Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός λεπτών υμενίων NiO με νανοσωματίδια Au και εφαρμογή τους σε αισθητήρες υδρογόνου χαμηλής θερμοκρασίας

Abstract

Στην παρούσα εργασία περιγράφεται η ανάπτυξη και ο χαρακτηρισμός λεπτών υμενίων οξειδίου του νικελίου (NiO) με διεσπαρμένα νανοσωματίδια χρυσού και εν συνεχεία η χρήση τους σε αισθητήρα υδρογόνου. Τα λεπτά υμένια αναπτύχθηκαν με τις μεθόδους της ιοντοβολής συνεχούς ρεύματος (DC sputtering) και της ιοντοβολής με χρήση magnetron (DC reactive magnetron sputtering). Στη συνέχεια έγινε εναπόθεση νανοσωματιδίων χρυσού στην επιφάνεια τους με τη μέθοδο της Παλμικής Εναπόθεσης με laser. Ο χαρακτηρισμός των υμενίων έγινε με τη τεχνική της περίθλασης ακτίνων –Χ (X Ray Diffraction -XRD), ηλεκτρονική μικροσκόπια σάρωσης (scanning electron microscopy-SEM), φασματογραφία ενεργειακής διασποράς ακτίνων Χ (Energy-dispersive X-ray spectroscopy), και νανοδιείσδυση (nanoindentation). Ο χαρακτηρισμός των αισθητήρων σε αέριο μίγμα υδρογόνου έγινε στην ειδική διάταξη του Εργαστηρίου Τεχνικών και Εφαρμογών laser του Εθνικού Ιδρύματος Ερευνών.

Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στα λεπτά υμένια και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους καθώς και στοιχεία θεωρίας και παρουσιάζονται οι μέθοδοι εναπόθεσης που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη των υμενίων και των νανοσωματιδίων χρυσού, δηλαδή η μέθοδος της Ιοντοβολής και της Παλμικής Εναπόθεσης με laser. Στο δεύτερο κεφάλαιο δίνονται κάποιοι βασικοί ορισμοί και θεωρητικές έννοιες σχετικά με τους ημιαγωγούς, το οξείδιο του νικελίου, τους αισθητήρες και την ανίχνευση του υδρογόνο. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για το χαρακτηρισμό των υμενίων και η διάταξη ανίχνευσης υδρογόνου. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρατίθενται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα του χαρακτηρισμού. Στο πέμπτο κεφάλαιο σχολιάζονται τα αποτελέσματα του χαρακτηρισμού των αισθητήρων ενώ προτείνονται θέματα για περαιτέρω έρευνα.

At this thesis the growth of NiO thin films, their hydrogen sensing capabilities and the usage of Au nanoparticles as catalyst for the sensing mechanism, are studied respectively. The NiO thin films were fabricated using DC sputtering and DC reactive magnetron sputtering and Au nanoparticles were deposited on NiO with Pulsed Laser Deposition. Characterization of thin films was performed with X Ray Diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), Energy-dispersive X-ray spectroscopy and nanoindentation techniques. The gas sensing characterization was performed at the Laser Applications Lab of the National Hellenic Research Foundation using a custom made instrument for this purpose. The first chapter contains basic information about semiconductors, nickel oxide, sensors and hydrogen sensing mechanism. The second chapter is about thin films, the theory of their formation and the fabrication techniques used for this thesis. At the third chapter the characterization techniques used are described. In the fourth chapter the results of the characterization are given. In the fifth chapter the annotation of results and proposals for further research on the topic are given