مقاله ساخت حسگر گازی اکسید - فلز SnO2 : F به منظور آشکارسازی گاز هیدروژن ( H2 )

بخشی از مقاله

چکیده

لایههاي نازك اکسید قلع با ناخالصی فلوئور به روش اسپري پایرولیزیز جایگذاري شدند. عمل لایهنشانی نمونهها با پارامتر نسبتهاي وزنی مختلف در دماي 470 °C و مولاریته محلول 0/05 M انجام گرفت. در این حالت نسبت وزنی فلوئور به قلع - - F/Sn با گامهاي 0/05 از 0 تا 0/3 تغییر داده شد. طیف پراش پرتو X براي4 نمونه با نسبت وزنی 0/3 ،0/25 ،0/05 ،F/Sn: 0 گرفته شد. بررسی طیفXRD، ساختار تتراگونال - فاز کسیترایت - 1 را براي این نمونهها نشان داده است. تصویربرداري SEM براي نمونه با نسبت وزنی F/Sn: 0/05 انجام شد. از برسی تصویر SEM، اندازه دانهها براي این نمونه در حد 70- 100 nm تخمین زده شد. بررسی اثر حسگري لایهها نشان داد که از بین تمام نمونهها، نمونه SnO2/F با نسبت وزنی F/Sn: 0/05 ، بهترین حساسیت را نسبت به 2000 ppm گاز هیدروژن دارد.

مقدمه

انتشار و پخش گازهاي مهلک و سمی یکی از خطرات روزمره زندگی صنعتی است. در حال حاضر سازندگان و محققان در حوزه حسگر توجه بسیار زیادي را معطوف به ساخت قطعات حساس به گازهاي موجود در محیط اطراف،  نمودهاند که حساسیت به این حوزه، از لزوم کنترل و ایمنی این گونه گازها نشأت میگیرد. در این بین حسگرهاي گازي نیمههادي اکسید-فلز به علت تکنولوژي ارزان قیمت ساخت نیمههادي، قابلیت حمل آسان، کوچکی اندازه، توان مصرفی کم و عملکرد سریع در کنار سیستمهاي دیگر تشخیص گاز، خود نمایی میکنند. اساس کار حسگرهاي اکسید- فلز بر پایه کاهش مقاومت لایه اکسید-فلز - براي نیمههادي نوع - n در حضور یک گاز احیاء کننده در دماي کار مناسب میباشد. از آنجا که این نوع حسگرها داراي مشکلاتی نظیر عدم تشخیص همزمان چند نوع گاز، پایداري بلند مدت و حساسیت بالا میباشند، تلاش اصلی در زمینه حسگرهاي گازي نیمههادي، روي بهینهسازي سه پارامتر: حساسیت، گزینندگی و پایداري متمرکز شده است. در این پروژه از گاز هیدروژن - - H2 براي تعیین حساسیت نمونهها استفاده شده است. در آیندهاي نزدیک سوختهاي هیدروژنی به علت عدم آلودگی، جایگزین مناسبی براي سوختهاي فسیلی خواهد بود به همین دلیل اخیرا حسگري این گاز مورد توجه اکثر محققان قرار گرفته است.

کارهاي تجربی

نمونههاي SnO2/F با نسبتهاي وزنی مختلف F/Sn از 0 تا 0/3 با گامهاي 0/05 جایگذاري شدند. در ابتدا محلولمولار 0/05 کلرید قلع پنج آبه تهیه گردید. براي این حالت مقدار 725 grاز1/ ماده SnCl4.5H2O در 100 cc حلالدیونیزهشامل: 43 cc آب - de-ionized water - ، 54 cc الکل دو-پروپانول - 2-propanol - alcohol و 3 cc اسید هیدروکلریدریک - Hcl - حل شد و این محلول به عنوان محلول پایه انتخاب گردید. براي وارد نمودن ناخالصی فلوئور، هر سري مقادیر 0 gr، 0/0582gr، 1164 gr،0/ 0/1745 gr، 0/ 2328 gr، 0/2910 gr و 0/3490 gr از ماده آمونیوم فلوراید - - NH4F به ترتیب نسبتهاي وزنی ذکر شده به آن اضافه گردید. پس از تهیه محلولها هر کدام از آنها را در محفظه مدرج دستگاه اسپري ریخته و در ارتفاع 37 cm، فشار هواي 2bar و دماي 470 °C محلولها را اسپري نمودیم - سرعت محلول اسپري شده در این بین حدود  6 cc محاسبه گردیده است - . واکنش اصلی براي تشکیل لایه نانوساختار SnO2 به صورت رابطه - 1 - میباشد:[1] SnCl4  2 H 2O → SnO2  4HCl ↑     - 1 - همزمان واکنشهایی که براي ماده ناخالصی فلوئور و برهمکنش آن با ماده SnO2 روي میدهد به صورت رابطه - 2 - خواهد بود:[2]

مشخصهیابی ساختاري لایههاي نازك و سیستم

اندازهگیري

آنالیز    ساختاري پرتو X  براي    4  نمونه با نسبتهاي وزنی 0/3    ،0/25  ،0/05  ،F/Sn: 0  که    در دماي 470 °C  و مولاریته 0/05 M جایگذاري شدهاند، توسط دستگاه پراش اشعه X مدل Philips PW1800 با تابش Cu-Kα - λ = 0/15405 nm - در محدوده 2θ = 10-60o و با گامهاي 0/02 انجام شد. همچنین مطالعه ساختاري نمونه F/Sn:0/05 که در دماي 470 °C و مولاریته 0/05 M جایگذاري شده بود، توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM مدل Philips XL30 انجام شد. شکل - - 1 نماي طرحگونه از سیستم اندازهگیري را نشان میدهد. براي ورود گاز به محفظه از یک سرنگ معمولی استفاده شده و مقدار حجم گاز درون این سرنگ از رابطه - - 3 محاسبه گردیده است. بدین ترتیب با فرض معلوم بودن حجم محفظه دسیکاتور و انتخاب مقدار غلظت دلخواه گاز - بر حسب - ppm میتوان میزان حجم گازي را که باید با سرنگ برداشته شود، محاسبه نمود.