Οι αισθητήρες αερίων είναι συσκευές ικανές να ανιχνεύουν την παρουσία και τη συγκέντρωση διαφόρων αερίων, παίζοντας κρίσιμο ρόλο σε εφαρμογές, όπως η παρακολούθηση της ποιότητας του αέρα, η δημόσια ασφάλεια, η γεωργία και η ιατρική διάγνωση. Τα πιο συνηθισμένα υλικά ανίχνευσης είναι οι ημιαγωγοί οξειδίων μετάλλων, τα οποία έχουν χαμηλό κόστος παραγωγής και υψηλή ευαισθησία, αλλά απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες ή άλλα εξωτερικά ερεθίσματα για να λειτουργήσουν. Συνεπώς, υπάρχει ανάγκη για την ανάπτυξη νέων υλικών ανίχνευσης που μπορούν να ξεπεράσουν αυτόν τον περιορισμό, διατηρώντας ή προσφέροντας καλύτερη απόδοση ανίχνευσης. Μία εναλλακτική και πολλά υποσχόμενη κατηγορία υλικών για την ανίχνευση αερίων είναι οι ανόργανοι μεταλλικοί αλογονίδια περοβσκίτες, με γενικό τύπο ABX3, όπου το Α είναι ένα οργανικό ή ανόργανο κατιόν, το Β είναι ένα κατιόν μετάλλου και το Χ είναι ένα ανιόν αλογονιδίου. Έχουν δείξει την ικανότητα ανίχνευσης αερίων (O3 και H2) σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις (λίγα ppb), με γρήγορους χρόνους απόκρισης (μερικές εκατοντάδες δευτερόλεπτα) χωρίς την ανάγκη εξωτερικού εναύσματος. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν προκλήσεις, συμπεριλαμβανομένης της περιβαλλοντικής αστάθειας και της τοξικότητας του μόλυβδου, που συνήθως χρησιμοποιείται ως κατιόν μετάλλου. Λαμβάνοντας υπόψη τις προαναφερθείσες ιδιότητες και ανάγκες, αυτό η εργασία στόχευσε στην κατασκευή αισθητηρίων στοιχείων αλογονούχων περοβσκιτών χωρίς μόλυβδο (Cs2AgBiBr6) με τη μορφή νανο- ή μικροκρυστάλλων, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο καθίζησης χωρίς προσθήκη χημικών επιφανειοδραστικών και σε θερμοκρασία δωματίου. Επιπλέον, οι περοβσκίτες συνδυάστηκαν με δισδιάστατα υλικά βασισμένα σε γραφένιο και ενώσεις διχαλκογενιδίων μετάλλων μετάπτωσης (TMDs) για την βελτίωση της αγωγιμότητά τους και της ικανότητας ανίχνευσης. Χρησιμοποιήθηκαν διάφορες μέθοδοι σύνθεσης και τεχνικές χαρακτηρισμού για τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας παρασκευής και της κατανόησης των μηχανισμών ανίχνευσης αυτών των νέων υλικών. Οι νανοκρύσταλλοι Cs2AgBiBr6 αποδείχθηκαν ικανοί να ανιχνεύουν χαμηλές συγκεντρώσεις O3 έως και 50 ppb, με χρόνους απόκρισης και ανάκαμψης περίπου ενός λεπτού.
(EL)
Gas sensors are devices capable of detecting the presence and concentration of various gases, playing a crucial role in applications such as air-quality monitoring, public safety, agriculture, and medical diagnosis. The most common sensing materials are metal oxide semiconductors, which have low-cost production and high sensitivity, albeit necessitate high temperatures or other external stimuli to operate. Therefore, there is need to develop new sensing materials that can overcome this limitation, while maintaining or offering better sensing performance. An alternative and promising candidate material for gas sensing is the group of all-inorganic metal halide perovskites, having the general formula ABX3, where A is an organic or inorganic cation, B is a metal cation, and X is a halide anion. They have exhibited the ability to detect gases (O3 and H2) at very low concentrations (a few ppb), featuring fast response times (few hundreds of seconds) without the demand of external triggering. However, challenges persist, including environmental instability and toxicity of lead, commonly utilized as the metal cation. Taking into account the aforementioned properties and needs, this project aimed to fabricate lead-free double halide perovskite gas sensing elements (Cs2AgBiBr6) in the form of nano- or micro-crystals, employing a straightforward and room-temperature ligand-free precipitation method. Furthermore, the perovskites were conjugated with 2D graphene-based materials and Transition Metal Dichalcogenides (TMDs) to enhance their conductivity and their sensing ability. Diverse synthesis methods and characterization techniques were used to optimize the fabrication process and understand the sensing mechanisms of those novel materials. Cs2AgBiBr6 nanocrystals found to be capable of detecting low O3 concentrations down to 50 ppb, having response and recovery times around 1 minute.
(EN)
University of Crete
