اگر دماي کار بسیار بالا باشد، جذب اکسیژن روي سطح رخ نمیدهد. بنابراین حسگر فقط در محدوده دمایی خاصی عمل می کند
نمودار حساسیت برحسب دما براي سایر نمونه ها نیز مشابه می باشد که در اینجا آورده نشده است، به همین دلیل دماي کار 380o C انتخاب شد.
شکل – - 4 - نمودار آرنیوس نمونه ها
در شکل - - 5 منحنی حساسیت برحسب دما در تراکم ثابت 800ppm بخار اتانول درهوا براي نمونه تفجوش شده در 950o C که براي بدست آوردن مناسب ترین دماي کار - دماي ماکزیمم حساسیت - انجام شده، نشان داده شده است.
رسانایی الکتریکی نیمرساناهاي اکسیدي، وقتی که سطح آنها در معرض گازهاي کاهنده مانند CO و H2 قرار می گیرد، تغییر می کند. تغییر رسانایی به علت واکنش گازهاي کاهنده با یونهاي شکل – - 5 - نمودار حساسیت برحسب دما براي نمونه تفجوش شده در 950oC در شکل - 6 - تغییرات حساسیت برحسب تراکم هاي مختلف بخار اتانول در دماي 380o C براي نمونه ها رسم شده است. همانطور که مشاهده می شود همه منحنی ها در تراکم بیش از 10000ppm اشباع می شود.
