Μελέτη Στοιχείων Αίσθησης Υδρογόνου, Βασισμένων Σε Λεπτά Υμένια Οξειδίου Του Ψευδαργύρου (zno)

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των ηλεκτρικών ιδιοτήτων και των παραμέτρων αίσθησης σε περιβάλλον αερίων, λεπτών υμενίων ημιαγώγιμων οξειδίων με έμφαση στο οξείδιο του ψευδαργύρου (Zinc Oxide, ZnO).Αρχικά αναφέρονται οι βασικοί τύποι αισθητήρων που έχουν αναπτυχθεί κατά καιρούς, οι μηχανισμοί ανίχνευσης που χρησιμοποιούν και συγκρίνονται με τους αισθητήρες ημιαγώγιμων στρωμάτων τύπου αντίστασης. Ακολουθεί μια γενική επισκόπηση των ιδιοτήτων των ημιαγώγιμων οξειδίων μετάλλων και των μεταβολών τους ανάλογα με το πάχος των εναποτιθέμενων στρωμάτων (τεχνολογίες λεπτών/παχέων στρωμάτων). Γίνεται γενική αναφορά στους μηχανισμούς αίσθησης αερίων στην επιφάνεια των λεπτών υμενίων οξειδίων και στην επίδραση που έχουν στους μηχανισμούς αυτούς οι διάφοροι καταλύτες. Παρουσιάζονται εκτός από τους μηχανισμούς αίσθησης και τα διάφορα φαινόμενα αστάθειας (π.χ. επίδραση υγρασίας) και γήρανσης που παρατηρούνται σε αισθητήρες τύπου αντίστασης.Στη συνέχεια γίνεται μια εκτενής περιγραφή των ιδιοτήτων του οξειδίου του ψευδαργύρου, όσον αφορά την ηλεκτρονική και κρυσταλλική του δομή και ακολουθεί ο συσχετισμός τους με τις παραμέτρους αίσθησης αερίων και ειδικά με το υδρογόνο. Από το συσχετισμό αυτό προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα για την επίδραση που έχουν οι κατασκευαστικές παράμετροι στην ανάπτυξη ημιαγώγιμων αισθητήριων διατάξεων με βάση το ZnO. Ακολουθεί το πειραματικό μέρος της εργασίας, όπου περιγράφονται και συγκρίνονται μεταξύ τους οι κύριες μέθοδοι κατασκευής λεπτών στρωμάτων και ειδικά η εναπόθεση με παλμικό laser (pulsed laser deposition, PLD) και η επαγόμενη από δέσμη ιόντων χημική εναπόθεση υπό ατμό (ion beam induced chemical vapor deposition, IBICVD), καθώς οι δυο αυτές μέθοδοι χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των λεπτών υμενίων ZnO που μελετήθηκαν στο εργαστήριο.Κατόπιν αναφέρονται οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν για τον ηλεκτρικό και κρυσταλλογραφικό χαρακτηρισμό των λεπτών υμενίων ZnO, όπως η μέθοδος 4 επαφών του Van der Pauw και η τεχνική περίθλασης ακτίνων Χ(x-ray diffraction, XRD) αντίστοιχα, και η επίδραση συνθηκών, όπως η μέθοδος και η θερμοκρασία κατασκευής και η θερμοκρασία λειτουργίας των αισθητήρων, στις ηλεκτρικές παραμέτρους, αλλά κυρίως στις παραμέτρους αίσθησης του υδρογόνου. Επίσης μελετάται η επίδραση του ενδοκρυσταλλικού και ατμοσφαιρικού οξυγόνου καθώς και του τύπου του υποστρώματος στις παραμέτρους αυτές, με βάση μετρήσεις αγωγιμότητας-θερμοκρασίας σε περιβάλλον κενού. Τέλος, μετρήσεις της δυναμικής απόκρισης των υμενίων παρουσία ρεύματος υδρογόνου σε περιβάλλον αέρα, αποδεικνύουν ότι χημικοί αισθητήρες βασισμένοι σε αυτά μπορούν άμεσα να υλοποιηθούν.