Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός αισθητήρων ακετόνης βασιμένων σε νανοσύνθετα λεπτά υμένια ZnO:Au και ZnO:Pd

Abstract

Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η ανάπτυξη και ο χαρακτηρισμός λεπτών υμενίων οξειδίου του ψευδαργύρου (ZnO) με νόθευση νανοσωματιδίων ευγενών μετάλλων. Συγκεκριμένα έγινε χρήση χρυσού (Αu) και παλλαδίου (Pd). Αυτά τα υμένια μελετήθηκαν με σκοπό την χρήση τους σαν αισθητήρες αέριας ακετόνης. Η ακετόνη αποτελεί επικίνδυνο προς εισπνοή αέριο από τους ανθρώπινους οργανισμούς. Η καθημερινή έκθεσή τους σε συγκεντρώσεις άνω των 500 ppm δημιουργεί προβλήματα υγείας, μπορεί όμως να παραχθεί και από τον ίδιο τον ανθρώπινο οργανισμό σε περιπτώσεις ασθενειών. Εκτός από τους έμβιους οργανισμούς, η ακετόνη δημιουργεί προβλήματα και στο περιβάλλον καθιστώντας την ανίχνευσή της μείζονος σημασίας. H μελέτη των αισθητήρων πραγματοποιήθηκε σε μια πειραματική διάταξη αποτελούμενη από: θάλαμο κενού, την συσκευή στήριξης, θέρμανσης και μέτρησης της ηλεκτρικής αντίστασης των υμενίων, τη βάση στήριξης του αισθητήρα, το σύστημα διαχείρισης αερίων και τα απαραίτητα ηλεκτρονικά όργανα. Η πίεση στον θάλαμο ήταν στατική γεγονός που προσομοιάζει τις κανονικές συνθήκες λειτουργίας του αισθητήρα σε βιομηχανικές εφαρμογές μιας και λαμβάνεται υπόψη η διάχυση της ακετόνης στο χώρο. Μονοστρωματικά υμένια ZnO (ημιαγωγοί τύπου n) αναπτύχθηκαν με τη μέθοδο της παλμικής εναπόθεσης με laser και εν συνεχεία έγινε πάνω τους εναπόθεση νανοσωματιδίων χρυσού και παλλαδίου. Τα υμένια αναπτύχθηκαν κάτω από τις ίδιες συνθήκες, πίεση οξυγόνου 20 Pa και ροή ενέργειας του ND:YAG ήταν 24 mJ/pulse. Στα πρώτα δύο υμένια η εναπόθεση κράτησε 2 ώρες ενώ στα δεύτερα 3 ώρες. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα τα υμένια να διαφέρουν ως προς το πάχος τους. Η εναπόθεση των σωματιδίων Αu, Pd έγινε και πάλι με την μέθοδο της παλμικής εναπόθεσης για ένα και δύο λεπτά. Ο χαρακτηρισμός των υμενίων έγινε με τις εξής μεθόδους: SEM, XRD, AFM. Στην παρούσα εργασία βρέθηκε ότι η εναπόθεση νανοσωματιδίων ευγενών μετάλλων επέδρασε θετικά στην ανίχνευση ακετόνης. Όσο μεγαλύτερη ποσότητα σωματιδίων υπάρχει στο οξείδιο, τόσο μικρότερες συγκεντρώσεις ακετόνης μπορούμε να ανιχνεύσουμε σε χαμηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας. H θερμοκρασία λειτουργίας στην οποία έγινε η ανίχνευση της ακετόνης ήταν από 155οC - 200oC. H μικρότερη συγκέντρωση ακετόνης που ανιχνεύτηκε ήταν 26 ppm στους Τ=200οC. Το αποτέλεσμα είναι θετικό καθώς στην βιομηχανία χαμηλές θερμοκρασίες λειτουργίας των αισθητήρων, σημαίνουν χαμηλό κόστος λειτουργίας. Η αύξηση του πάχους των υμενίων υπερείχε του χρόνου απόκρισης, ο οποίος στα πιο παχιά υμένια μειώθηκε κατά πολύ. Η απόκριση αυξήθηκε στο παχύτερο δείγμα ZnO:Pd (3h+2min).

Τhis thesis presents the development and characterization of zinc oxide (ZnO) thin films, doped with noble metal nanoparticles, such as gold (Au) and palladium (Pd). The films where tested as acetone sensors. Inhaling of acetone is harmful for the human health. Daily exposure in acetone concentrations above 500 ppm causes health problems. Furthermore, acetone can be produced by the human body in case of diseases. Apart from being harmful for the human health, acetone can also cause problems for the environment. Therefore, efficient and low cost acetone sensors are indispensable. The experimental setup for gas sensing measurements consists of: a vacuum chamber, the pump that evacuates chamber, the gas management system, the pump and the necessary electrical organs. The chamber pressure was static in order to simulate the real working conditions of the sensor for industrial applications, where the diffusion of acetone in the atmosphere needs to be taken into account. The semiconducting (n type) zinc oxide thin films were developed using the pulsed layer deposition (PLD) method. Nanopatricles of gold and palladium were subsequently deposited on the surface of the films by PLD. The films were deposited under 20 Pa dynamic oxygen pressure. The energy of the ND:YAG laser pulses was 24 mJ/pulse. The deposition lasted for two hours for some samples and for three hours for the other samples, therefore we prepared ZnO films of varying thickness. The Au and Pd nanoparticles was carried out with 24 mJ/pulse under vacuum and lasted one and two minutes. For the films characterization was used those methods: SEM, XRD, AFM. We find that the pressure of the nanoparticles has a positive effect on the detection of acetone. As the quantity of metallic nanopatricles on the ZnO surface increases, the operating temperature, for which small concentrations of acetone are detected, decreases. The operating temperature of the sensors was area 155oC-200oC which leads to lower power consumption and increased operating safety compared to other metal oxide acetone sensors which operate at higher temperatures. The lowest acetone concentration that was detected in this thesis was 26 ppm with operating temperature, 200oC. The response time of the sensors decreased for thicker ZnO films. The maximum response was given by the thicker film ZnO:Pd (3h+2min).