بخشی از مقاله
چکیده
فلز Zn به روش PVD با تبخیر حرارتی بر روي زیرآیند هاي شیشه اي نشانده شد. براي دستیابی به لایه اکسید روي، لایه هاي حاصل به مدت 3 ساعت در دماهاي 500 و 600درجه سانتیگراد در کوره اکسید شده سپس به عنوان حسگر گاز مورد استفاده قرار گرفت. تغییر رسانش الکتریکی لایه هاي نمونه در اثر افزایش دما بررسی شد. همچنین لایه هاي ZnO حاصل به عنوان حسگر اتانول مورد بررسی قرار گرفت . دماي بهینه کار حسگر حدود270 œ C به دست آمد. تغییرات حساسیت نسبت به تراکم اتانول نیز بررسی و مشاهده شد که حسگر اکسید شده در 500°C نسبت به اتانول تا حدود 15000 ppm حالت اشباع نشان نمی دهد.
مقدمه
در سالهاي اخیر بسیاري از انواع حسگرهاي گاز در زمینه هاي مختلف به کار گرفته شده اند. از حسگرهاي گاز براي تشخیص آلاینده هاي زیست محیطی در صنایع، منازل و نسل جدید اتومبیلها استفاده می شود. همچنین این حسگرها کاربردهاي وسیعی را در صنایع نظامی، پزشکی و غذایی پیدا کرده اند. در صنایع پتروشیمی گازهاي مختلف به عنوان مواد اولیه از اهمیت ویژه اي برخوردارند. به این دلیل ساخت حسگرهایی با حساسیت بالا براي جلوگیري از حوادث ناشی از نشت گاز در این صنایع بسیار مهم است.
[1] در میان حسگرهاي گاز موجود، حسگر هاي گاز مقاومتی که از نیمرساناهاي اکسیدي ساخته می شوند، به علت آشکار سازي گازهاي قابل اشتعال و سمی کاربردهاي بیشتريیافته اند. نیمرساناهاي اکسیدي مانند SnO2، TiO2، Fe2O3، Al2O3، Y2O3 و ZnO بیشترین کاربرد را دارا هستندZnO .[2] از اکسیدهاي نیمرسانایی است که به عنوان حسگر گاز استفاده شده است و همواره به علت خواصی همچون پایداري شیمیایی و حرارتی بالا، حساسیت به طیف وسیعی از گازها، قیمت ارزان، زمان پاسخ کوتاه و ساخت آسان مورد توجه بوده است.
[3] حسگر گاز ZnO به روشهاي مختلفی مانند تک بلور، حبه اي، لایه نازك، لایه ضخیم و پیوندهاي ناهمگون ساخته شده است.[4] در این پژوهش لایه هاي نازك ZnO از طریق نشانش Zn و سپس اکسیداسیون در شرایط کنترل شده حاصل شد. سپس با ساخت حسگر گاز از لایه هاي بدست آمده، حساسیت آنها نسبت به بخار اتانول در شرایط مختلف دمایی و تراکم گاز هدف مورد بررسی قرار گرفت.
کار آزمایشگاهی
محفظه خلاء با استفاده از پمپ هاي روتاري و دیفیوژن و به کمک تله نیتروژن مایع تا فشار 5×10-6 torr تخلیه شد و سپس به روش لایه نشانی PVD تبخیر حرارتی، فلز Zn با خلوص %99 توسط بوته تنگستن با عبور جریان الکتریکی انجام شد. لایه هاي حاصل به رنگ خاکستري بود و چسبندگی مطلوبی نداشتند. در مرحله بعد نمونه ها را در دماهاي 500 و 600 درجه سانتیگراد درون کوره به مدت 3 ساعت در هوا اکسید کردیم و بدین ترتیب لایه هاي نازك اکسید روي به رنگ سفید بر روي زیرآیند شیشه اي حاصل گردید.
نمونه هاي اکسید شده در 600 درجه سانتیگراد چسبندگی بسیار مطلوبتري نسبت به 500 درجه داشتند. علت تبخیر فلز Zn و سپس اکسید کردن آن به دلیل مشکل بودن لایه نشانی ZnO است. همچنین ضخامت لایه ها حدود 3000 آنگستروم تخمین زده می شود. براي اندازه گیري هایی الکتریکی، از چسب نقره به منظور برقراري اتصال اهمی به لایه ها و از سیم نازك پلاتین براي برقراري اتصالها به مدار الکتریکی استفاده شد. صحت اهمی بودن کلیه اتصالات حاصل مورد بررسی قرار گرفت. حسگرهاي مقاومتی گاز در دمایی بالاتر از دماي اتاق کار می کنند، لذا از یک گرم کننده الکتریکی کوچک استفاده شد. تنظیم دماي کار حسگر با کنترل جریان الکتریکی المان گرمکن در زیر حسگر صورت می گیرد.
نتایج و بحث
نمودار لگاریتم هدایت بر حسب افزایش دما براي دو نمونه اکسید شده در 500 و600 درجه سانتیگراد نشان داده شده است. همان طور که از این نمودارها مشخص است، رسانش الکتریکی ZnO با افزایش دما افزایش می یابد. در اثر افزایش دما، برخی از مولکولهاي ZnO تحت یک واکنش احیا قرار می گیرند. در این واکنش احیا یک تهی جاي اکسیژن - Vo - تولید می شود که یونیزه شده و دو الکترون به باند هدایت اضافه می کند. نتیجه این فعل و انفعال افزایش رسانایی نمونه می باشد.
نکته دیگري که از این نمودارها بدست می آید، آن است که مقاومت الکتریکی نمونه اکسید شده در 500°C بسیار بیشتر از نمونه اکسید شده در 600°C می باشد. مقاومت کمتر نمونه اکسید شده در دماي بالاتر یعنی 600°C را می توان به بلوري شدن بهتر آن نسبت داد. این مطلب از روي تصاویر XRD این دو نمونه کاملاً مشخص است. همان طور که در شکل.2 دیده می شود، شدت قله ها در نمونه اکسید شده در 600°C بیشتر می باشد که نشان دهنده آن است که تعداد بیشتري از صفحات بلوري رشد کرده در جهت هاي خاص مربوط به ZnO وجود دارند.
شکل.2 الگوي XRD بدست آمده براي لایه ZnO :الف - لایه اکسید شده در 500°C،ب - لایه اکسید شده در600°C به عنوان حساسیت در نظر گرفته شده است، مانند بسیاري از مراجع[5] به صورت S=Ra/Rg می باشد، که Ra مقاومت حسگر در معرض هوا و Rg مقاومت حسگر در معرض گاز می باشد. رسانش الکتریکی در حسگرهاي اکسیدروي، همانند همه نیمرساناهاي نوع-n در حضور گازهاي احیاءکننده افزایش می یابد.
همان طور که در این شکل دیده می شود، نمونه اکسید شده در 500°C حساسیت بالاتري نشان می دهد. دلیل این امر تخلخل بیشتر و اندازه دانه کوچکتر این نمونه ها نسبت به نمونه هاي اکسید شده در600°C می باشد. تصاویر SEM شکل.4 نیز گویاي همین مطلب می باشد. اندازه متوسط دانه ها در نمونه اکسید شده در 500°C حدود 100nm و در نمونه اکسید شده در600°C حدود 200nm می باشد. همچنین در شکل-4ب. تعدادي نانومیله به طول متوسط 1μm نیز مشاهده می شود که تحت بررسی است. در حسگرهاي مقاومتی گاز، براي بیشینه کردن فرصتهاي لازم براي واکنشهاي سطحی، نسبت سطح به حجم بالایی مورد نیاز است.
بخاطر رابطه معکوسی که بین سطح و اندازه دانه وجود دارد، مواد در مقیاس نانو که سطح مؤثر بالایی دارند، مطلوب تر می باشند . همچنین ثابت شده که افزایش دما در فرآیندهاي ترمیم حرارتی مانند تفجوشی و یا انیل کردن سبب رشد دانه ها می گردد. با رشد دانه ها در دماي انیل اندازه موثر سطح لایه حساس کم می شود. با کم شدن سطح موثر، سایتهایی که اکسیژن به آنها جذب می شود، کم شده و در نتیجه اکسیژن هاي کمتري می توانند به سطح جذب شوند. بنابراین فرصت براي واکنشهاي سطحی کاهش یافته و در نتیجه حساسیت کاهش می یابد.
