حسگرهای گازساخته شده از نیمه های هادی های با حساسیت بالا که در دمای اتاق کار می

حسگرهای گازساخته شده از نیمه های هادی های با حساسیت بالا که در دمای اتاق کار می کنند

نیمه هادی های حسگر گاز فوق حساس در دمای اتاق که بر پایه مقیاس نانو و لایه های فشرده پلاتین – اکسید تیتانیوم – پلاتین  ساخته شده اند

Fast highly-sensitive room-temperature semiconductor gas sensor based on the nano scale Pt–TiO2–Pt sandwich.

 

توسعه حسگرهای گازساخته شده از نیمه های هادی های با حساسیت بالا که در دمای اتاق کار می کنند که با فناوری ساخت نیمه هادی ها سازگاری دارد بصورت چالشی برای پژوهشگران در آمده است .

در اینجا ما به معرفی این حسگرهایی که بر پایه ساندویچ هایی از پلاتین – دی اکسید تیتانیم – پلاتین و در مقیاس نانومتر کار می کنند می پردازیم .

این حسگرهای شامل لایه ای  نازک(حدود 3 نانومتر)  از نانوکریستال دی اکسید تیتانیم  Tio2 با دانه هایی 10 نانومتری می باشد که بین دو لایه  از الکترودهای نواری از جنش پلاتین وبا عرض W 80 نانو متر از بالا وپائین فشرده ( ساندویچ ) شده است .

اگر این عرض w را تا 100 نانومتر یا کمتر کاهش دهیم حسگری که در معرض هیدروژن H2 با غلظت 1%  پاسخش به نسبت هوابه هیدروژن R h2 /R air تا میزان 10 بتوان 7 افزایش پیدا می کند . و زمان واکنش آن هم تا حد چند ثانیه ( حتی دردمای اتاق ) کاهش پیدا می کند .

افزایش حساسیت ناشی از اثر غیر اهمی غیر جزی  nontrivial  و کاهش ناگهانی ( با سه مرتبه اندازه ) مقاومت الکتریکی با کاهش w برای عرض 100 نانومتر است.

این اثر غیر اهمی  non ohmic effect را می توان بعنوان نتیجه ای از اثر در مقیاس نانو دانست .

نفوذ هیدروژن با فاصله کنترل شده غیرمقاومت همگن لایه دی اکسید تیتانیوم است .

که وقتی با الکترونهای داغ  با دمای ناپایدار ترکیب می شود ذرات ریز درون آن در معرض میدان الکتریکی بالایی واقع می شوند .

پایان چکیده مقاله

.....................

مقدمه :

توسعه دستگاههای حسگر جدید گاز بسیار مورد نیاز است و این تقاضا ناشی از لزوم نظارت ها ( مانیتورینگ ) محیطی – طبابت ؛ ایمنی – مانیتور کردن مخازن حاوی گازهای قابل انفجار و مضر و سایر کاربردها .

حسگر های گاز که با اکسیدهای فلزی  MOXساخته می شوند بر اساس تغییرات مقاومتی که بعد از قرار گرفتن در معرض گاز ایجاد می شود و سبب کاهش اکسید کنندگی گاز می شود سبب شده است که این حسگرهای  کاندیداهای امید بخشی برای ساخت  بینی های الکترونیک  Electronic nose باشند چون حساسیت بالا و قیمت پائینی دارند.

عمده ترین مانعی که باقی می ماند انتخاب پائین و دمای کاری بالایی است که دارند  که سبب می شود باعث محدود شدن پایداری بلند مدت آنها شود؛ استفاده از آنها در محیط های مخاطره آمیز و قابل انفجار ؛ احتمال کاهش توان مصرفی و بکارگیری مستقیم آنها در مدارهای الکتریکی است .

اگر نتایج امید بخشی در مورد ساختار غشایی آنها اجرا شده است .

توسعه انواع حسگر های گاز جدید که در دمای اتاق کار می کنند و توان قابل صرف نظری که  باید مصرف کنند بعنوان چالش هایی در پیش روی پژوهشگران باقی مانده است .

یکی از این راهکارها استفاده از دی اکسید تیتانیم  Tio2  یا سایر سیم های  nano wire یا لوله های  nano tube در مقیاس نانو و یا ابعادی ریز در همین حدود است . که در بعضی  از موارد واکنشی بسیار سریع و حساسیتی بسیار بالا به هیدروژن در درجه حرارت اتاق از خود نشان می دهند .

اما سازگاری این نگرش با استانداردهای فناوری نیمه هادی ها برای استفاده در کاربردهای عادی بسیار گران و پیچیده می شود روش های دیگر بر اساس لایه های نازک MOX بر اساس  راهبرد های مختلف   Doping ؛ بهینه سازی ضخامت لایه ها ؛ اندازه دانه ها و فاصله بین الکترودها بنا نهاده شده است و همگی منجر به افزایش قابل توجهی در حساسیت می شوند .

در این جا ما حسگرهای گاز هیدروژن را بر اساس لایه های ترکیب شده :  پلاتین – دی اکسید تیتانیم – پلاتین با پهنایی ( صد نانومتر) الکترود کف که از پلاتین است ضخامتش 30 نانو متر است  و ضخامت دانه های نانو کریستال دی اکسید کربن آن 10 نانومتر است .و الکترود باریک با عرض  w که در بالای آن قرار دارد 80 نانومتر است .الکترودهای کف بصورت ضربدری و عمود برهم هستند .

در این هندسه ما از دو ویژگی سود می بریم

لایه هایی با ضخامت کم و فاصله کم بین الکترودها ( زیر 100 نانومتر)

حتی بدون استفاده از فناوری پیشرفته لیتوگرافی .

چنین هندسه الکترودها قبلا هم پیشنهاد شده بود اما پهنای الکترودهای آن 1 میلی متر و با سطح بزرگ آزمایش شده است .

شکل شماره یک

((aنمایی از سه تجهیز با سه حسگر که خط سفید بصورت شماتیک آنچه در زیر بحث شده است را نشان می دهد .

b)) توپوگرافی نمونه AFM سطح لایه Tio2

(c) نمودار مقطع حسگر

خطوط قرمز نشان دهنده دانه ها مرزی است که میزان جریان الکترون را محاسبه می کند . ( متن اصلی را نگاه کنید )

(d) مقطع حسگر به همراه نمودار مقطع باند هدایت .

در اینجا Ec نشان دهنده باند انرژی مسطح است

eVc نشان دهنده سد شاتکی است .

EVs سد انرژی بین دانه ها ناشی از تخلیه انرژی است .

Rg شعاع دانه ها

Rn شعاع ختثی ناحیه دانه های ( غیر تخلیه شده ) است

در این نمونه ما نسبت داده های بالا بشکل زیر است

Rn<rg   و eVc<eVs

پایان ترجمه شکل یک ص 352

...........................

شکل 2 ص 354

پاسخ دینامیکی نمونه حسگرهایی با الکترودهایی در بالا باعرض 1100 نانومتر – 600 نانومتر – 420 نانومتر – 100 نانومتر و ppm 10000 گاز H2 در هوای صنعتی . سیاه =  در دمای اتاق.  50 درجه سانتیگراد.  قرمز- آبی 100 درجه سانتیگراد .

میزان ولتاژ بایاس در همه اندازه گیری ها  در حد 5/ ولت ثابت نگه داشته شده است .

 

..................

شکل 3

پاسخ دینامیکی به ppm 10000 از H2 در هوای صنعتی در دمای اتاق با حسگرهایی با الکترود با عرض های مختلف که در فهرست شکل آمده است .  مقاومت در مقدار اولیه طبیعی و در حد ppm 0 برای H2 است . تابلوی سمت راست همان مقادیر سمت چپ را نشان می دهد ولی در مقیاسی نیمه لگاریتمی Semi log

……………..

شکل 4

بالا

مقاومت حسگر که مستقل ازالکترود بالایی با عرض w  برای 0 و ppm 10000 گاز H2 در دمای اتاق – 50 درجه و 100 درجه است . این داده ها در شرایط شبه اشباع و بعنوان بخشی از پاسخ دینامیکی گرفته شده است .

نمودار زیر

واکنش حسگر مربوطه در دمای اتاق . یاد آوری می کنیم که ولتاژ بایاس نیم ولت 5/ است .

B همان اندازه گیری های پانل a و این بار برای تتظیم دوم بر اساس روتیل = کانی خالص و سرخ رنگ دی اکسید تیتانیم یا دانه های تقریباً یکنواخت (متن اصلی را نگاه کنید). در اینجا ولتاژ بایاس یک ولت است .

 

Rutile  کانی سرخ رنگ و در خشان دی اکسید تیتانیم  Tio2

..................

شکل 5

سیستم همسوکننده سیستم

الکترود بالایی بصورت شماتیک طرح شده است .

B چگالی مولکولهای H2 در سطح دانه ها Ph2(x)  از معادله 8 بدست می آید

C پتانسیل الکترواستاتیکی (x. y) بین الکترود بالایی و پائینی است که از معادله 12 بدست می آید و در متن مورد بحث قرار گرفته است. عرض الکترود بالایی در این محاسبه w-=100nm   صدنانو متر است . ضخامت لایه دی اکسید تیتانیم Tio2 یعنی d=30nm  سی نانو متر است و پتانسیل با بایاس ولتاژ V نرمال شده است .

سطح مقطع الکترود بالایی ( ناحیه خاکستری ) که در لایه Tio2  فرو رفته است و

 همان مقطع pt  را در XPS و اندازه گیری اشعه X را تقلید می کند.

میدان الکتریکی در الکترود پائینی F=…….   برای پتانسیل پنل C  و ولتاژ V= 1 v  است .

...................

شکل 6  ص 358

مقاومت الکترود بعنوان تابعی از عرض الکترود w

 پنل a  و پنل b نشان دهنده نتایج مدل حداقلی از پلی کریستالین   لایه  Tio2 است که شامل دانه هایی با همان اندازه 2rg=9.3nm بصورت اسمی می باشد . پنل a نشان دهنده داده ها در دمای اتاق برای ولتاژ های مختلف است و پنل b نشان دهنده داده ها برای حرارت های متفاوت و ولتاژ  v=1v است

پنل d و c نشان می دهد که اگر 4/1 حجم لایه Tio2  درمدل حداقلی پر شده باشد همان اتفاق رخ خواهد داد ( برای آگاهی از جزئیات به متن مراجعه کنید ) با دانه هایی در حدود دو برابر بزرگتر  و اینجا اندازه دانه ها 2rg=21nm  است

دقت کنید که پنل  تقریبا همه مشخصه های پنل a را آشکار می کند . اما با ولتاژی دوبار کمتر این کار را انجام می دهد .

بطریقی مشابه داده های پنل d از ولتاژ V=0/5 v بدست می آید . مشابه آن در پنل  b  مقادیر برای ولتاژ یک ولت v=1v بدست می آید

................

شکل 7

پنل a همان محاسباتی را که در پنل b شکل 6 نشان داده است را نشان می دهد . با این تفاوت که اندازه دانه های توزیع شده در اطراف مقدار مرکزی ( که در اینجا 2rg-8/7 nm است ) بر طبق توزیع گوسین و با وسعت 1nm است

به همین ترتیب پنل b هم همان مقادیر پنل d شکل 6  را نشان می دهد با این تفاوت که اندازه دانه های کوچک توزیع شده که قبلا ذکر شده بود  بصورت دانه های بزرگ با توزیع گوسین مرکزی حول 19/5nm  با وسعت 2nm است .

همچنین نشان داده شده است که مقادیر مربوطه در دمای اتاق هستند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/ 0 نظر / 45 بازدید