Ανάπτυξη υλικών για αισθητήρες αερίων ρύπων

• Κύριος συγγραφέας: Μακρυγιάννης, Κωνσταντίνος
• Άλλοι συγγραφείς: Λευθεριώτης, Γεώργιος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2020
• Θέματα: Αισθητήρες αερίων; Ευαισθησία; Gas sensors; Semiconductor metal oxides (MOS)

Τα ημιαγώγιμα οξείδια των μετάλλων (MOS) αποτελούν γνώριμα υλικά στην κατασκευή αισθητήρων αερίων. Σημαντικό ρόλο στη αναγνώριση των τοξικών αερίων έχει η μορφολογία των υλικών αυτών. Κατά κύριο λόγο οι δομές των ημιαγωγών περιορίζονται στην νανοκλίμακα, με σκοπό την αύξηση της επιφάνειάς, και αποτελούνται από νανοράβδους, νανοκυλίνδρους κτλ. Η ανίχνευση των αερίων οφείλεται στην μεταβολή της αγωγιμότητας του ημιαγωγού όταν έρθει σε επαφή με το προς ανίχνευση αέριο. Η έκθεση του ημιαγώγιμου υλικού σε συνθήκες περιβάλλοντος έχει ως αποτέλεσμα την αντίδρασή του με το οξυγόνο και τη δέσμευση ηλεκτρονίων στην επιφάνεια του ημιαγωγού. Μετά την έκθεσή του σε συγκεκριμένα αέρια όπως το CO, το οποίο μελετάται στην συγκεκριμένη διπλωματική εργασία, το οξυγόνο ελευθερώνεται και τα ηλεκτρόνια αποδεσμεύονται με αποτέλεσμα την μεταβολή της αγωγιμότητας του ημιαγωγού. Η παραπάνω διαδικασία λαμβάνει χώρα σε υψηλές θερμοκρασίες. Ο λόγος ανίχνευσης συγκεκριμένων αερίων είναι ότι σε ορισμένες περιπτώσεις αποτελούν κίνδυνο για την ανθρώπινη ζωή. Το CO το οποίο μελετάται στην παρούσα εργασία είναι ένα τοξικό αέριο το οποίο είναι άοσμο, άγευστο και άχρωμο. Η έκθεση του ανθρώπου σε αυτό σε συγκεκριμένες συγκεντρώσεις και για ορισμένο χρονικό διάστημα αποτελεί κίνδυνο για την υγεία ενώ μπορεί να επιφέρει ακόμη και θάνατο σε υψηλή δόση και χρόνο έκθεσης. Το ZnO είναι ένα ημιαγώγιμο οξείδιο μετάλλου το οποίο έχει ποικιλία ιδιοτήτων. Στην παρούσα διπλωματική χρησιμοποιήθηκε ως το κύριο υλικό κατασκευής των αισθητήρων. Η ανάπτυξη των νανοδομών του ZnO έγινε με μεθόδους υγρής χημείας έχοντας ως στόχο την μεγιστοποίηση της ενεργού επιφάνειας των αναπτυσσόμενων νανοδομών οι οποίες ήταν μονοδιάστατες με γεωμετρία νανοράβδων. Το μέγεθος των νανοράβδων ελέγχεται ρυθμίζοντας συγκεκριμένες παραμέτρους στην μέθοδο ανάπτυξης του υμενίου του ZnO. Ρυθμίζοντας κατάλληλα τις πρόδρομες ενώσεις, παρατηρήθηκε πως είναι δυνατόν να βελτιωθεί σημαντικά η ευαισθησία του υλικού στην ανίχνευση του CO, καθώς επίσης και να μειωθεί η θερμοκρασία λειτουργίας του αισθητήρα. Επιπλέον, για τη βελτίωση της ικανότητας ανίχνευσης του ZnO πραγματοποιήθηκε νόθευση του ημιαγωγού με αλουμίνιο. Κατά κύριο λόγο η νόθευση αυξάνει την επιλεκτικότητα των αισθητήρων αερίου μεταλλικού οξειδίου προς ένα συγκεκριμένο αέριο. Η διαδικασία της νόθευσης περιλαμβάνει κυρίως την αντικατάσταση ενός ατόμου μετάλλου στο κρυσταλλικό πλέγμα του οξειδίου του μετάλλου με την προσθήκη συγκεκριμένου υλικού. Αυτό οδηγεί στην αλλαγή της αγωγιμότητας του ημιαγωγού και συνεπώς της αντίστασής του κατά διάφορες τάξεις μεγέθους. Επίσης μελετήθηκε το οξείδιο του βολφραμίου ως υλικό για αισθητήρες αερίων. Η απόθεσή του πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο του ψεκασμού ως εκ τούτου η μορφολογία του στον αισθητήρα είναι ακανόνιστη. Η νόθευση με αλουμίνιο οδήγησε σε σχετική βελτίωση της ικανότητα ανίχνευσης του ZnO ενώ η οι αισθητήρες του οξειδίου του βολφραμίου είχαν μικρότερη απόδοση λόγω της μορφολογίας του υλικού. Αυτό μπορεί να αποδοθεί τόσο στη μικρότερη ενεργό επιφάνεια όσο και στην αντίσταση κατά της διάχυσης των φορέων στα όρια το κόκκων του υλικού.