بخشی از مقاله
خلاصه: شناسایی گاز نقش مهمی را در زندگی امروزي ایفا میکند. براي مثال شناسایی گازهاي سمی - - CO,H2S,NOx,SO2 و قابل انفجار - - H2,CH4,… همیشه مورد توجه بوده است. توجه به ساخت سنسورهاي حالت جامد با عنوان بینی الکتریکی - E-Nose - در حال گسترش است. هدف از ساخت بینی الکتریکی شناسایی یک گاز خاص از میان ترکیب چندین گاز یا شناسایی بو و ترکیبات آن است. در مقاله حاضر ابتدا پوشش لایه نازك اکسید روي به روش سل- ژل سنتز شد. ساختار کریستالی و ریخت شناسی سطح با استفاده از تفرق سنجی اشعه ایکس - XRD - و میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - مطالعه و سپس با استفاده از این پوشش، سنسور گازي اکسید فلزي ساخته شد و حساسیت سنسور ساخته شده نسبت به دو گازها پرکاربرد O2 و CO2 مورد ارزیابی قرار گرفت.
– 1 مقدمه
شناسایی گاز نقش مهمی را در زندگی مردم امروزي بازي میکند. براي مثال شناسایی گازهاي سمی - CO,H2S,NOx,SO2 - و قابل انفجار - - H2,CH4,… همیشه مورد توجه بوده است. یک سنسور گاز نوعی از مبدل است که مولکولهاي گاز را شناسایی و با توجه به نوع گاز و غلظت آن تولید سیگنال الکتریکی میکند.[1] در میان سنسورهاي گازي حالت جامد سنسورهاي ساخته شده برپایه نیمه هادي ها به دلیل ارزان بودن، اندازه کوچک، کاربرد راحت و پایداري مناسب نقش عمده اي را در شناسایی انواع گازها بازي میکنند.
[1-3] توجه به ساخت سنسورهاي حالت جامد با عنوان بینی الکتریکی - E-Nose - در حال گسترش است. هدف از ساخت بینی الکتریکی شناسایی گاز خاص از میان ترکیب چندین گاز یا شناسایی بو و ترکیبات آن است. اکسیدهاي فلزي که بیشترین کاربرد را در ساخت سنسور گازي دارند عبارتند از: SnO2 ,ZnO ,WO3 ,TiO2 Fe2O3 و .[2 ,4 ,5] Ga2 O3 در میان این اکسیدها، اکسید روي - ZnO - خواص منحصر بفردي براي استفاده در سنسورهاي شیمیایی و گازي دارد.
6] اکسید روي داراي باند گپ پهن - 3/37 eV - و یک نیمه هادي نوع N است که در حالت عادي در سیستم کریستالی ورتزیت شکل میگیرد .[7-9] با توجه به اینکه خواص سنسورهاي نیمه هادي به واکنش هاي سطحی وابسته است شکل و حالت سطح این اکسیدها نقش بسیار عمده اي در حساسیت سنسور به گاز بازي میکند، به طوریکه با ساخت لایه نازك اکسید فلزي به دلیل افزایش نسبت سطح به حجم، حساسیت سنسور افزایش می یابد.
اخیراً تهیه فیلمهاي نازك اکسید روي - ZnO - به روش سل– ژل رشد چشمگیري داشته است چرا که در میان روشهاي موجود، کم هزینه و سهل الوصول می باشد و قابلیت رسوب لایه براي سطوح با مساحت زیاد و یکنواختی مناسب در ضخامت را داراست.[10] در کار پیشرو از روش پوششدهی چرخشی - spin coating - براي تهیه پوشش استفاده شد سپس با استفاده از پوشش لایه نازك اکسید روي سنسور گازي ساخته و حساسیت سنسور ساخته شده نسبت به گازهاي O2 و CO2 مورد ارزیابی قرار گرفت.
-2 روش تحقیق
الف- فر آیند پوششدهی
به منطور تهیه پوشش اکسید روي، ابتدا استات روي - ZnA - در محلول مونواتانول آمین - MEA - و دو متوکسی اتانول در دماي اتاق حل شد. نسبت مولی منواتانول آمین به استات روي 1:1 گرفته شد و غلظت استات روي 0/75 مولار در نظر گرفته شد. محلول نهایی در دماي 60 œC به مدت 30 دقیقه به وسیله همزن مغناطیسی همزده شد و محلولی شفاف و همگن بدست آمد که به عنوان محلول پوششدهی استفاده شد.
نمونه ها پیش از پوششدهی طبق روشهاي استاندارد تمیز شد و سپس توسط دستگاه پوششده چرخان و با سرعت 3000 دور بر دقیقه و به مدت یک دقیقه پوشش داده شدند. پس از آن نمونه ها به مدت 10 دقیقه در دماي 300 œC پیشگرم شدند. پوششدهی و پیشگرم سه مرتبه تکرار شد. سپس پوشش ایجاد شده در محدوده دمایی 400 œC به مدت 1 ساعت در کوره ي الکتریکی آنیل گردید.
ب- مطالعه خواص لایه نازك اکسید روي
به منظور مطالعه لایه نازك اکسید روي - ZnO - از دستگاه تفرق سنج اشعه - XRD; Philips - توسط پرتو - Cu-kα1 - استفاده شد. از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM; Leo 435vp. - جهت بررسی مورفولوژي سطح لایه ها بهره برده شد. همچنین طبق معادله شرر - scherrer - ، و با استفاده از نرم افزار X'pert highscore اندازه متوسط دانه هاي کریستال ZnO نمونه ها پوشش داده شده تخمین زده شد.
ج- ساخت سنسور گازي لایه نازك اکسید روي
براي ساخت سنسور گازي از نمونه هایی به اندازه 1 cmx1cm که پوشش لایه نازك اکسید روي بروي آنها داده شده بود استفاده شد. همانطور که در شکل - 1 - دیده میشود اتصال الکترودها به گونه اي بود که فضایی به اندازه 0/5 سانتی متر مربع از پوشش بین دو الکترود در معرض گاز قرار داشت. سنسور در داخل محفظه در بسته قرار گرفت و به دستگاه مالتی متر وصل شد. همچنین براي کنترل حجم گاز ورودي از شیر کنترلی گاز - MFC - استفاده شد. آزمایشات بر روي دو گاز پر مصرف در صنعت و زندگی روزمره انسان یعنی گاز اکسیژن - O2 - و دي اکسید کربن - CO2 - دردماي محیط - 25œC - انجام گرفت.
-3 آزمایش و نتایج
الف- ساختار و شکل نانو پوشش لایه نازك اکسید روي نتایج حاصل از الگوي پراش اشعه ایکس در شکل - 2 - نشان می دهد که لایه رسوب داده شده اکسید روي - ZnO - خالص و بدون هیچگونه ناخالصی می باشد که به صورت کریستالهایی با ساختار ورتزیت - wurtzite - هگزاگونال و با جهت گیري اتفاقی ایجاد شده است. سه پیکهاي شاخص مربوط به صفحات - 100 - ، - 002 - و - 101 - دلیلی بر این مدعاست. [12 ,11 ,7] اندازه متوسط دانه هاي کریستال پوشش اکسید روي در حدود 7/29 nm تخمین زده شد. شکل 3 یک قطعه پوشش داده شده به همراه تصویر SEM آن را نشان می دهد.
ب- اندازه گیري و بررسی حساسیت سنسور نسبت به گاز براي اندازه گیري حساسیت و زمان پاسخ سنسور ساخته شده به گاز از دوگاز اکسیدان O2 - ، - CO2 با توجه به پرکاربرد بودن این گازها در صنایع مختلف استفاده شد. میزان حساسیت به گاز از رابطه Rgas/Rair محاسبه شد. در این رابطه Rgas مقاومت الکتریکی پوشش استفاده شده در سنسور در معرض غلظت هاي گاز مختلف است و Rair مقاومت الکتریکی سنسور در هوا است.[15-13] از این رابطه براي گازهاي احیاکننده بصورت برعکس استفاده می شود.
سنسور ساخته شده با قرار گرفتن در معرض گازهاي اکسیدان افزایش مقاومت - Rgas - و در مقابل گازهاي احیاکننده کاهش مقاومت - Rgas - را نشان داد. که این رفتار با توجه به اینکه پوشش لایه نازك اکسید روي نیمه هادي نوع منفی - N-type - است قابل توجیه است.[17 ,16] همانطور که در شکل 4 مشاهده میکنید با افزایش میزان غلظت گاز، حساسیت سنسور نیز افزایش یافته بطور مثال در غلظت 5000 ppm حسایت سنسور نسبت به گاز CO2، 7/6 بوده در صورتی که در غلظت 1000 ppm، 2/8 محاسبه شده. تقریبا در تمام غلظت ها حساسیت سنسور نسبت به گاز اکسیژن بیشتر بوده، در شکل - 5 - نسبت حساسیت گاز O2 به حساسیت گاز CO2 در غلظت هاي مختلف رسم شده است. این نسبت با افزایش غلظت گاز افزایش پیدا کرده که نشان دهنده افزایش حساسیت سنسور نسبت به گاز O2 در مقابل گاز CO2 است.
این رفتار قابلیت شناسایی گاز اکسیژن در محیط هایی که این دوگاز در تماس با یکدیگر هستند را به وجود می آورد بطور مثال این نسبت در غلظت 1000ppm، عدد 1/4 بدست آمد ولی با افزایش غلظت تا 5000 ppm، این مقدار به 2/8 رسید . معمولا زمان پاسخ - Response Time - را مدت زمانی که سنسور به %90 حالت پایدار خود میرسد تعریف میکنند.[19 ,18] نمودار حساسیت سنسور در غلظت 3000 ppm در شکل - 6 - مشاهده میشود. مدت زمان پاسخ سنسور ساخته شده در غلظت 3000 ppm براي گاز اکسیژن حدود 0/01 ثانیه محاسبه شد همچنین این زمان براي گاز CO2 حدود 0/02 ثانیه بدست آمد، زمان هاي پاسخ بدست آمده نشان از واکنش سریع سنسور ساخته شده به گاز است.
