Please use this identifier to cite or link to this item:
Title: Nanostructured semiconducting metal oxides and applications as gas sensors : synthesis, characterization and evaluation
Other Titles: Νανοδομημένα ημιαγώγιμα οξείδια μετάλλων και εφαρμογές ως αισθητήρες αερίων : σύνθεση, χαρακτηρισμός και αξιολόγηση
Authors: Κουγιανός, Χρίστος
Keywords: Αισθητήρες αερίων
Keywords (translated): Gas sensors
Abstract: Gas sensors based on metal oxide semiconductors (MOS), such as SnO2, ZnO, In2O3, etc, grown in a large variety of morphologies (nanoparticles, nanowires, etc.) have emerged over the last decade as the most promising gas sensing materials. The operating mechanism relies on the change of their resistance caused by charge transfer, when the target gas molecules react with the chemisorbed surface oxygen. The process is thermally activated and usually requires high temperature operation. MOS can detect a large variety of different gases; although, selectivity is still an open issue. Carbon monoxide (CO) is a highly toxic gas, which is termed a toxic asphyxiant even at low concentrations, being at the same time colourless, odourless and tasteless, which makes its detection difficult. The main target of the current work is to advance novel nanohybrid materials for CO gas sensing. Among the various semiconducting metal oxides, ZnO nanowire arrays (NWs) have attracted considerable attention since they offer large surface area for the reactions with the target gas. ZnO NWs with high aspect ratio and surface area have been prepared, in a controllable manner, by carefully adjusting the growth parameters and have been decorated with SnO2 nanoparticles. Nanowire synthesis is based on the chemical bath deposition method on seeded substrates. SEM images were taken in order to examine the morphology of the sensing layer and the orientation of the nanowires. Electrodes are fabricated on the conducting nanostructured surface in order to measure the signal in the external circuit. After the devices were ready, they were inserted in a furnace, where temperature was controlled with a thermocouple. Devices for detecting carbon monoxide (CO) were evaluated for different concentrations over the temperature range 25 – 350 oC. By optimizing the SnO2 loading on ZnO NWs we have been able to prepare nanostructures that operate at low detection temperature, even for concentrations as low as 70 ppm. As a result promising devices operating reliably at room temperature have already been tested. Additionally, the presence of humidity and its influence in the sensitivity of the samples was tested. Finally, a different SnO2 deposition method was prepared, with the thermal oxidation of tin and the formation of stannic oxide on the top of the films.
Abstract (translated): Οι αισθητήρες αερίων που βασίζονται σε ημιαγώγιμα οξείδια μετάλλων (MOS), όπως τα SnO2, ZnO, In2O3, κλπ. και αναπτύσσονται σε πολλές διαφορετικές μορφολογίες (νανοσωματίδια, νανοσύρματα κλπ.), έχουν προκύψει την τελευταία δεκαετία ως τα περισσότερο υποσχόμενα υλικά στο πεδίο της αίσθησης αερίων. Ο μηχανισμός λειτουργίας τους βασίζεται στην αλλαγή της αντίστασής τους που προκαλείται από τη μεταφορά φορτίου, όταν τα μόρια του προς ανίχνευση αερίου αντιδρούν με τα χημικά προσροφημένα μόρια οξυγόνου της επιφάνειας. Αυτή η διαδικασία ενεργοποιείται θερμικά και συνήθως απαιτεί υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας. Τα ημιαγώγιμα οξείδια μετάλλων μπορούν να ανιχνεύουν πολλά διαφορετικά αέρια, παρόλα αυτά η επιλεκτικότητα παραμένει ένα δυσεπίλυτο πρόβλημα. Το μονοξείδιο του άνθρακα είναι ένα πολύ τοξικό αέριο, το οποίο αναγνωρίζεται ως τοξικό ασφυκτικό, ακόμα και σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις, ενώ την ίδια ώρα είναι άχρωμο, άοσμο και άγευστο, καθιστώντας την ανίχνευσή του πολύ δύσκολη. Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη νέων νανουβριδικών υλικών για την ανίχνευση μονοξειδίου του άνθρακα. Ανάμεσα στα διάφορα ημιαγώγιμα οξείδια μετάλλων, οι συστοιχίες νανοσυρμάτων ZnO έχουν προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον, καθώς έχουν μεγάλη ενεργό επιφάνεια για τις αντιδράσεις με το προς ανίχνευση αέριο. Παρασκευάστηκαν νανοσύρματα με μεγάλη αναλογία απεικόνισης και ενεργό επιφάνεια, με ελεγχόμενο τρόπο, ρυθμίζοντας προσεκτικά τις παραμέτρους ανάπτυξης και έχουν «διακοσμηθεί» με νανοσωματίδια SnO2. Η σύνθεση των νανοσυρμάτων βασίζεται στη μέθοδο της [CBD] πάνω σε υποστρώματα στα οποία έχει αποτεθεί ένα πρόδρομο υμένιο πυρηνοποίησης. Για να εξεταστεί η μορφολογία των στρωμάτων και ο προσανατολισμός των νανοσυρμάτων, χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM). Πάνω στην ημιαγώγιμη επιφάνεια κατασκευάστηκαν ηλεκτρόδια χρυσού, ώστε να καταστεί δυνατή η μέτρηση του σήματος σε εξωτερικό κύκλωμα. Όταν οι αισθητήρες ήταν έτοιμοι, εισάγονταν σε ένα φούρνο, όπου η θερμοκρασία ελεγχόταν μέσω ενός θερμοζεύγους. Συσκευές για ανίχνευση μονοξειδίου του άνθρακα αξιολογήθηκαν για διάφορες συγκεντρώσεις στο εύρος θερμοκρασιών από 25 – 350oC. Βελτιστοποιώντας την απόθεση του SnO2 στα νανοσύρματα ZnO, προετοιμάστηκαν νανοδομές που λειτουργούν σε χαμηλή θερμοκρασία ανίχνευσης, ακόμα και για συγκεντρώσεις της τάξης των 70 ppm. Σαν αποτέλεσμα, έχουν δοκιμαστεί υποσχόμενες συσκευές που μπορούν να λειτουργούν αξιόπιστα ακόμα και σε θερμοκρασία δωματίου. Επιπροσθέτως, εξετάστηκε η επίδραση της υγρασίας στην ευαισθησία των αισθητήρων. Τέλος, μια διαφορετική μέθοδος απόθεσης SnO2 μελετήθηκε, μέσω της θερμικής εξάχνωσης του κασσιτέρου και της δημιουργίας διοξειδίου του κασσιτέρου πάνω από την επιφάνεια που βρίσκονται τα νανοσύρματα ZnO.
Appears in Collections:Τμήμα Φυσικής (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Nemertes_Kougianos(phys).pdf4.81 MBAdobe PDFView/Open

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.