بخشی از مقاله
چکیده
دراین پژوهش به دلیل اهمیت ویژه حسگری گازهای قابل اشتعال از جمله گاز مایع در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، حسگر نانو ساختار اکسید روی ساخته شد و جهت سنجش گازLPG مورد استفاده قرار گرفت. برای مطالعه خواص ساختاری لایهها از آنالیزهای پراش اشعه ایکس - XRD - و انرژی پراکندگی اشعه ایکس - EDX - استفاده شد. نتایج نشان دهنده رشد میله های شش گوشی اکسید روی با درجه خلوص بالا با جهت گیری ترجیحی - - 101 می باشند.
ریخت شناسی سطح و تخلخل لایهها توسط میکروسکوپ الکترونی روبش تعیین گردید. حساسیت حسگر گازی لایه های نازک نانو میله های اکسید روی - ZnO - برای گستره دمایی 50-300ºC اندازه گیری شد و بیشینه پاسخ حسگر نانو میلهها در دمای بهینه 250 ºC محاسبه شد. با اندازه گیری تغییرات مقاومت حسگر بر حسب غلظت گاز مایع - LPG - ، بیشینه پاسخ حسگر 92.7% و کوتاهترین زمان پاسخ در حدود 44 ثانیه بدست آمد.
مقدمه
مواد نانوساختار اکسید روی به عنوان یک نیمرسانای پرکاربرد توجه بسیار زیادی را به خود جلب کرده است. اکسید روی از برجستهترین نیم رساناها در خانواده اکسیدهای فلزی به عنوان یک اکسید رسانای شفاف دارای گاف انرژی مستقیم و پهن 3/37eV در دمای اتاق و انرژی بستگی بزرگ 60 meV می باشد. به دلیل پتانسیل کاربردیش در قطعات الکترونیکی و اپتوالکترونیکی مختلف و ارزانتر بودن در مقایسه با سایر اکسیدهای رسانای شفاف دارای اهمیت میباشد.
این خواص منحصر به فرد، نانو ساختارهای اکسید روی را به عنوان یک کاندیدای مهم جهت کاربرد در دیودهای گسیلکننده نور، نانو لیزرهای فرابنفش، آشکارسازهای نوری، سلولهای خورشیدی رنگدانهای و نانو حسگرهای گازی معرفی می کند4]،.[3 اخیراً نانو ساختارهای یک بعدی اکسیدهای فلزی مانند نانوسیمها، نانو میلهها و نانو لوله ها به دلیل داشتن نسبت سطح به حجم بسیار بالا و همچنین تنوع کریستالی بالا، مورد توجه بسیاری از محققان بوده است.
جهت رشد نانو ساختارهای اکسید روی تکنیکهای مختلفی مانند سل ژل[5]، کندوپاش، هیدروترمال[6] و انباشت بخار شیمیایی[7] قابل استفاده است. بطوریکه روشهای سل ژل و هیدروترمال دارای مزیتهای فراوان از جمله خلوص بالای نمونه، دستیابی به انواع ریخت شناسیهای جدید و هزینه تولید پایینتر می باشند. در این پژوهش لایههای نازک نانومیلههای ZnO به عنوان ماده فعال در حسگر گازی، با استفاده از ترکیب روشهای سلBژل و هیدروترمال تهیه شد و مطالعهی حسگری لایهها در دماهای کاری مختلف صورت گرفته و در دمای بهینه کاری فرایندهای حسگری گاز LPG در غلظتهای مختلف انجام شده است.
بخش تجربی
به منظور به دست آوردن لایههای نازک نانومیلههای اکسید روی فرایند سنتر در طول دو مرحله انجام شد: - 1ایجاد لایه نازک نانو ذرات ZnO بر روی زیرلایه شیشهای کوارتز به عنوان لایه چسبنده از طریق فرایند سل ژل و تکنیک لایه نشانی چرخشی. برای آماده سازی محلول، استات روی دو آبه در اتانول و محلول مونو اتانول آمین در اتانول را به صورت جداگانه بر روی همزن مغناطیسی به مدت 30دقیقه قرار داده شد، سپس محلول مونو اتانول آمین به آرامی به محلول استات روی اضافه گردید. بطوریکه اتانول به عنوان حلال، استات روی به عنوان ماده اولیه و مونو اتانول آمین در نقش تثبیت کننده سل میباشد.
محلول حاصل به مدت2 ساعت در دمای60°C تحت عمل رفلاکس قرار گرفت تا محلول نهایی کاملاً بصورت شفاف و همگن شود. پس از آماده سازی زیر لایهها - لاملهای شیشهای - جهت ایجاد لایه نازک نانو ذرهای محلول فوق به روش لایهنشانی چرخشی با سرعت 3000 rpm بر روی زیرلایهها، لایه نشانی شد. در نهایت زیرلایه ها به مدت 2 ساعت در دمای 550°C بازپخت شد تا لایه دانه دار اکسید روی بر روی زیر لایهها تشکیل شود. - 2 رشد نانو میلههای ZnO بر روی زیر لایههای دانهدار به روش هیدروترمال. برای این منظور محلول نیترات روی شش آبه - Zn - NO3 - 2.6H2O - و هگزامتیلن تتراامین - CH2 - 6N4 - در آب دیونیزه تهیه شد. سپس محلول در داخل اتوکلاو برای مدت زمان 12 ساعت در دمای95°C قرار داده شد.
در نهایت لایهها در دمای 500 °C تحت فرایند بازپخت قرارگرفت. در این پژوهش خواص ساختاری و فاز های تشکیل شده لایه های نازک نانو میله های اکسید روی با دستگاه XRD مدل X Pert MPD و آنالیز عنصری لایه ها با استفاده از دستگاه انرژی پراکندگی اشعه ایکس - - EDX مورد مطالعه قرار گرفت. جهت بررسی ریز ساختار و مطالعه ریختشناسی سطح نمونهها از دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی اثر میدانی مدل - Hitachi S-4160 - استفاده شد.
در مرحله ساخت قطعه حسگری و برای ایجاد اتصالات الکتریکی از طﻻ برای الکترود گذاری استفاده شد و الکترود گذاری توسط دستگاه تبخیر حرارتی بصورت دوالکترودی انجام شد. آزمایشهای حسگری بهصورت دینامیکی انجام میشود و پس از تست حسگری جریان گاز از خروجی محفظه به بیرون هدایت میشود. در شکل 1 طرحواره سامانه حسگری گاز، مورد استفاده در این پژوهش نشان داده شده است.
نتایج و بحث
شکل گیری و ریخت شناسی لایههای نازک اکسید روی در حالت ذرات دانه دار ابتدایی بر روی زیرلایه شیشه و نانو میله های رشد یافته نهایی پس از بازپخت حرارتی توسط تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی در شکل 2 نشان داده شده است. متوسط اندازه دانه ها و قطر نانو ذرات و نانو میله های ZnO نشان داده شده در ابعاد نانو متریک میباشد. تشکیل میلههای شش گوشی نشان دهنده کیفیت ساختاری بالای نمونههای رشد یافته می باشد. همچنین تصویر.2د سطح متخلخل لایهها جهت تقویت ظرفیت جذب گاز را نشان میدهد. الگوی پراش اشعه ایکس لایه-
های نانو ذرات دانه دار و میله های رشد یافته اکسید روی به ترتیب در شکل .3الف و.3ب قابل مشاهده است.
شکل: 2 تصاویرSEM مربوط به الف - لایه نازک اکسید روی در حالت ذرات دانه دار بر روی زیرلایه شیشه ب - مقطع عرضی نانو میله های رشد یافته بر روی ذرات دانه دار اولیه ج - نانو میله های رشد داده شده د - رشد ثانویه نانو میله های اکسید روی بر روی ذرات دانه دار اولیه قله پراشی ناشی از ناخالصی یا Zn فلزی اضافی در طیف پراش پرتو ایکس نمونهها مشاهده نشد که بیانگر رشد نانو ساختارهای اکسید روی به صورت نسبتاً خالص میباشد.
رشد و جهت گیری شبکه کریستالی نانو ذرات و نانو میلهها در سطح لایههای نازک در امتداد سه صفحه - - 100، - - 002و - - 101 میباشد. همچنین افزایش شدت قلههای مزبور و جابه جایی جزئی در زاویه پراش و دستیابی به صفحات بلوری - 102 - و - 110 - در حدود زوایای 47 و 56 درجه به رشد نانو ذرات اولیه و جهت گیری نانو میله های رشد یافته مربوط میباشد. آنالیز EDX لایههای نازک نانو میلههای اکسید روی به منظور تعیین عناصر تشکیل دهنده و عدم وجود نقص شبکه مربوط به ناخالصی در شکل.3ج نشان داده شده است. قله های طیف در حدود 0/5، 1 و 8/7 کیلو الکترون ولت، نشاندهنده عناصر اکسیژن و روی بوده و قله دیگری ناشی از وجود ناخالصی دیده نشد.
علاوه بر این توزیع کمی اتم های روی و اکسیژن بصورت نسبت 2/56 :1تأییدی بر ساختار ورتزیت بوده بطوریکه این نتایج، یافتههای حاصل از آنالیز پراش پرتو ایکس را تأیید می کند. با توجه به نسبت سطح به حجم بالای لایه نازک نانومیله های اکسید روی سنتز شده، رسانایی الکتریکی لایه حساسیت زیادی نسبت به تغییر سطح شیمیایی از خود نشان می دهد. زمانی که لایه شکل:3 الگوی XRD لایه های نازک الف - نانو ذرات دانه دار ب - میله های رشد یافته ج - طیف EDX لایه نازک نانو میلههای اکسید روی سینتیک واکنشها بصورت معادلههای 6-9 می باشد و در هر محدوده دمایی یک واکش رخ میدهد.[8]
