منبع مقاله درمورد میزان استفاده

ن پارامترهای بهینه (غلظت نیکل در محلول و دمای زیرلایه) دو دسته آزمایشات جهت لایه‏نشانی فیلم‏های NiO بدون آلایش انجام شد. در دستۀ اول آزمایشات، برای به دست آوردن غلظت مناسب، مولاریته‏های نیکل در محلول از 05/0 تا M 2/0 تغییر کرد و دمای زیرلایه در °C450 ثابت نگه داشته شد. در دستۀ دوم آزمایشات به منظور مطالعۀ اثر دمای زیرلایه، فیلم‏های نازک NiO در دماهای مختلف (°C550-350) در غلظت بهینۀ پیدا شده از دستۀ اول آزمایشات تهیه شدند. سپس فیلم‏های (Li:Ni)Ox روی زیرلایۀ شیشه با پیش‏ماده‏هایی با غلظت نیکل بهینه و دمای زیرلایۀ بهینه لایه‏نشانی شدند. شکل (a) 1-15 نمونه‏های XRD فیلم‏های NiO تهیه شده با غلظت‏های مختلف Ni را نشان می‏دهد. همۀ فیلم‏ها دارای فاز NiO بس‏بلوری با یک ساختار مکعبی و جهت‏گیری ارجح در امتداد (111) هستند. شدت پیک‏های متناظر با جهت‏گیری‏های (111)، (200) و (220) با افزایش مولاریتۀ Ni در محلول افزایش می‏یابد. در نمونه‏های XRD متناظر با غلظت‏های بالاتر Ni (M15/0 و M2/0) فاز Ni2O3 مشاهده شد. براین اساس فیلم‏های تهیه شده با غلظت M1/0 نیکل در محلول بهترین مشخصه‏های تک فاز را نشان می‏دهند.

شکل 1-15: (a) نمونه‏های XRD فیلم‏های تهیه شده با غلظت‏های مختلف Ni در محلول پیش‏ماده و دمای زیرلایۀ °C450 (b) نمونه‏های XRD فیلم‏های NiO لایه‏نشانی شده در در دماهای زیرلایۀ مختلف برای غلظت M1/0 نیکل ]34[.

نمونه‏های XRD فیلم‏های NiO لایه‏‏نشانی شده در دماهای زیرلایۀ مختلف و غلظت M1/0 نیکل در شکل (b) 1-15 نشان داده می‏شوند. فیلم‏ها ساختار NiO مکعبی با جهت‏گیری ارجح در امتداد جهت (111) نشان می‏دهند. شدت پیک (111) با افزایش دمای زیرلایه از °C350 تا °C450 افزایش می‏یابد و سپس کاهش می‏یابد. برای تهیۀ فیلم‏های آلیاژ (Li:Ni)Ox غلظت نیکل و دمای زیرلایه را به ترتیب در M 1/0 و °C 450 (به عنوان پارامترهای لایه‏نشانی بهینه) ثابت نگه‏ داشتیم. شکل 1-16 نمونه‏های XRD فیلم‏های آلیاژ (Li:Ni)Ox لایه‏نشانی شده با آلایش‏های مختلف Li از 0% تا 100% در محلول را نشان می‏دهد. همانطور که دیده می‏شود همۀ فیلم‏ها بس‏بلوری هستند و همه پیک‏ها به فاز NiO مکعبی با جهت‏گیری ارجح در امتداد جهت (111) متعلق می‏باشند. درفیلم‏های با آلایش 50% لیتیم، شدت پیک متناظر با صفحـۀ (111) قوی‏تر است. در آلایش‏های بالاتر لیتیم، فازهای دیگری مانند Ni2O3 و LiCl2 مشاهده می‏شوند.

شکل 1-16: نمونه‏های XRD فیلم‏های آلیاژ (Li:Ni)Ox گوناگون: (a) NiO بدون آلایش (b) (10%) NiO:Li (c) (20%) NiO:Li(d) (30%) NiO:Li (e) (40%) NiO:Li (f) (50%) NiO:Li (g) (60%) NiO:Li (h) (80%) NiO:Li (i) (100%) NiO:Li ]34[.

تصاویر SEM فیلم‏های آلیاژ (Li:Ni)Ox (شکل (و)-(الف) 1-17) رشد نانو ذرات خوشه‏ای را نشان می‏دهد. فیلم NiO آلایش نشده دارای یک سطح تقریباً هموار است. فیلم‏های (Li:Ni)Ox دارای یک ساختار متخلخل هستند و اندازۀ دانۀ متناظر با آن‏ها با افزایش میزان آلایش لیتیم افزایش می‏یابد.

شکل 1- 17: تصاویر SEM فیلم‏های آلیاژ (Li:Ni)Ox و فیلم‏های بدون آلایش NiO (الف) NiO بدون آلایش (ب) (200%) NiO:Li (ج) (40%) NiO:Li(د) (50%) NiO:Li (ه) (60%) NiO:Li (و) (100%) NiO:Li ]34[.

فصل دوم
حسگرهای گازی

2-1 مقدمه‏ای بر حسگرهای گازی
حسگر گازی به صورت دستگاهی که انرژی شیمیایی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‏کند تعریف می‏شود. تاریخچۀ حسگرهای گازی به قرن گذشته برمی‏گردد. نخستین حسگر گازی در سال 1923 به صورت تجاری درآمد. این حسگر شامل یک سیم پلاتین داغ با دمای کار چند صد درجه بود و از کاتالیزور برای آشکارسازی گازهای احتراق‏پذیر موجود در اتمسفر استفاده می‏کرد. در سال 1960، در ژاپن تقاضا برای حسگرهای گازی بهتر افزایش یافت. در سال 1962، نخستین گزارش دربارۀ یک حسگر گازی نیم‏رسانا توسط سیاما18 در ژاپن منتشر شد ]35[. آن‏ها از اندازه‏گیری تغییر مقاومت در یک اکسید فلزی (اکسید روی) به محض جذب گاز استفاده کردند. این یافته منجر به پژوهش و توسعه حسگر گازی توسط گروه‏های مختلف شد. از بین آن‏ها، تاقوچی19 یک حسگر گازی با استفاده از اکسید قلع اختراع کرد و آن را در همان سال به ثبت رساند. او در سال 1969 در تجاری ساختن حسگر خود موفق شد و حساسیت را با افزودن یک فلز نجیب بالا برد ]36[. در هشتاد سال گذشته، دانشمندان به پیشرفت حسگرهای گازی مختلفی مانند حسگرهای الکتروشیمیایی20، حسگرهای سوخت کاتالیزوری21، حسگرهای مادون قرمز22 و حسگرهای سلول پخش سوخت23 پرداخته‏اند ]37[.

2-2 انواع حسگرهای گازی
دسته‏بندی‏های مختلفی برای حسگرهای گازی ارائه شده است ]38[. با توجه به میزان استفاده و بسته به نوع تکنولوژی ساخت به کار رفته در حسگرهای گازی، می‏توان آن‏ها را به سه گروه عمده تقسیم کرد: حسگرهای گازی حالت جامد24، سیستم‏های طیف‏نگاری25 و حسگرهای گازی اپتیکی26.
سیستم‏های طیف‏نگاری بر پایۀ تحلیل مستقیم جرم مولکولی یا طیف ارتعاشی گاز هدف قرار دارند. این حسگرها به طور کلی ترکیبی از گازهای متفاوت را با دقت خوبی اندازه‏گیری می‏کنند. کروماتوگرافی جرمی و طیف‏سنجی جرمی مهم‏ترین سیستم‏های حسگر گازی طیف‏نگاری هستند. حسگرهای اپتیکی، طیف جذبی گازی را که با نور تحریک شده است اندازه‏گیری می‏کنند. این نوع از حسگرها به طور معمول نیازمند یک سیستم پیچیده شامل: یک منبع نور تک ‏رنگ و یک حسگر اپتیکی برای تحلیل طیف جذبی می‏باشند (حسگرهای اپتیکی فیبر نوری یا لایۀ نازک در دستۀ حسگرهای حالت جامد طبقه‏بندی می‏شوند). حسگرهای حا
لت جامد، بهترین گزینه برای گسترش حسگرهای گازی تجاری به حساب می‏آیند. علت اصلی توجه دنیای علم و صنعت به این حسگرها به خاطر برتری‏هایی نظیر اندازۀ کوچک، حساسیت بالا در آشکارسازی غلظت‏های کم (در اندازۀppm27 یا حتی28ppb) محدودۀ وسیعی از ترکیبات شیمیایی گازی، امکان بهره‏برداری به صورت آنی29، تولید گروهی و قیمت پایین می‏باشد. در حالی که سیستم‏های آنالیز سنتی نظیر طیف‏سنجی جرمی، NMR30 و کروماتوگرافی برای مصارف خانگی بسیار گران و حجیم می‏باشند. علاوه بر این بسیاری از آنالیزها با این دستگاه‏ها نیازمند تهیۀ نمونه می‏باشند به طوری که آنالیز درون‏خطی و پاسخ‏دهی همزمان مشکل می‏شود. مشخصۀ کلیدی حسگرهای گازی حالت جامد برهم‏کنش برگشت‏پذیر گاز با سطح مادۀ جامد است. مواد آلی (نظیر پلیمرهای هادی، پروفین‏ها31 و فتالوسیانین‏ها32) یا مواد غیرآلی (نظیر نیم‏رساناهای اکسید-فلز) که به صورت لایۀ نازک یا ضخیم جایگذاری می‏شوند، به عنوان لایۀ فعال در این قطعات استفاده می‏شوند. خواندن خروجی نیز از طریق الکترودها، آرایه‏های دیود، ترانزیستورها، اجزای موج سطحی، مبدل‏های مد ضخامت یا آرایه‏های اپتیکی امکان‏پذیر است.
آشکارسازی گازهای قابل اشتعال (نظیر الکل‏ها، گاز مایع و دیگر هیدروکربن‏ها) در هوا توسط حسگرهای نیم‏رسانا نخست با نیم‏رساناهای اکسید-فلز انجام شد. گر چه به طور مقدماتی مطالعاتی با استفاده از ترانزیستورهای اثر میدان (FET) برای حسگری هیدروژن انجام شده بود. این دو رهیافت حسگر شیمیایی کاملاً متفاوت هستند. در مورد یک نیم‏رسانای اکسید-فلز نظیر NiO یک واکنش شیمیایی بین اکسیژن و گاز قابل اشتعال در سطح جامد رخ داده و مقاومت سطح جامد را تغییر می‏دهد. برای حساس کردن مقاومت به چنین فعالیت‏های شیمیایی، باید اکسیدهای فلزی با شکل‏ها یا ویژگی‏های خاص و افزودنی‏های ویژه‏ای انتخاب شوند. در مورد FET، واکنش شیمیایی گاز مورد مطالعه در دروازۀ33 مربوط به یک MOSFET34 انجام می‏شود و فعالیت شیمیایی پتانسیل دروازه را تغییر می‏دهد. حسگرهای بر پایۀ FET برای آشکارسازی یون‏ها و همچنین بیوحسگرها به کار می‏روند.
حسگرهای گازی نیم‏رسانا به طور کلی بر پایۀ اکسیدهای فلزی نظیر SnO2، NiO، TiO2، In2O3 و WO3 می‏باشند ]38[.

2-3 حسگرهای گازی نیم‏رسانا اکسید-فلزی
نیم‏رساناهای اکسید-فلزی (MOS) یکی از مهم‏ترین موادی هستند که در حسگرهای گازی به کار برده می‏شوند. برای اولین بار در دهه‏های گذشته کشف شد که وقتی مولکول‏ها با سطح نیم‏رساناها برهم‏کنش می‏کنند، می‏توانند ویژگی‏های سطحی مانند هدایت و پتانسیل سطحی نیم‏رساناها را تحت تأثیر قرار دهند. اولین حسگر گازی نیم‏رسانای مقاومتی35، توسط سیاما در سال 1962 ساخته شد ]37[. بعد از آن نیم‏رساناهای اکسید-فلزی به دلیل ارزان بودن و سادگی، به عنوان حسگرهای گازی، به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفتند. اکسیدهای فلزی به دلیل حساسیت بالای ویژگی‏های فیزیکی و شیمیایی آن‏ها به محیط شیمیایی اطراف خود، حوزۀ وسیعی از الکترونیک را به خود اختصاص داده‏اند. بر این اساس، اکسیدهای فلزی جزء معروف‏ترین حسگرهای تجاری شده‏اند. مواد مختلفی برای کاربرد حسگرهای اکسید فلزی گزارش شده‏اند که شامل اکسیدهای فلزی تک‏عنصری مانند SnO2، NiO، TiO2، Fe2O3، ZnO، WO3 و یا اکسیدهای چندعنصری مانند BiFeO2، MgAl2O4 و SrTiO3 می‏باشند ]37[.

2-4 خواص حسگرهای گازی
ویژگی‏های کلیدی عملکرد حسگرهای گازی نیم‏رسانا حساسیت، گزینش، زمان پاسخ و زمان بازگشت است. که در زیر هر یک را به طور مختصر توضیح می‏دهیم.

2-4-1 حساسیت
برای نیم‏رساناهای اکسید-فلزی، پارامتر قابل اندازه‏گیری، مقاومت اکسید فلز است. مکانیزم کلی حسگر گازی، حسگرهای نیم‏رسانای اکسید-فلزی به صورت زیر می‏باشد ]39[:
هنگامی که فیلم در حضور هوا گرم می‏شود ابتدا اکسیژن روی سطح اکسید فلزی جذب می‏شود. به دنبال جذب اکسیژن روی سطح، انواع صورت‏های یونی اکسیژن شامل O2-، O- و O2- (که الکترون‏ها را از نوار رسانش کسب کرده‏اند) تشکیل می‏شوند. مکانیزم‏های جذب به صورت زیر خلاصه می‏شوند ]42-40[:
(2-1)
O2,gas ↔ O2,ads
(2-2)
O2,ads + e- ↔ O2 –
(2-3)
O2 – + e- ↔ 2O –
(2-4)
O – + e- ↔ O2-
یون‏های اکسیژن O2-، O- و O2- به ترتیب در دماهای زیر C° 100، بین 100 و C° 300 و بالای C° 300 پایدار هستند ]43[. این یون‏ها به ترتیب در دماهای زیر C° 80، C° 130 و C° 250 از سطح جدا خواهند شد. انتقال الکترون از نوار رسانش به اکسیژن جذب شیمیایی، منجر به کاهش غلظت الکترون در فیلم می‏شود. برای اکسید فلزی نیم‏رسانای نوع n، یک افزایش در مقاومت فیلم اکسید فلزی مشاهده می‏شود. از طرف دیگر مقاومت اکسید فلزی نوع p کاهش می‏یابد.
گازهای پرخطر محیطی به دو گروه گازهای اکسایشی و کاهشی تقسیم می‏شوند گازهای NO2، NO، N2O و CO2 اکسایشی هستند در حالی که گازهای H2S، CO، NH3، CH4 و SO2 کاهشی هستند. هنگامی که سطح‏های اکسید فلزی در معرض گازهای اکسایشی قرار می‏گیرند این گازها با یون‏های O– جذب شده واکنش می‏دهند. همچنین می‏توانند به طور مستقیم روی سطح اکسید فلزی جذب شوند. واکنش‏های اکسایشی بین اکسید فلزی و این گازهای اکسایشی به صورت زیر دنبال می‏شوند ]44،50-45[:
(2-5)
NO2,gas + e- → NO2-ads
(2-6)
NO2-ads + O-ads + 2e- → NOgas + 2O2-ads
(2-7)
NOgas + e- → NO-ads
(2-8)
2NO-ads → N2,gas + 2O-ads
(2-9)
N2Ogas + e- → N2O-ads
(2-10)
N2O-ads → N2,gas + O-ads
(2-11)
CO2,gas + e- → CO2-ads
(2-12)
CO2-ads + O-ads + 2e- → COgas +
2O2-ads
جذب O- از مراحل خیلی مهم در حسگرهای گازی اکسید فلزی می‏باشد. زیرا یون‏های O- به یون‏های اکسایشی کمک می‏کنند تا الکترون‏ها را از سطح اکسید فلزی کسب کنند. در نتیجه غلظت الکترون‏ها روی سطح اکسید فلزی کاهش می‏یابد و مقاومت لایۀ اکسید فلزی نوع n افزایش می‏یابد. در مقابل مقاومت سطح اکسید فلزی نوع p کاهش می‏یابد. زیرا الکترون‏های خارج شده منجر به تولید حفره‏ها در نوار ظرفیت می‏شوند.
پاسخ حسگر گازی برای اکسید فلزی نیم‏رسانای ‏نوع n نسبت به گاز اکسایشی (S_ox^n) به صورت زیر تعریف می‏شود:
(2-13)
S_ox^n=R_og/R_a
از طرف دیگر پاسخ برای اکسید نیم‏رسانای نوع p نسبت به گاز اکسایشی (S_ox^p) با رابطۀ زیر داده می‏شود:
(2-14)
S_ox^p=R_a/R_og
که Rog و Ra مقاومت‏های الکتریکی حسگرها به ترتیب در حضور گاز اکسایشی و هوای خشک خالص هستند.
هنگامی که سطح اکسید فلزی در معرض گازهای کاهشی قرار می‏گیرد، گاز با اکسیژن جذب شیمیایی واکنش می‏دهد. در نتیجه الکترون‏های آزاد شده به نوار رسانش بازمی‏گردند. واکنش‏های کاهشی بین اکسید فلزی و این گازهای کاهشی به صورت زیر دنبال می‏شوند ]51،64-52[:
(2-15)
2NH3 + 3O-ads → N2 + 3H2O + 3e-
(2-16)
2NH3 + 3O2-ads → N2 + 3H2O + 6e-
(2-17)
H2S + 3O-ads → SO2 + H2O + 3e-
(2-18)
H2S + 3O2-ads → SO2 + 3H2O + 6e-
(2-19)
CO + O-ads → CO2 + e-
(2-20)
CO + O2-ads → CO2 + 2e-
(2-21)
SO2 + O-ads → SO3 + e-
(2-22)
SO2 + O2-ads → SO3 + 2e-
(2-23)
CH4 + 4O-ads → CO2 + 2H2O + 4e-
(2-24)
CH4 + 4O2-ads → CO2 + 2H2O + 8e-

در نتیجه غلظت الکترون‏ها روی سطح اکسید فلزی افزایش می‏یابد و مقاومت لایۀ اکسید فلزی نوع n کاهش می‏یابد. در مقابل مقاومت سطح اکسید فلزی نوع p افزایش می‏یابد زیرا الکترون‏های تولید شده با حفره‏ها بازترکیب می‏شوند در نتیجه غلظت حفره‏ها کاهش می‏یابد. بنابراین پاسخ حسگر گازی برای اکسید نیم‏رسانای نوع n نسبت به گاز کاهشی (S_rd^n) به صورت زیر تعریف می‏شود.
(2-25)
S_rd^n=R_a/R_rg
پاسخ برای اکسید نیم‏رسانای نوع p نسبت به گاز کاهنده (S_rd^p) با رابطۀ زیر داده می‏شود:
(2-26)
S_rd^p=R_rg/R_a
که Rrg و Ra به ترتیب مقاومت‏های الکتریکی حسگرها در حضور گاز کاهنده و هوای خشک خالص هستند.

2-4-2 گزینش
یکی از پارامترهای مهم در سنجش حسگرهای گازی، گزینش گاز در آن‏ها است. به این معنا که قدرت تشخیص یک گاز در میان گازهای دیگر وجود داشته باشد. در واقع گزینندگی به صورت حساسیت حسگر به یک گاز نسبت به حساسیت آن به گاز دیگر تعریف می‏شود.
(2-27)
SelectivityX(p)=|(X_gas (a)-X_gas (b))/(X_gas (a) )|

که (b) مربوط به گاز هدف و (a) مربوط به گاز مورد مطالعۀ دیگری در همان غلظت است.

2-4-3 زمان پاسخ / زمان بازگشت
زمان پاسخ (بازگشت) به صورت مدت زمانی که نیاز است تا تغییرات مقاومت قطعه از 10% (90%) به 90% (10%) مقدار تعادلی خود در حضور گاز اکسید کننده (احیا کننده) برسد، تعریف می‏شود. این مقادیر باید برای یک حسگر

دیدگاهتان را بنویسید