Příprava a charakterizace nanostrukturovaných materiálů pro elektronická čidla senzorů plynů

David John Dmonte, M.Sc.

Doctoral thesis

Preparation and characterisation of nanostructured materials for electronic gas sensor devices

Abstract:

Disertační práce se věnuje především tématům výzkumných studií ve třech oblastech: studie senzoriky oxidu zinečnatého, studie feritu bizmutu a studie oxidu zinečnatého a vanadičnanu chromitého. Ve studiích snímání oxidu zinečnatého, byl materiálový tisk použit pro přípravu interdigitů a ultra tenkých aktivních senzorových vrstev na různé tenké polymerní fólie a prefabrikované senzorové substráty. Na těchto substrátech byly připraveny ZnO nanostruktury pomocí hydrotermálního růstu. Role polyethyleniminu byla studována pro dosažení co nejlepšího termálního růstu a požadované délky nanostruktury, a za účelem vylepšení poměru délky a šířky nanostruktury a redukce aglomerací. Tento materiál byl charakterizován pomocí analytického vybavení dostupného na CPS a tyto nanostruktury byly potaženy pomocí poly[1-phenyl-2-[p-(trimethylsilyl)phenyl]acetylene] (PTMSDPA) a dále byly studovány jejich vlastnosti jako senzoru. Odezva těchto struktur na vybraný plyn (páry ethanolu) byla měřena v testovacím systému vlastní konstrukce. Při studiu senzoru z feritu vizmutu byl metodou sol-gel připraven nanomateriál a jeho verze dopovaná stronciem. který byl poté nanesen (metodou drop-casting) na prefabrikované platformy průmyslového senzoru TO-39, aby bylo možné zkoumat vlastnosti tohoto materiálu perovskitového typu pro analýzu plynu pomocí testovacího systému sensoru plynu s vysokým průtokem. Bylo provedeno také testování křížové senzitivity se skupinou vybraných plynů a byla demonstrována linearita kalibrační křivky na cílový plyn v ověřeném koncentračním rozsahu. Byla testována selektivita, citlivost, opakovatelnost, doba odezvy a zotavení vůči zvolenému cílovému plynu NO2. Byl diskutován možný mechanismus odezvy senzoru na testovaný plyn. Při studiu senzoriky vanadičnanu chromitého byl nanomateriál připraven metodou koprecipitace. poté byl nanesen (metodou drop-casting) na průmyslově prefabrikované platformy senzoru TO-39, aby se studovaly jeho odezvy na plyny, jako reprezentanta skupiny materiálových systémů ABO4 pomocí testovacího systému sensoru plynu s vysokým průtokem. Bylo provedeno také testování křížové senzitivity se skupinou vybraných plynů a byla demonstrována linearita kalibrační křivky na cílový plyn v ověřeném koncentračním rozsahu. Byla testována selektivita, citlivost, opakovatelnost, odezva a doba zotavení vůči zvolenému cílovému plynu NH3. Byl diskutován možný mechanismus odezvy senzoru na testovaný plyn včetně studie ohybu elektronových pásů. Souhrnem, i přes počáteční úspěchy v oblasti digitálního tisku elektroniky byla nakonec zvolena jednodušší metoda přípravy sensorů plynů založených na originálních nanostrukturovaných materiálech. Byly úspěšně aplikovány v senzorech vykazujících přiměřenou senzitivitu, selektivitu a opakovatelnost odezvy na elektron akceptorní a elektron donorní plyny, reprezentované NO2 a NH3. Připravené vzorky senzorů se i bez použití drahých kovů vyznačovaly lepšími nebo alespoň stejně dobrými parametry než jejich obdoby popisované v současné literatuře.

Abstract:

In the doctoral thesis, research studies in three areas primarily are reported, Zinc oxide sensing studies, bismuth ferrite sensing studies and chromium vanadate sensing studies. In zinc oxide sensing studies, inkjet material printing is used to print interdigitate electrodes and ultra-thin active sensing layers on various polymer thin foils and prefabricated testing sensor substrates. Hydrothermally grown ZnO nanostructures were prepared on top of printed prefabricated sensor substrates. The role of polyethyleneimine is studied to control thermal growth and achieve the desired nanostructure length to improve the aspect ratio and reduce agglomerations of the nanostructures. This material was characterized by in-house analytical equipment, and the ZnO nanostructures were further coated with poly[1-phenyl-2-[p-(trimethylsilyl)phenyl]acetylene] (PTMSDPA) to study their sensing ability. It was utilized for preliminary gas sensing in a custom gas testing system towards selected target gas (ethanol vapours). In bismuth ferrite sensing studies, the nanomaterial and its doped version using strontium was prepared using sol-gel method. The material was then characterized by all in-house characterization techniques. It was then drop cast on prefabricated industrial sensor platforms TO-39 to investigate this perovskite material?s gas sensing properties using a high flow rate gas sensing testing system. Cross-testing was also performed with a group of selected gases, and the linearity of the calibration curve was demonstrated towards the target gas within the verified concentration range. It was tested for selectivity, relative response, sensitivity, repeatability, response, and recovery times towards selected target gas NO2. The plausible sensing mechanism was discussed. In chromium vanadate sensing studies, the nanomaterial was prepared using the co-precipitation method. The material was then characterized by all In-house characterization techniques. Then, it was drop cast on prefabricated industrial sensor platforms TO-39 to study its gas sensing properties as a representative of ABO4 material systems using a high flow rate gas sensing system. Cross-testing was also performed with a group of selected gases, and the linearity of the calibration curve was demonstrated towards the target gas within the verified concentration range. It was tested for selectivity, relative response, sensitivity, repeatability, response and recovery times towards selected target gas NH3. The plausible sensing mechanism and band bending study were discussed. To summarize, despite preliminary achievements in digitally printed devices, a simpler fabrication technique was finally adopted to prepare gas sensors based on original nanostructured materials. The work succeeded in the preparation of sensors with reasonable sensitivity, selectivity and response repeatability towards electron-withdrawing and electron-donating gasses represented by NO2 and NH3, respectively. Moreover, even without using noble metals in the structure of the sensor samples demonstrated better or at least comparable parameters than their analogues reported in contemporary literature.

Keywords

inkoustový tisk, nanočástice, ferit bizmutu, vanadičnan chromitý, senzory plynu

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 3. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 16. 5. 2024

Tomas Bata University in Zlín

Tomas Bata University in Zlín

Doctoral programme / field:
Nanotechnology and Advanced Materials / Nanotechnology and Advanced Materials