SURFACE MODIFICATION OF ZINC OXIDE-BASED THIN FILMS FOR GAS SENSING APPLICATIONS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF PhD_thesis_final__(17-5-2016)_final.pdf Download (8MB) | Preview

Arabic Abstract

إنّ الهدف الأساس من هذه الدراسة هو تصميم متحسسات لديه القدرة على كشف وتحسس غاز الهيدروجين وذلك بتعديل سطح مادة أكسيد الخارصين بطريقتين جديدتين . الطريقة الأولى تمثلت بإضافة تراكيب نانوية البنية على أسطح أغشية رقيقة من مادة أكسيد الخارصين ، وهذه المعادن تشمل الفضة والذهب والبلاتين. تمت عملية إضافة المواد المعدنية نانوية البنية إلى أسطح رقائق أكسيد الخارصين من خلال ثلاث مراحل. في المرحلة الأولى تم ترسيب طبقة رقيقة من مادة أكسيد الخارصين على زجاج باستخدام جهاز الترسيب بالرش المهبطي ،وفي الخطوة الثانية تم ترسيب طبقة رقيقة من أحد المعادن (فضة أو ذهب أو بلاتين) على سطح أكسيد الخارصين أيضاً باستخدام جهاز الترسيب بالرش المهبطي ، وفي الخطوة الأخيرة تم تحويل طبقة المعدن الرقيقة إلى تراكيب نانوية من خلال تسخين طبقة المعدن الرقيقة المترسبة على سطح أكسيد الخارصين عند درجات حرارة مختلفة ولفترات زمنية مختلفة. بعد عملية إنتاج الأغشية الرقيقة في كلتا الطريقتين تم فحصها باستخدام العديد من الأجهزة ، حيث تم استخدام جهاز حيود الأشعة السينية لدراسة الخصائص البلورية للمواد المنتجة ، كما تم استخدام المجهر الماسح الإلكتروني مجهر القوى الذرية لمعرفة شكل وأبعاد مادة أكسيد الخارصين و المواد النانوية المتكونة عليه. أما جهاز مطياف - الإلكترون الضوئي - فقد تم استخدامه لدراسة معرفة مكونات المواد المنتجة ، وتم أيضاً استخدام جهاز الامتصاص في الضوء المرئي وفوق البنفسجي لدراسة الخصائص البصرية للأغشية الرقيقة . أظهرت نتائج جهاز حيود الأشعة السينية للرقائق المنتجة بهذه الطريقة انتظام بلورات مادة أكسيد الخارصين في الاتجاه البلوري(002) كما تم ملاحظة وجود زيادة في حجم بلورات أكسيد الخارصين وزيادة في انحراف زاوية الحيود بزيادة درجة حرارة تسخين الرقائق . كما أظهرت صور المجهر الماسح الالكتروني تكون تراكيب نانوية من المعادن على أسطح جسيمات أكسيد الخارصين ووجدت الدراسة أن كثافة وحجم هذه التراكيب يتغير بتغير درجات الحرارة وزمن الترسيب أما جهاز مجهر القوة الذرية فقد أوضحت أن كلا من أكسيد الزنك والتراكيب النانوية على سطحه تكونت بشكل أعمدة نانوية أما جهاز الامتصاص في الضوء المرئي وفوق البنفسجي فقد وضح تغير في قيمة طاقة الفجوة بتغير درجة الحرارة. الطريقة الثانية التي استخدمت في تعديل سطح أكسيد الخارصين تمثلت في تغيير طبيعة سطح أكسيد الخارصين من خلال أكسدة مادة الخارصين المحضر بجهاز الرش المهبطي عند تراكيز منخفضة جدا للأكسجين ، تم حساب قيمها بناء على قوانين الديناميكا الحرارية. إنً عملية التحكم بتركيز الأكسجين تمت من خلال التحكم بكمية الهيدروجين وبخار الماء التي يتم إدخالها إلى فرن التسخين. أظهرت نتائج جهاز حيود الأشعة السينية تحول رقائق الخارصين إلى أكسيد الخارصين وذلك بتسخين هذه الرقائق عند درجة حرارة أعلى من 200 درجة مئوية عند تراكيز منخفضة من الأكسجين أما جهاز الماسح الإلكتروني فقد بين وجود فروقات واضحة في الطبيعة الشكلية لأسطح الرقائق التي تم تسخينها. تم في هذه الدراسة أيضاً استخدام الأغشية الرقيقة المنتجة بالطريقتين أعلاه لصناعة متحسسات غازية ، وتم التركيز في هذه الدراسة على غاز الهيدروجين وغاز ثاني أكسيد النيتروجين وغاز الأمونيا. نتائج هذه الدراسة أوضحت أن جميع الأغشية الرقيقة المنتجة قادرة على الكشف على غاز الهيدروجين ؛ إلا أن الأغشية الرقيقة لأكسيد الخارصين المعدل سطحه بتراكيب نانوية من مادة البلاتين أظهرت استجابة عالية حتى عند التراكيز المنخفضة جداً (حوالي جزء من بليون جزء) مقارنة بغيرها من الأغشية الرقيقة . تم في هذه الدراسة أيضاً دراسة تأثير درجة الحرارة في كفاءة تحسس غاز الهيدروجين ، وقد بينت الدراسة وجود علاقة قوية بين كفاءة التحسس ودرجة الحرارة ؛ ففي حين كانت درجة الحرارة الملائمة للكشف عن غاز الهيدروجين لأكسيد الخارصين المعدل سطحه بمادة الفضة و مادة الذهب 400 ° م كانت الحرارة المناسبة لتحسس نفس الغاز لأكسيد الخارصين المعدل بالبلاتين عند 300 º م. تم في هذه الدراسة أيضاً دراسة تأثير زمن ترسيب البلاتين على سطح أكسيد الخارصين (سمك طبقة البلاتين على سطح مادة أكسيد الخارصين) ؛ و وجدت الدراسة أن فاعلية الكشف تزداد كلما قل زمن الترسيب تم أيضاً مقارنة تحسس أكسيد الخارصين النقي المحضر بالطريقة الأولى مع أكسيد الخارصين المحضر بالطريقة الثانية ؛ و وجد أن زمن الاستجابة في الحالة الثانية (أكسيد الخارصين المحضر بأكسدة الخارصين في كميات قليلة من الأكسجين) أسرع.

English Abstract

The work reported in this dissertation focuses on:(a) modifying the surface of ZnO-based thin films, and (b) assessing the effect of modification on their gas sensing applications. The films were made by a sputtering process. For this, two appraoches were employed. In the first method, the sputtered films were modified by incorporating noble metals, such as, Ag, Au or Pt, in the following three sequential steps. First, ZnO thin films were fabricated by DC reactive sputtering. Then, an ultra-thin layer of the noble metal M (M = Ag, Au or Pt) was deposited on the ZnO surface. Finally, M/ZnO films were annealed at different temperatures to obtain nanostructured morphology of M on the thin films. This strategy also resulted in uniformly dispersed metal nanoparticles on the metal oxide surface. The size and interparticle distance was controlled by parameters such as deposition time and annealing conditions (temperature-time). A number of techniques such as X-ray diffraction (XRD), Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM) Atomic Force Microscopic (AFM), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), and UV-Vis were employed for the characterization of these films. The XRD data of the as-synthesized and annealed ZnO thin films revealed a preferential orientation along its c axis (002) and a peak-shift to higher diffraction angle after heat treatment. The grain size was calculated using Scherrer equation. It showed a systematic increase with increasing annealing temperature. The FE-SEM images showed that the size and density of the metal nanoparticles on the surface of ZnO thin films can be controlled by deposition time and annealing treatment. In each case, the growth of a thin layer of the noble metal and its continuity on the ZnO surface was confirmed from the FE-SEM images and XPS depth profiling. The optical properties were measured by UV–Vis spectrophotometry which showed reduction in the optical band gap in the post-annealed samples. For comparison, the sputtered Zn thin films were oxidized at very low oxygen partial pressure (PO2), created experimentally by different H2/H2O mixtures at different temperatures. The microstructural features of ZnO in this case were notably influenced by H2/H2O ratio and the annealing temperature. The gas sensing behavior of the M/ZnO films toward H2 was studied. The results showed that the films exhibited good response towards H2 even at very low concentration (close to ppb level). Among them, the performance of Pt/ZnO film was the most promising with the highest response and shortest response time. The optimum temperature of operation of the Pt/ZnO sensor was 300 ºC while for those with Ag or Au was 400 ºC. In the case of the ZnO thin films prepared by DC reactive sputtering of Zn film, oxidized in H2/H2O mixture, there was no significant change in their response toward H2 gas detection. However, this response time was shorter.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Physics
Department:	College of Engineering and Physics > Physics
Committee Advisor:	Yamani, Zain
Committee Members:	Aly Kawde, Abdel-Naseer and Ziq, Khalil and Ayub, Sardar and El-Said, Ayman
Depositing User:	Qasem Drmosh (g200505850)
Date Deposited:	08 Jun 2016 08:53
Last Modified:	01 Nov 2019 16:34
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140017