بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش بر نانوحسگرهای مبتنی بر SWCNT که با نانوذرات مس آرایش شده و بر روی بستر سیلیکونی با ساختار گیت از پشت قرار داده شده است برای شناسایی گاز سولفید هیدروژن تمرکز کردهایم. هم چنین اثرات مدولاسیون ولتاژ گیت بر زمان پاسخدهی و زمان بازگشت مورد بررسی قرار گرفته اند. برای بررسی نحوه قرارگیری نانوذرات مس بر روی کربن نانوتیوب از تصاویرSEM و طیف EDX با دستگاه Zeiss EVO 40 استفاده میکنیم. تست XRD با دستگاه Philips XPert به منظور بررسی ساختار بلوری ترکیب نانوذراتمس-کربن نانوتیوب انجام میپذیرد. به منظور بررسی پیوندهای شیمیایی ایجاد شده آزمون FTIR بر روی سطح SWCNT کارآمد شده انجام پذیرفته است.
-1 مقدمه
خواص الکتریکی و ساختاری نانولولههای کربنی - 6-1 - دامنه وسیعی از کاربردها، شامل ذخیره سازی هیدروژن - - 5، کاتالیست - 3 - ، تشخیص - 7 - DNA، حسگر - 8 - IR، و حسگرهای الکتروشیمیایی 2 - و - 4 را فراهم آورده است. در کاربردهای حسگرهای شیمیایی SWCNT برای تشکیل کانال رسانا بین دو الکترود فلزی به کاربرده میشود. به هنگام واکنش SWCNT با مولکولهای گاز خواص الکتریکی آن تغییر خواهد کرد .
بسیاری از حسگرهایی که از اکسیدهای نیمههادی ساخته شده اند مانند 15 - SnO2, TiO2, In2O3, ZnOو - 16 نیز بر پایه تغییرات رسانش ماده با جذب گاز عمل میکنند. در ساختار حسگر به طور طبیعی نیازمند نسبت سطح به حجم بالای ماده حساس میباشیم که موجب بهبود حساسیت میگردد. بدین منظور لایههای نازک و لایههای نازک متخلخل به طور گسترده بررسی شده اند که مورد اخیر آن استفاده از لایه نازک CuO برای شناسایی مقادیر کم گاز H2S میباشد
اخیرا نانوساختارها مانند نانولولههای کربنی به طور گسترده ای برای شناسایی گازهای گوناگون مورد اقبال واقع شده اند - 18و19و20و. - 21 اساسا نانولولههای کربنی به دو دسته فلزی و نیمههادی دسته بندی میگردند که شامل نانولولههای کربنی تک دیواره - SWCNT - و نانولوله های کربنی چند دیواره - - MWCNT میباشند - . - 22 مشخصه الکتریکی و نوری و مکانیکی و حرارتی خارق العاده نانولولههای کربنی متناسب با ساختار آن میباشد. این خواص نانولولههای کربنی را به عنوان یک گزینه مناسب برای ساختارهای نانو معرفی میکند.
از این میان حسگر گاز یکی از مهمترین آنها میباشد - 23و24و 25و. - 26 مشخصه الکتریکی نانولولههای کربنی نیز متناسب با قطر و چرخش آن می باشد. رسانش MWCNT نیز مانند یک SWCNT میباشد که چندین لایه می باشد که پیرامون یک محور قرار گرفته اند. به علت آنکه SWCNT دارای یک دیواره از اتمهای کربن میباشد و این اتمها همگی در سطح خارجی آن مستقر میباشند به این علت به آسانی مولکول های گاز را جذب خواهند کرد
برای مولکولهای گازهایی مانند سولفید هیدروژن که مشخصه گیرندگی و دهندگی الکترون خوبی از خود نشان داده اند SWCNT هنوز می تواند برای شناسایی گاز به کار برده شود البته در صورتی که بتوانیم از فلزات انتقالیبر روی آن استفاده کنیم. فلزهای انتقالی مانند طلا، پلاتین، مس و نیکل از خود فعالیتهای کاتالیستی قوی برای واکنشهای شیمیایی نشان میدهند.
با در نظر گرفتن کوچک شدن در مقیاس نانو، این نانوذرات در بسیاری از زمینه های حسگری به کار برده میشوند. حسگرهای مبتنی بر رشد نانوذرات بر روی نانولولههای کربنی در چند سال اخیر رشد فراوانی داشته است - . - 10 فرآیندهای بسیاری برای سنتز این نانوذرات وجود دارد که در اینجا از فرآیند احیا در محیط آبی حرارتی برای تولید نانوذرات مس استفاده کرده ایم.
مس به عنوان یک ماده الکترود یکی از مواد مورد علاقه در آنالیز کربوهیدراتها و آمینو اسیدها میباشد - 14-11 - زیرا با سنجش جریان در شرایط ولتاژ ثابت در PHهای بالا امکان اعمال تشخیص گاز را فراهم آورده است. در مقایسه با Pt, Au, Ni, Ag, Co فلز Cu با توجه به خواص شیمیایی منحصر بفرد آن، محدوده بسیار جالب تری در زمان پاسخدهی، آستانه شناسایی و پایداری از خود نشان داده است
قبلا اثبات شده است که میتوان SWCNT را برای شناسایی تراکمهای کم گاز با حساسیت بالا، زمان پاسخدهی کم و زمان بازگشت سریع به کار برد. در این بررسی بر نانوحسگرهای مبتنی بر SWCNT که با نانوذرات مس آرایش شده و بر روی بستر سیلیکونی با ساختار گیت از پشت قرار داده شده است برای شناسایی گاز سولفید هیدروژن تمرکز کردهایم. هم چنین اثرات مدولاسیون ولتاژ گیت بر زمان پاسخدهی و زمان بازگشت مورد بررسی قرار گرفته اند.
برای بررسی نحوه قرارگیری نانوذرات مس بر روی کربن نانوتیوب از تصاویرمیکروسکوب الکترونی روبشی و طیف EDX با دستگاه Zeiss EVO 40 استفاده میکنیم. تست XRD با دستگاه Philips XPert به منظور بررسی ساختار بلوری ترکیب نانوذرات مس-کربن نانوتیوب انجام می پذیرد. به منظور بررسی پیوندهای شیمیایی ایجاد شده آزمون FTIR با دستگاه Perkin Elmer مدل Spectrum RXI بر روی سطح نانولولههای کربنی کارآمد شده انجام پذیرفته است.
-2 آزمایشات
-1-2 ساخت ساختار گیت از پشت شکل 1 شماتیکی از حسگر را نشان میدهد که اندازه واقعی آن
70mm*70mm*0.5mm میباشد. میبایستی پس از قراردهی نانوذرات مس بر روی SWCNT بتوانیم این ترکیب را بر روی الکترودهای فلزی قرار دهیم. این الکترودها که بر روی یک بستر SiO2/Si ایجاد شده است.کل مجموعه به عنوان یک ساختار گیت از پشت عمل میکند. اگر فلز طلا به عنوان سورس و درین به کاربرده شود با توجه به هدایت نوع P کربن نانوتیوب تک دیواره و تراز فرمی آن در دو طرف دو سد شاتکی خواهیم داشت که به صورت معکوس به یکدیگر متصل شده اند. هدف از به کار بردن ساختار گیت از پشت کنترل مدولاسیون هدایت کانال با استفاده از آلایش الکترواستاتیک ناشی از میدان الکتریکی گیت میباشد.
شکل :1 شماتیک نانوحسگر ساخته شده
پس از تمیزکاری ویفر سیلیسیمی نوع P به روش RCA ساخت این افزاره با نفوذ حرارتی بران به عنوان ناخالصی نوع P شروع می شود. سپس 100نانومتر اکسید خشک سیلیسیم جهت ایجاد لایه دی الکتریک گیت بر روی سطح P+ با استفاده از کوره حرارتی در دمای 950سانتیگراد رشد داده می شود. سپس جهت ایجاد الکترودهای سورس و درین 700نانومتر طلا بر روی اکسید نشانده می شود، البته قبل از آن 5نانومتر کروم جهت بهبود چسبندگی لایه طلا به سطح اکسید نیز استفاده میشود. لایه نشانی کروم-طلا به روش بیم الکترونی می باشد. درنهایت انگشتی الکترودها با استفاده از روش لیفت آف شکل می گیرند. فاصله بین الکترودها 50میکرومتر میباشد
شکل :2 ساختار گیت از پشت ساخته شده با استفاده از تکنولوژی MOS با استفاده از بستر سیلیسیومی
-2-2 کارآمد سازی نانولولههای کربنی با نانوذرات مس - RIPI - تهیه شده است. ایده این پژوهش جهت شناسایی گاز سولفید هیدروژن، رشد نانوذرات مس بر روی دیوارههای SWCNT می باشد. به منظور استفاده از SWCNT می بایستی سطح آن قابلیت اتصال به نانوذرات مس را داشته باشد. SWCNT در بسیاری از حلال های آلی حل نمی شوند. سختی ارتباط با این نانولوله های کربنی کاربردهای آن را در دنیای واقعی محدود کرده است. برای بهبود مشخصههای SWCNT می بایستی بتوانیم بر روی دیواره های آن مراکز فعال ایجاد کنیم که از نظر الکتریکی خنثی نباشد.
ایجاد نواحی فعال از طریق فرآیند اکسایش سطح انجام می پذیرد. بدین منظور از ترکیب اسیدهای H2SO4 و HNO3 به نسبت 3:1 استفاده می شود. SWCNT در این ترکیب اسیدی حل میشود و به مدت 2h در دمای 120°C با همزن برقی به هم زده می شود. محلول در طول شب نیز ثابت می ماند. سپس SWCNT که اکنون اکسید شده است را با صافی کاغذی جدا کرده و چندین بار با آب DI شستشو می دهیم تا اسیدهای باقیمانده از آن جدا شود. سپس SWCNT در آون 60°C در خلاء قرار داده میشود تا بخشکد و مقدار مایع باقیمانده در آن نیز تبخیر شود. طیف FTIR پودر به دست آمده، جهت بررسی پیوندهای شیمیایی ایجاد شده ناشی از فرآیند اکسیداسیون با استفاده از دستگاه Perkin Elmer مدل Spectrum RXI به دست میآید. نانوذرات مس با استفاده از پروسه احیاء شیمیایی از نمک سولفات مس بر روی نانولوله های کربنی قرار داده میشوند.
-3-2 لایه نشانی SWCNT
قطره نشانی از روش های نشاندن نانولولههای کربنی بر روی الکترودهای ساختار گیت از پشت می باشد - 30و . - 31 به هنگام قطره نشانی نانولوله های کربنی با نیروهای ضعیف وان دروالسی به الکترودهای فلزی می چسبند. در این تحقیق از روش قطرهنشانی به منظور نشاندن لایه نانولوله کربنی بر روی بستراستفاده میکنیم. ابتدا 2میلیگرم از پودر به دست آمده را در 20میلی لیترکلروفرم حل می کنیم و به منظور اطمینان از پایداری و یکنواختی محلول آنرا به مدت 30دقیقه در آلتراسونیک قرار میدهیم.
سورس و درین تراشه ساخته شده با ساختار گیت از پشت به ولتاژAC با فرکانس 1MHz و دامنه پیک تاپیک 10V متصل می شود. با استفاده از روش قطرهنشانی و در دما ی 40°C ، SWCNT آرایش شده با نانوذرات مس را بر روی سطح الکترودها قرار می دهیم. به منظور کنترل فرآیند می توانیم به طور همزمان نسبت به اندازه گیری مقاومت دو سر الکترودها نیز اقدام نمائیم. جهت تبخیر سریع تر کلروفرم از روی بستر دمای بستر در40°C تنظیم می شود. هنگامی که کلروفرم تبخیر شود SWCNT از طریق نیروهای وان دروالس بر روی سطح الکترودها می چسبد. سپس لایه نشانده شده به مدت 30دقیق ه در دمای150°C قرار داده می شود تا حلال به کار برده شده از لایه نشانده شده تبخیر شود و بر عملکرد نهایی حسگر موثر نباشد.
-3 بررسی نتایج آزمایشات
-1-3 تحلیل نتایج FTIR
شکل3 نشان دهنده طیف FTIR کربن نانوتیوب تک دیواره کارآمد شده با اسید سولفوریک و اسید نیتریک می باشد. فرکانس تشدید 1390cm-1 مربوط به گروههای CH3 - 3 - هیبرید شده sp3، فرکانس تشدید 1620cm-1 مربوط به پیوند C=C هیبرید شده sp2، و فرکانس تشدید 2855cm-1 و 2920cm-1 مربوط به پیوند لرزان CH2 میباشند. بیشینه بسیار مهمی که فرآیند اکسایش دیواره نانوتیوب کربنی تک دیواره را تائید میکند متعلق به گروه کربوکسیل است که در 1724cm-1 ظاهر شده است. احتمال دارد بیشینه 2360cm-1 که متعلق به CO2 میباشد به موجب ناخالصیهای ناشی از اتمسفر موجود بر روی سطح نمونه باشد. این موضوع بر نتایجی که در اینجا گزارش خواهیم نمود تاثیری ندارد. جهت تهیه طیف FTIR نمونه Cu/SWCNT باید نمونه به صورت قرص درآید که بدین منظور از نانوذرات KBr که هیچگونه جذبی در ناحیه IR ندارد استفاده شده است - KBr . - 32 بسیار جاذب رطوبت میباشد و در نتیجه بیشینه 3450cm-1 که متعلق به H2O میباشد و در طیف ظاهر شده است ناشی از استفاده از KBr میباشد.
