بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تشخيص مقادير بسيار کم NO2 با استفاده از آشکارساز کربن نانوتيوبي و تأثير رطوبت بر عملکرد قطعه
چکيده - کربن نانوتيوب ها به دليل فيزيک منحصربهفرد و خصوصيات الکترونيکي ويژه اي که دارند، ميتوانند با حساسيت بالايي براي آشکارسازي مقادير بسيار اندک (حدود چند ppb) از گازهاي مختلف مانند دياکسيدکربن ، مونواکسيدکربن ، دياکسيدنيتروژن ، آرگون و ... در دماي اتاق به کار روند. اين نانومواد به دليل نسبت سطح بهحجم بالايي که دارند براي جذب سطحي ملکول هاي گاز بسيار ايده آل هستند. در مقالهي حاضر تغييرات خواص کربن نانوتيوب (CNT) با قرار گرفتن در شرايط شيميايي مختلف مطالعه شده و به عنوان نمونه تأثير مقادير بسيار اندک از گاز NO2 بر خواص CNT و از جمله رسانايي آن بررسي شده است . به اين منظور معادلات مربوط به رسانايي بالستيک CNT بررسي و رابطه بين رسانايي و تغييرات ميزان غلظت گاز موجود در محيط با دقت مناسب براي آشکارسازي به کار رفته و حساسيت قطعه تحت تأثير چند ppb گاز NO2 مطالعه و شبيهسازي شده است . همچنين ، پارامتر Δ که بيانگر اختلاف بين تراز فرمي و تراز ظرفيت است براي نشان دادن تغييرات رسانايي سنسور معرفي شده است . در ادامه بعنوان يک عامل محيطي موثر، تأثير تغييرات رطوبت بر عملکرد قطعه نيز مورد بحث و بررسي قرار گرفته است . نتايج شبيهسازيها نشان مي دهد که ملکول HO2 رسانايي اوليهي قطعه را کاهش مي دهد ولي تأثير ppb1٠٠ ملکول NO2 بسيار بيشتر از تأثير ppm1٠ ملکول HO2 ميباشد که نشاندهنده قابليت استفاده از قطعه بعنوان آشکارساز در محيطهاي بسيار مرطوب مي باشد.
کليد واژه - کربن نانو تيوب ، آشکارساز دي اکسيدنيتروژن ، رساناي باليستيک ، رطوبت
١- مقدمه
کربن نانوتيوب (CNT) از جمله نانوموادي است که با توجه به خصوصيات جالب توجه الکتريکي و شيميايي که دارد کاربردهاي بسياري را در حوزه هاي مختلف علوم به خود کاهختصباهص شددات ده تاحست ت .تأاثزيرجمپليهدابيخش ش هاايين ماده قرار گرفته است ساخت افزاره هاي الکترونيکي ميباشد.
هندسهي منحصر به فرد، نسبت سطح به حجم بالا، ساختار توخالي و از همه مهم تر، متغير بودن دياگرام باند انرژي آنها متناسب با شرايط شيميايي محيط ، اين نانومواد را به يک انتخاب بسيار مناسب براي استفاده در ساخت سنسورهاي گاز تبديل کرده است . کربن نانوتيوب ها ميتوانند رفتار فلز يا نيمه هادي از خود نشان دهند که براي هر کدام کاربردهاي متفاوتي پيش بيني شده است [٩-٤]. با ظهور و تکامل تکنولوژي ميکروالکترونيک در دههي ٩٩٧٠ سنسورهاي جديد مورد توجه قرار گرفته و سنسورهاي مختلف با کاربردهاي متنوعي توليد شد. از آنجا که در سنسورهاي گاز قديمي براي بالا بردن حساسيت سنسور نياز به افزايش دما به بالاتر از ٤٠٠درجه سانتيگراد وجود داشت ، توان مصرفي بالايي داشتند و علاوه بر اين نميتوانستند مقادير کم گاز را به خوبي آشکار کنند. با پيدايش فناوري نانو و به کارگيري CNT در ساخت سنسورهاي گاز، نانوسنسورهايي با حساسيت بسيار بالا و توان مصرفي پايين ايجاد شده اند.
جداي از ساخت اين قطعات که به نسبت قطعات معمول آسان تر بوده و هزينه کمتري را نياز دارد، شبيهسازي رفتار قطعاتي که با کربن نانوتيوب نيمه هادي ساخته مي شوند بدليل رفتار پيچيده الکتريکي اين ماده و تفاوت آن با مواد نيمه هادي معمول کار ساده اي نبوده و از اهميت خاصي برخوردار است . در اين تحقيق رفتار يک نوع آشکارساز گاز CNT شبيهسازي و مورد مطالعه قرار گرفته است . سنسور کربن نانوتيوبي مورد مطالعه در اين پژوهش از نوع مقاومتي ميباشد که مدل انتخابي براي سنسور از آرايهاي از کربن نانوتيوب هاي نيمه هادي تک جداره تشکيل شده است .
در اين مطالعه حساسيت قطعه براي آشکارسازي مقادير بسيار اندک گاز NO2 بررسي شده و تاثير رطوبت محيط بر قطعه، بعنوان عاملي که رفتار قطعه را تحت تاثير قرار مي دهد، مطالعه شده است .
2- آشکارساز گاز کربن نانوتيوبي
با توجه به اينکه در اين پژوهش کاربرد کربن نانوتيوب هاي نيمه هادي در ساخت آشکارسازها مورد نظر مي باشد، SWCNT زيگزاگ مورد مطالعه قرار گرفته است . با توجه به حساسيت بالاي CNT، با تغييرات جزئي در شرايط شيميايي محيط رسانايي آن تغيير مي کند. زماني که يک نانوتيوب نيمه هادي در مجاورت گازهاي مختلف قرار ميگيرد و با ملکول گاز ترکيب مي شود دو حالت اتفاق ميافتد. يا ملکول گاز به عنوان گيرنده ي الکترون (acceptor) و يا به عنوان دهنده ي الکترون (donor) عمل ميکند که در اين شرايط با تغيير چگالي حالت ها، دياگرام باند انرژي CNT تغيير کرده که اين تغيير معادل با تغيير در ميزان رسانايي ميباشد [٥]. در اين پژوهش از گاز NO2 به عنوان گاز نمونه استفاده شده است . عکس العمل نانوتيوب به اين صورت است که پس از جذب ملکول NO2 ، اين مولکول به عنوان گيرنده عمل کرده و کربن نانوتيوب به يک نيمه هادي نوع P تبديل مي شود. اين در حالي است که بدليل حضور اکسيژن در محيط و از آنجا که ملکول اکسيژن گيرنده ي الکترون ميباشد، کربن نانوتيوب نيمه هادي در حالت طبيعي نوع p مي باشد [٦].
٣- تعريف مدل انتخابي
ساختار مورد استفاده براي آشکارساز از قرار گرفتن آرايهاي متشکل از ٩٦2 عدد SWCNT
نيمه هادي(٩٠,٠) بين دو الکترود مطابق شکل ٩ تشکيل شده است . شکل ٩- الف ساختار و مدار معادل سنسور قبل از جذب و شکل ٩-ب ساختار و مدار معادل سنسور بعد از جذب ملکول هاي گاز را نشان ميدهد. در شکل ديده ميشود که پس از جذب ملکول گاز رسانايي اوليهي کل قطعه به ميزان ΔG تغيير ميکند.
شکل 1 – مدار معادل سنسور گاز CNT : الف . قبل از جذب مولکول گاز . ب . بعد از جذب مولکول گاز
معادلات حاکم بر قطعه بصورت تحليلي و با استفاده از نرم افزار محل متلب . برای مدل در نظر گرفته شده . حل شده و نتایج در قسمت نتايج ارائه شده است .
٣-١- معادلات حاکم
براي پي بردن به عملکرد دقيق قطعه نياز است که ابتدا معادلات حاکم بر ساختار CNT مطالعه شود.
يکي از مهم ترين پارامترهاي کربن نانوتيوب که در مکانيزم کار سنسورهاي گاز کاربرد دارد ساختار باند انرژي آن ميباشد. معادله ي (1) دياگرام باند انرژي نانوتيوب بر حسب بردار موج را ميدهد[٤و٧].
در رابطه ي فوق ميباشد. با استفاده از رابطه فوق با قرار دادن n و m مناسب ساختار باند انرژي CNT مورد نظر بدست ميآيد.
براي يک SWCNT نيمه هادي 0 = m و n هر عددي جز ضرايب صحيح عدد ٣ مي تواند باشد که در پژوهش حاضر 90=n در نظر گرفته شده است . چگالي حالت ها براي يک کربن نانوتيوب نيمه هادي از رابطه ي (2) بدست ميآيد.
چگالي حالت هاي يک نيمه هادي نشان دهنده ي خصوصياتي مانند نوع ناخالصي و موقعيت ترازهاي انرژي ميباشد. به کمک تغييرات چگالي حالت ها ميتوان به تغييرات محيط شيميايي CNT پي برد. در رابطه ي فوق εm براي تيوب نيمه هادي به صورت رابطه ي (٣) ميباشد.
براي هر رساناي باليستيک از جمله CNT، رابطه ي رسانايي به صورت (٤) تعريف ميشود[٥].
در رابطه فوق h ثابت پلانک ، تابع فرمي و احتمال انتقال ميباشد که در اين تحقيق براي کربن نانوتيوب فرض شده است . همچنين m تعداد مدهاي کربن نانوتيوب نزديک تراز فرمي است که منجر به برقراري جريان ميشود. تعداد مدها براي نمونه مورد استفاده در اين تحقيق دو در نظر گرفته شده است [1٠].
از قرار دادن رابطه (٥) در (٤)، رسانايي قطعه ي آشکارساز مورد نظر به صورت زير محاسبه خواهد شد:
در رابطه ي فوق Δ=EV-EF مي باشد.
بنابراين رسانايي کل قطعه بصورت زير بيان مي شود:
در رابطه ي (٧) g0 رسانايي اوليه هر SWCNT و G0 رسانايي کل قطعه ميباشد. پس از جذب NO2 ، رسانايي متوسط هر نانوتيوب به اندازه ي Δg و رسانایی کل سنسور به اندازه ΔG افزایش می یابد . مطالعات انجام شده تا کنون نشان داده است که ميزان تغييرات رسانايي قطعه متناسب با تغييرات رسانايي اوليهي آن ميباشد و بنابراين با افزايش G0 ،ΔG نيز به همان نسبت بيشتر ميشود [٩و1٠].
