abs trak

7/16/2019 Abs Trak

http://slidepdf.com/reader/full/abs-trak-563387ec9e348 1/7

Abstrak

ZnO: Al film tipis disusun oleh RF magnetron sputtering pada substrat Si menggunakan Pt

sebagai elektroda interdigitated. Struktur ini ditandai dengan XRD dan analisis SEM, dan gas uap

etanol penginderaan serta sifat listrik telah diteliti dan dibahas. Hasil penginderaan gas

menunjukkan bahwa sensitivitas untuk mendeteksi 400 ppm etanol uap adalah ~ 20 pada suhu

operasi 250 ° C. Sensitivitas tinggi, pemulihan sistem yang cepat, dan kehandalan menunjukkan

bahwa ZnO: film tipis Al disiapkan oleh RF magnetron sputtering dapat digunakan untuk etanol uap

gas sensing.

Kata kunci: ZnO: Al, sputtering, sensor gas etanol, film tipis.

Pendahuluan

Perangkat pemantauan gas dalam permintaan untuk berbagai berkembang pesat aplikasi.

Logam oxidebased sensor kimia telah digunakan secara luas untuk mendeteksi gas polutan beracun,

gas mudah terbakar dan uap organik. Keuntungan utama dari sensor kimia adalah harga yang

rendah, ukuran kecil, sensitivitas tinggi, dan konsumsi daya rendah. Etanol adalah salah satu alkohol

paling sering digunakan dan luas, dan dengan demikian ada kebutuhan untuk mengembangkan

sensor untuk deteksi. Aplikasi yang paling umum dari sensor etanol sebagai analyzer napas, karena

uap etanol dalam napas manusia dikatakan berkorelasi dengan konsentrasi dalam darah. Baru-baru

ini, sensor gas didasarkan pada semikonduktor logam-oksida seperti SnO2 dan ZnO [1-5] memiliki

telah ditemukan untuk menjadi sangat berguna untuk mendeteksi uap etanol. Murni dan doped film

ZnO telah diteliti sebagai sensor untuk O2 [6], H2 [7], NOx [8], dan etanol [9]. Salah satu persyaratan

dari gas sensor adalah konsumsi daya yang rendah, karena sensor perlu bekerja andal dan

berkesinambungan. Sebuah rendah Bahan resistensi memiliki tenaga penggerak lebih rendah biladigunakan sebagai sensor. Doping donor yang sesuai dapat menghasilkan cacat elektronik yang

meningkatkan pengaruh tekanan parsial oksigen pada konduktivitas. Nanto et al. menunjukkan

bahwa suhu operasi yang lebih rendah dapat dicapai dengan doping efek, dan resistensi perubahan

signifikan dapat diperoleh di doped ZnO daripada undoped ZnO sensor, yang menghasilkan

sensitivitas yang lebih tinggi [10]. Beberapa teknik telah digunakan untuk mempersiapkan doped

film ZnO, seperti RF magnetron sputtering [11], deposisi uap kimia [12], sol-gel [13], dan pirolisis

semprot [14]. Dalam studi ini, Al doped ZnO (didefinisikan sebagai ZnO: Al) sensor film tipis disimpan

oleh RF magnetron sputtering menggunakan Pt sebagai elektroda dilaporkan. Difraksi sinar-X (XRD),

scanning electron microscopy (SEM), dan pengukuran konduktivitas digunakan untuk

mengkarakterisasi struktur mikro dan sifat listrik ZnO: Al gas-sensing film yang diendapkan pada

substrat Si.

Eksperimen

Pt elektroda dengan struktur interdigital diendapkan pada substrat Si oleh magnetron

sputtering proses RF. ZnO: Al penginderaan Film itu tergagap atas elektroda interdigitated.

Targetnya adalah 3 in 98% berat Zn-2% berat Al paduan, dan jarak antara target dan substrat

diadakan di 45 mm. Gambar 1 (a) menunjukkan konfigurasi sensor. A Ar + gas O2 campuran

diperkenalkan ke dalam kamar dan meteran oleh pengontrol aliran massa untuk laju aliran total

yang ditetapkan sebesar 15 cm3 / s. Sputtering deposisi dilakukan pada berbagai kekuatan RF dantekanan 3 x 10-3 torr. Sebelum deposisi, ruangan dievakuasi ke tekanan latar belakang akhir 10-6

7/16/2019 Abs Trak


Torr, dan kemudian proses presputtering dipekerjakan untuk membersihkan permukaan target.

Permukaan dan penampang morfologi yang ditandai dengan mikroskop elektron scanning (FE-SEM,

Philips, XL-40FEG). X-ray difraktometer (Rigaku-D-max) dengan Cu Kα radiasi digunakan untuk

menentukan struktur kristalografi. Film-film seperti-disimpan digunakan untuk pengukuran sifat

penginderaan gas. Sifat gas sensing dievaluasi pada berbagai temperatur operasi, 120-250?, Dengan

mengukur perubahan resistansi dari sensor di udara dan gas etanol. Sensitivitas dalam percobaan

didefinisikan sebagai

dimana Ra adalah resistansi sampel diukur dalam lingkungan ambien sambil Rg adalah bahwa di

bawah gas uji

Hasil dan Diskusi

ZnO: Al film tipis tergagap ke substrat Si digunakan sebagai sensor gas etanol. Gambar 2

merupakan pola difraksi XRD ZnO: Al film ketebalan 100 nm disimpan di berbagai kekuatan RF dan

tekanan 3 × 10-3 Torr pada substrat Si. Analisis XRD menunjukkan bahwa semua film menunjukkan

hanya (0002) puncak, menunjukkan bahwa mereka memiliki ZnO (0002) orientasi yang diutamakan,

menyiratkan pertumbuhan tegak lurus c-sumbu ke permukaan substrat. Hal ini disebabkan

permukaan energi bebas terendah [15] yang paling padat (0002) pesawat di wurtzite struktur ZnO.

Dengan meningkatnya daya RF lokasi dari sudut difraksi diukur tidak berubah secara signifikan dan

dominan (0002) puncak menjadi lebih tajam, menunjukkan mapan c-sumbu orientasi ZnO: Al film.

Hal ini menunjukkan bahwa kristalinitas meningkat film yang dihasilkan dan ukuran butir menjadi

lebih besar dengan meningkatnya daya RF (di bawah wilayah oksida dari model Shinoki [16], di mana

kristalinitas ditingkatkan dengan meningkatkan daya RF).

7/16/2019 Abs Trak


Ukuran butir ZnO: Al Film diperkirakan menggunakan persamaan Debye-Scherrer [17] dan

lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) dari (0002) puncak ditunjukkan pada Gambar 2.

Ukuran butir dihitung dari film-film yang kurang lebih seragam untuk semua film, mulai 51-69 nm,

untuk ZnO: Al film tergagap pada kekuatan RF dari 100 ~ 140 W, masing-masing.

Gambar 2 : Pola difraksi XRD untuk ZnO: Al film disimpan di berbagai kekuatan RF dan tekanan 3 ×

10-3 Torr.

Permukaan SEM dan penampang morfologi untuk film disimpan pada 120 W ditunjukkan

pada Gambar 3. Hal ini terlihat bahwa deposito yang datar dan halus dalam morfologi, sedangkan

mikrograf penampang mengungkapkan struktur columnar karena tumbuh pada substrat. The

kolumnar morfologi film disimpan pada substrat silikon membantu meningkatkan interaksi kimia gas

etanol dengan ZnO: Al film, yang memperkuat sinyal output dan sensitivitas sensor.

7/16/2019 Abs Trak


Gambar 3 : Permukaan SEM dan penampang morfologi untuk ZnO: Al Film

disimpan di RF daya 120 W.

Sensitivitas dari ZnO: Al film tipis 400 ppm etanol uap 120-250 ° C ditunjukkan pada

Gambar 4 (a), dan dapat dilihat bahwa sensitivitas meningkat dengan meningkatnya suhu

operasi. Perilaku karakteristik penurunan resistansi dari sensor atas mendeteksi uap etanol

khas untuk oksida sensor gas semikonduktor tipe-n. Ketika uap etanol diperkenalkan ke

dalam ruang tes, resistansi sensor menurun dan segera setelah itu menjadi jenuh. Ketika gas

itu berubah-off, resistansi sensor meningkat. Setelah perlawanan awal yang stabil, etanol uap

disuntikkan ke dalam ruang tertutup dalam sistem batch dan gas itu dikeluarkan setelah

dipelihara selama 5 menit. Gambar 4 (b) menyajikan respon dan transien pemulihan sensor

untuk 400 ppm etanol uap pada 250 ° C. Tanggapan dan waktu pemulihan (waktu selama

90% dari perubahan resistansi) untuk etanol uap / campuran udara untuk 400 ppm konsentrasi

pada 250 ° C adalah sekitar 2-4 menit, dengan reproduktifitas baik.

Kurva kalibrasi yang ditunjukkan pada Gambar 5 menunjukkan bahwa hubungan

antara sensitivitas dan konsentrasi yang linier, yang menguntungkan aktuator dengan

memungkinkan untuk mendeteksi berbagai konsentrasi gas mudah terbakar dan organik uap.

7/16/2019 Abs Trak


Gambar 4 : Hubungan antara suhu operasi dan kepekaan untuk ZnO: Al film tipis pada 400

ppm.

Gambar 5 : Respon listrik dari sensor pada suhu operasi 250 º C.

Gas mekanisme biasanya diterima untuk sensor semikonduktor penginderaan

menganggap bahwa oksigen teradsorpsi pada permukaan oksida menghilangkan beberapa

kepadatan elektronik dan dengan demikian menurunkan konduktivitas material. Ketika

molekul gas reduksi datang ke dalam kontak dengan permukaan ini, mereka dapat

berinteraksi dengan oksigen ini, menyebabkan biaya transferensi terbalik [18]. Setelah

kembalinya elektron ke pita konduksi, konduktivitas meningkat. Ini menggunakan variasi

resistensi gas-induced tingginya penghalang potensial pada batas butir (perubahan yaitu

dalam ketebalan lapisan ruang muatan) untuk mendeteksi uap etanol di udara. Untuk zat

polikristalin, batas butir menyumbangkan sebagian besar perlawanan.

7/16/2019 Abs Trak


Gambar 6 : Variasi sensitivitas sebagai fungsi konsentrasi etanol untuk ZnO: Al film tipis

seperti yang dioperasikan pada 250℃.

Hal ini juga dapat disimpulkan bahwa konduktivitas permukaan kristal oksida

semikonduktor tergantung pada konsentrasi elektron di dekat permukaan, yang pada

gilirannya dipengaruhi oleh sifat dari spesies chemisorbed. Karakteristik sensitivitas sensor

yang berhubungan dengan modifikasi permukaan ZnO oleh mekanisme transfer elektron.

Dalam studi ini, alasan untuk penurunan resistensi mungkin karena oksidasi uap etanol

setelah datang di kontak dengan ZnO: Al permukaan film, yang membebaskan elektron bebas

dan H2O. Atmosfer oksigen chemisorbs pada permukaan ZnO: Al film sebagai O2 - atau O-,

menghapus elektron dari pita konduksi dari ZnO: Al semikonduktor, mengembangkan

penipisan daerah di permukaan. Uap etanol bereaksi dengan oksigen chemisorbed dan

reinject operator, sehingga mengurangi resistensi dari ZnO: Al materi. Kemungkinan reaksi

etanol dengan ZnO: Al penginderaan lapisan dapat dijelaskan sebagai dua negara oksidasi

[19]:

dehidrogenasi menjadi asetaldehida

dehidrasi terhadap etilen

di mana [O] mewakili ion oksigen permukaan. Reaksi pertama adalah proses memulai

oksidasi oleh dehidrogenasi untuk CH3CHO menengah, dan reaksi kedua diprakarsai olehdehidrasi untuk C2H4. Tapi selektivitas untuk dua reaksi diprakarsai oleh sifat asam-basa

dari permukaan oksida. Proses dehidrogenasi lebih mungkin pada permukaan oksida dengan

sifat dasar, sedangkan dehidrasi disukai pada permukaan asam [19]. The produk antara,

asetaldehida dan etilena, yang kemudian dikurangi menjadi CO2 dan H2O. Pada suhu tinggi,

penipisan daerah diciptakan oleh chemisorbtion oksigen di permukaan meluas lebih dalam,

memberikan lingkup yang lebih besar untuk lebih banyak unsur gas yang akan terserap,

sehingga memberikan respon yang lebih baik. Juga, gugus hidroksil desorbs pada suhu yang

lebih tinggi [20]. Jadi untuk operasi suhu yang lebih rendah (<150 ° C), permukaan sensor

tidak mendapatkan sepenuhnya desorbed, yang menyebabkan perubahan kecil dalam

perlawanan. ZnO: Al demikian telah ditemukan untuk nyata dan efektif mempromosikan

kepekaan terhadap etanol uap.

Kesimpulan

Dalam studi ini, struktur dan sifat penginderaan ZnO: Al film sebagai sensor gas

etanol uap diperoleh RF magnetron sputtering sistem diselidiki. Karakteristik struktural

mengungkapkan bahwa datar dan terdefinisi dengan baik film kolumnar dengan c sumbu

bertekstur dibentuk. Film ini dipamerkan sensitivitas yang baik terhadap uap etanol dengan

karakteristik respon pemulihan cepat, dan ditemukan bahwa sensitivitas untuk mendeteksi

400 ppm etanol uap adalah ~ 20 pada suhu operasi 250 ° C. ZnO: Al tampaknya menjadi

bahan semikonduktor menjanjikan untuk mendeteksi uap etanol.

7/16/2019 Abs Trak


Ucapan Terima Kasih

Karya ini secara finansial didukung oleh Yen Tjing-Ling Teknologi Industri Pusat Penelitian

dan Pengembangan, National Cheng Kung University, Taiwan.

abs trak

Documents