Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία εστιάζει στη μελέτη των ιδιοτήτων των οξειδίων των μετάλλων ως αισθητήρες ανίχνευσης όζοντος. Το υλικό που χρησιμοποιήθηκε ήταν το οξείδιο του ψευδαργύρου για διάφορους λόγους, όπως ότι υπάρχει άφθονο στη φύση, είναι μη τοξικό, παρουσιάζει υψηλή σταθερότητα και έχει πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες. Η εναπόθεση του υλικού έγινε με DC magnetron sputtering για διαφορετικά πάχη. Οι δομικές και οπτικές ιδιότητες του οξειδίου του ψευδαργύρου μελετήθηκαν με την τεχνική περίθλασης ακτίνων-Χ και φασματοφωτομετρία αντίστοιχα. Από αυτές εξάγαμε ότι το υλικό μας είχε προτιμητέα διεύθυνση ανάπτυξης κάθετα στο υπόστρωμα, παρουσίασε υψηλή διαπερατότητα μεγαλύτερη από 80% και το ενεργειακό χάσμα υπολογίστηκε να είναι περίπου 3.31eV. Οι ιδιότητες ως προς την ευαισθησία μελετήθηκαν μέσω δύο διαφορετικών τεχνικών, η μία ήταν η μέτρηση ως προς την αλλαγή των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών και η άλλη αυτή των επιφανειακών ακουστικών κυμάτων (SAW) στην οποία χρησιμοποιήθηκαν εμπορικά φίλτρα υψηλής συχνότητας( ̴1GHz). Πραγματοποιήθηκε μια σειρά πειραμάτων με διαφορετικές συγκεντρώσεις όζοντος, οι οποίες κυμαίνονταν από 6ppb έως 2ppm για τις μετρήσεις ως προς την αλλαγή της αγωγιμότητας και από 100ppb έως 2ppm για την τεχνική των SAW. Το κίνητρο για τη χρήση των ακουστικών αισθητήρων ήταν ότι έχουν μικρό μέγεθος, είναι οικονομικοί και παρουσιάζουν ευαισθησία και καλή απόκριση σε ένα μεγάλο εύρος οξειδωτικών και αναγωγικών αερίων. Από τη μελέτη μας, εξάγαμε οτι υπάρχουν κάποια όρια αντοχής για τα φίλτρα που χρησιμοποιήθηκαν τα οποία περιορίζουν τα όρια ανίχνευσης για πάχη κάτω από 100nm. Το προς ανίχνευση αέριο επιλέξαμε να είναι το όζον για το λόγο ότι βρίσκεται σε μεγάλες ποσότητες στο περιβάλλον και επηρεάζει την υγεία του ανθρώπου. Συγκεκριμένα το όζον είναι ιδιαίτερα επιβλαβές για τον άνθρωπο για συγκεντρώσεις μεγαλύτερες από 50ppb σύμφωνα με τον Οργανισμό Προστασίας του Περιβάλλοντος. Τα πειράματα ως προς την αλλαγή της αγωγιμότητας έδειξαν ότι τα περισσότερα δείγματα δίνουν απόκριση έως και 5 τάξεις μεγέθους, και για πάχη πάνω από 100nm ο αισθητήρας μπορεί να διαχωρίσει με ακρίβεια τις διαφορετικές συγκεντρώσεις όζοντος που εισάγαμε στο θάλαμο. Ομοίως, τα αποτελέσματα που εξάγαμε από την τεχνική των επιφανειακών ακουστικών κυμάτων έδειξαν επίσης πολύ καλή απόκριση με τη μέγιστη μεταβολή της συχνότητας να είναι 8-9ΜHz, κατά τη διάρκεια του πρώτου κύκλου φωτοαναγωγής – οξείδωσης. Λεπτομερής μελέτη των αποκρίσεων με την τεχνική των SAW, έδειξε για πρώτη φορά, την επίδραση του υποστρώματος στο ρυθμό και τη μορφή της απόκρισης. Αυτή η μελέτη απέδειξε την πολυπλοκότητα των ακουστοηλεκτρικών και μηχανικών ιδιοτήτων των μετατροπέων κατά τη διαδικασία ανίχνευσης με αποτελέσματα ακρίβειας και αναπαραγώγιμα. Παρ’ όλα αυτά, και οι δύο τεχνικές βρέθηκε να έχουν καλή αναστρεψιμότητα κατά τη διαδικασία της φωτοαναγωγής – οξείδωσης το οποίο τις ορίζει ως ανθεκτικές διατάξεις ανίχνευσης για εφαρμογές σε θερμοκρασία δωματίου.
(EL)
This study focuses on the investigation of ozone (O3) gas sensing properties of metal oxides. The sensing material applied was zinc oxide (ZnO) and was selected for various reasons, such as natural availability, non-toxicity, high stability and piezoelectric properties. The deposition of the material was carried out via DC magnetron sputtering at different thicknesses. The structural and optical properties of ZnO were studied via X-Ray diffraction and spectrophotometry techniques respectively. These techniques revealed that the metal oxide fabricated had a preferred growth orientation along the c-axis, a high transparency exceeding 80% and an energy gap (Eg) of ~3.31eV. The sensing properties of ZnO were tested via two different techniques, of which the conductometric was used as a bench mark for the study of the material sensing responses through surface acoustic wave (SAW) utilizing commercial transducers at very high frequency (~1GHz). A set of different O3 concentrations levels ranging from 6ppb to 2ppm for the conductometric and from 110ppb to 2ppm for the SAW tests were applied. The motivation behind the use of acoustic sensors was their small size, inexpensiveness, sensitivity and their response to a large range of oxidizing and reducing gases. The investigation has shown that there is an operating limit for the said commercial transducers which restricted the sensing operation thicknesses on the SAW to below 100nm. The testing gas selected was ozone due to its critical importance in our environment and its impact on human health. Ozone becomes harmful for human health for concentrations above 50ppb according to EPA and WΗΟ. The conductometric tests lead to the result that most of the samples exhibit an up to 5 orders of magnitude response and for thicknesses above 100nm the sensor (on glass substrates) can distinguish among different ozone concentrations with relatively adequate accuracy. Similarly, results obtained through the SAW technique did show a good response also, with a maximum frequency shift value of 8-9MHz, during their first photoreduction- oxidation cycle. Detailed study of the SAW sensing responses demonstrated, for the first time, the role of sensing substrates on their response rate and form. This study revealed the complexity of acoustoelectric and mechanical properties for the SAW transducers in the process of accurate and reproducible sensing results. Nevertheless both techniques were found to have a good reversibility during their photoreduction–oxidation processes which merits them as durable sensing devices for room temperature applications.
(EN)
