بخشی از مقاله
چکیده:
در این پژوهش، لایههاي نازك روي به روش کندوپاش مگنترونی روي زیر لایه کوارتز نهشته شد. سپس، نانوذرات اکسید روي، از حرارت دادن لایه نازك روي در هوا، در دماهاي مختلف متفاوت تولید شد و ویژگیهاي ساختاري و الکتریکی لایههاي نانوساختار اکسید روي جهت ساخت حسگر گازي مقاومتی بررسی گردید. با جمعبندي نتایج حاصل از بررسی خواص فیزیکی لایهها، نتیجه میشود که در لایهي نازك بازپخت شده در دماي 500 œC، اندازه نانو ذرات نسبت به بقیهي نمونهها کوچکتر و آثار توده شدگی ذرات در آن کمتر است، در نتیجه بهترین خواص را جهت ساخت حسگر گازي نشان داد.
بررسی و تحلیل آزمایشات حسگري براي گازهاي کربن دي اکسید، کربن مونوکسید با غلظتهاي مختلف 1000، 500 ، 300 و 100 ppm، حساسیت حسگري براي غلظتهاي مختلف گاز مونوکسید کربن بیشتر از گاز دي اکسید کربن بوده است و همچنین این آزمایشها نشان داد که میتوان با بهینه کردن سایر شرایط لایه نشانی و خواص حسگري از لایههاي نازك نانوساختار اکسید روي براي تولید انبوه حسگر گاز CO استفاده کرد.
-1 مقدمه
اکسید روي یک ترکیب معدنی با فرمول - ZnO - و به شکل پودري سفید رنگ و غیرمحلول در آب است که به دلیل شفافیت و رسانش بالا و گاف نواري پهن، به عنوان الکترودهاي شفاف در نمایشگرهاي صفحه تخت، ﺗﺮاﻧﺰﯾﺴﺘﻮرﻫﺎي لایه نازك، سلولهاي خورشیدي نانوساختار، حسگرهاي گازي و دیودهاي نورگسیل1 مورد استفاده قرار گرفته است 1]و.[2 در شرایط فشار و دماي اتاق، اکسید روي در ساختار شش گوشی - HCP - ورتزایتی متبلور میشود. معمولا این ساختارها مزایاي خوبی در خواص الکتریکی دارد .[3] اکسید روي یک نیمرساناي شفاف نوع n و یکی از مهمترین نیم رساناهاي ترکیب II و VI است که در مقایسه با سایر مواد نیمرسانا، انرژي پیوندي اکستیون بالاتري - 60 meV - دارد. گاف انرژي آن در دماي اتاق، حدود 3/37 eV می باشد.
[4] رسانندگی اکسید روي مربوط به تغییر در رسانش سطحی تحت جذب شیمیایی اکسیژن است .[5] در چند سال گذشته، با پیشرفت فناوري نانو، استفاده از لایههاي نازك رشد قابل ملاحظهاي را در اصلاح خواص سطحی مواد داشته است. خواص لایههاي نازك اکسید روي وابسته به ساختار و مورفولوژي آنها، طی فرایند رشد و جوانهزنی است. در بحث حسگر گاز، سطح موثر عامل مهمی محسوب میشود که هر چه میزان سطح به حجم افزایش یابد، سطح حسگر در تماس بیشتري با ملکولهاي گاز میباشد و تغییرات اپتیکی و الکتریکی برجستهتري از خود نشان میدهند. براي نیل به این هدف از لایه نازك یا ماده متخلخل مورد استفاده قرار میگیرد.
هرجا که نیازي براي احساس و تشخیص گاز و بو وجود دارد، کاربردي از حسگر گاز قابل تصور است. ابتداي کار، نیاز به ابزاري براي هشدار در مورد حضور گازهاي سمی و خطرناك در محیط کار بوده است. لیکن، با توسعه دانش و فن ساخت حسگرهاي گاز، نیازهاي صنعتی و خانگی دیگري بهتدریج مطرح و به لیست نیازها افزوده شدند6]و.[7 در حال حاضر، بزرگترین مصرف کننده حسگر گاز، صنایع اتومبیل سازي است 8] و[9، صنایع اتومبیلسازي ایران نیز ده سالی است که به نصب حسگرگاز روي اتومبیلهاي ساخت داخل پرداخته است10]و.[11 براي بررسی کیفیت محیط و آشکارسازي انواع آلودگیها در آب، خاك یا هوا انواع مختلفی از حسگرها به کار میروند 12]و.[13 کاربردهاي نظامی بینی الکترونیکی نیز از اهمیت بالایی برخوردارند، کاربردها عمدتا از دو دسته کشف مواد منفجره و آشکارسازي سریع گازهاي سمی میباشند.
حسگرهاي گازي که با استفاده از لایههاي رساناي شفاف ساخته میشوند، کاربرد وسیعی در آشکارسازي گازهاي سمی و اشتعال پذیر مانند کربن دي اکسید - CO2 - ، کربن مونوکسید - CO - ، اتانول - C2H6O - ، آمونیاك - NH3 - ، گاز هیدروژن - H2 - و غیره دارند. این حسگرها شامل نوعی لایه اکسید فلزي مانند اکسید روي بر سطح زیرلایه عایق با دو الکترود فلزي و یا در حالت پیشرفته با الکترودهاي انگشتی - شانهاي - هستند. با وجود تنوع حسگرهاي مبتنی بر نیمرساناهاي اکسید فلز، مکانیزم عملکرد آنها تقریبا یکسان است. در حالت کلی اساس کار آنها، تغییر لایه اکسید فلزي در اثر تماس با گازهاي سمی اشتعالپذیر است که تغییر در رسانش یا به خاطر گذار مستقیم الکترون از گازي که جذب سطحی شده، به نیمرسانا صورت میگیرد و یا به دلیل واکنش گاز و اکسیژن نیمرسانا است .[16]
واکنش به گاز براي گازهاي مختلف ارتباط به سطح و ریختشناسی ماده دارد 17]و.[18 نانوساختارهاي اکسید روي موادي با حساسیت بالا براي استفاده در حسگرها مطرح شدهاند و این به دلیل سرعت جفت شدن آهسته الکترون/ حفره و همچنین نسبت سطح به حجم بالاي آنها در مقایسه با مواد حساس متداول است. اگر این حسگرها در معرض گونههاي معینی از گازهاي اکساینده یا کاهنده قرار گیرند، گاز شروع به استخراج الکترون یا دادن الکترون به سطح حسگر میکنند، در نتیجه چگالی حاملهاي الکتریکی و به تبع آن مقاومت اهمی که سیگنال خروجی مطلوب است، متناسب با غلظت گاز تغییر میکند.
به عبارت دیگر، به دلیل نسبت سطح به حجم بالاي لایه نازك نانوساختار اکسید روي سنتز شده، رسانایی الکتریکی این لایه حساسیت زیادي نسبت به تغییر سطح شیمیایی از خود نشان میدهد. زمانی که یک مولکول جذب سطح میشود، بین مولکول جذب شده و سطح جاذب امکان انتقال بار وجود دارد 19]و.[20 مولکول جذب شده به وسیله سطح به مقدار قابل توجهی ویژگی رسانندگی سطح را تغییر میدهد که این امر به شدت در مقدار رسانایی سطح تاثیر گذار است. در حالتی که حسگر اکسید فلزي نیمرساناي نوع منفی - n - باشد، این واکنش به صورت اکسایش و یا کاهش بین گاز هدف و اکسیژن جذب شده ظاهر میشود و عمل میکند.
گاز کربن مونوکسید - CO - ، گازي است که بر اثر سوختن ناقص کربن بوجود میآید. این گاز بسیار سمی است اما رنگ و بوي خاصی ندارد. به همین دلیل کربن مونوکسید قاتل نامرئی نامیده میشود 21]و.[22 میل ترکیبی کربن مونوکسید با هموگلوبین خون حدود 300 برابر بیشتر از میل ترکیب گاز اکسیژن است. هم-چنین، این گاز در اگزوز خودرو همراه با اکسید نیتروژن وجود دارد و یکی از آلایندههاي اصلی محیط زیست، به ویژه در شهرهاي بزرگ میباشد 21]و23و.[24 مسمومیت با مونوکسیدکربن معمولترین علت مرگ درآسیبهاي استنشاقی ناشی از مواد سوختنی است .[25-27] باتوجه به خصوصیات خطرناك این گاز و آمار و ارقام منجر به مرگ نیاز شدید به حسگر گازي است که گاز کربن مونوکسید را در محیطهاي مسکونی و عمومی به طور شبانه روزي پایش کند.
بنابراین مطالعات بسیاري در زمینه ساخت و مطالعه حسگر این گاز انجام گرفته است. نیاز به بهبود حسگرهاي تشخیص CO مبتنی بر لایههاي نازك نانوساختار اکسید روي هنوز یک چالش بزرگ براي جامعه علمی است. در مطالعه حاضر، به بررسی دینامیک میزان حسگري گاز براي غلظتهاي مختلف گازهاي CO و CO2 توسط نانو ذرات اکسید روي سنتز شده به روش لایه نشانی اسپاترینگ و بازپخت آن پرداخته شد. کمترین غلظت گاز مورد آزمایش مقدار 100 ppm بوده است. علاوه بر این غلظتهاي 1000، 500 و 300 ppm از گازها نیز مورد آزمایش قرار گرفتند.
-2 مواد و روشها
ابتدا لایههاي نازکی از هدف روي خالص - 99%/99 - به ضخامت 1000 آنگستروم با استفاده ازدستگاه کندوپاش مگنترونی MECA-2000 ساخت کشور فرانسه، با نرخ لایه نشانی 1/5 آنگستروم بر ثانیه و فشار کاري 10-3 میلی بار، روي زیرلایه کوارتز تهیه گردید . فیلمهاي تهیه شده در دماهاي 300 ، 500 و 700 œC و بازه زمانی ثابت، دو ساعت در کوره الکتریکی تحت بازپخت قرار گرفتند. در نهایت خواص ساختاري نمونه ها مورد بررسی قرار گرفت. براي داشتن الگوهاي پراش اشعه ایکس از دستگاه D500 ساخت کشور آلمان با طول موج =1/54046 آنگستروم استفاده شد. تصویربرداري میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM توسط دستگاه MIRA3 TESCAN صورت گرفت و براي بررسی خواص الکتریکی لایههاي نازك و اندازهگیري دقیق مقاومت الکتریکی از دستگاه پروب چهار سوزنیSIGNATON ساخت کشور آمریکا استفاده شد.
