Share
تحضير ودراسة خصائص اوكسيد الخارصين ذو التراكيب النانوية وتطبيقاته في التحسس == Synthesis and Studying Characterizations of ZnO nanostructures and its Sensor Applications
Author name:
اسامة عبد العزيز داخل الخفاجي
General topic:
Physics
Specific topic:
Nuclear and Environmental Physics
Degree:
Doctorate
University:
Mustansiriyah University - College Of Science
Language:
English
University location:
Baghdad
First pages:
26T1784 - p.pdf
Abstract:
تم تحضير اوكسيد الخارصين بتراكيب نانوية مختلفة بوسطة تقنيات تحضير مختلفة : التبخير البسيط, طريقة كيميائية, طريقة هايدروثيرمال. هذه التقنيات لها عدة ميزات مفضلة مثل قلة الكلفة, لا تتطلب طاقة كثيرة, مكونة من اجهزة بسيطة وتكون امنة للبيئة وتعطينا نواتج بمواصفات عالية.كل هذه التقنيات تعطينا مسحوق اوكسيد الخارصين بتراكيب نانوية متنوعة لذلك ظهرت الحاجة لترسيب هذه المساحيق على شكل اغشية سميكة لبناء نبائط ذات تراكيب نانوية, تبعا لهذه الحاجة فقد تم استخدام طريقة الطباعة على الشبكة لترسيب مسحوق اوكسيد الخارصين النانوي على قواعد مختلفة. ان طريقة الطباعة على الشبكة هي تقنية بسيطة تستخدم لترسيب اغشية سميكة متجانسة مع التصاقية جيدة عند درجات حرارة قليلة.تم طباعة اغشية سميكة محضرة بطرق متعددة على قواعد متنوعة لاستخدامها في عدة فحوصات هذه الاغشية تم تسخينها الى 500 ˚C للتخلص من جميع المواد العضوية المستخدمة في هذه الطريقة. تم فحص هذه الاغشية السميكة بتقنيات مختلفة لدراسة خصائصها الفيزياوية كالتركيبية, البصرية والكهربائية. ان طريقة التبخير البسيط تعطينا تراكيب مختلفة (قضيب نانوي, مسامير نانوية, وردة نانوية, رباعي الارجل وشبيه الطائرة). الطريقة الكيميائية تنتج لنا طبقات هرمية نانوية من اوكسيد الزنك, بينما طريقة الهايدروثيرمال اعطتنا قضبان نانوية. ان هذا التنوع في التراكيب يؤثر مباشرة في الخصائص الفيزياوية للاغشية المحضرة. الخصائص البصرية لهذه الافلام اظهرت لنا شفافية جيدة وتعتمد بقوة على سمك الغشاء. كذلك فان حسابات معامل الامتصاص اكدت ان جميع الاغشية لها انتقال مباشر. ان حسابات التالقية الضيائية (PL ) اظهرت ازاحة زرقاء وزيادة في فجوة الطاقة مما يؤكد على القياس والتركيب النانوي الذي تم الحصول عليه. تم دراسة الفحوصات الكهربائية, قياسات الDC اظهرت ان اغشية اوكسيد الخارصين السميكة لها طاقتي تنشيط منخفضة وان هذه الاغشية لها مقاومية تتراوح بين (100 - 300 Ω.CM) بينما دراسة خصائص الI - V لجميع الافلام المحضرة اكدت سلوك شبه الموصل فاظهرت زيادة غير خطية في التيار في حالة الانحياز الامامي, بينما اظهرت زيادة قليلة جدا في الانحياز الخلفي.كذلك تم حساب معامل التقويم وعامل المثالية للاغشية المحضرة.تم بناء نبائط من مفرق اوكسيد الخارصين/السليكون (p - Si/n - ZnO) من اجل استخدامها في تطبيقات كمتحسسات للغازات وكواشف ضوئية, جميع الاغشية المحضرة اظهرت استجابية جيدة كمتحسسات للغازات وككاشف لاشعة UV.تم دراسة تغير المقاومية والتوصيلية للاغشية المحضرة لكواشف UV بعد تعريضها لضوء بطول موجي (370 nm) من مصباح زينون ذو قدرة واطئة (6 مايكرواط) وجميع الاغشية اظهرت انخفاضا في المقاومية وزيادة في التوصيلية اثناء تعريضها للضوء.بعد ذلك تم قياس تيار الاضاءة وتيار الظلام لنبائط n - Zno/p - Si لكل الظروف المحضرة وبانحياز امامي (0.1V) وباضائية (370nm) لقياس الاستجابية والكشفية، كانت الظروف المثالية لطريقة التبخير البسيط هي للاغشية المحضرة بمعدل جريان (200sccm) بينما للطريقة الكيميائية كانت افضل ظروف للاغشية المحضرة ب (PH=9). بينما حصلنا على افضل استجابية بواسطة الافلام المحضرة بطريقة الهايدروثيرمال.كل الاغشية السميكة اظهرت استجابة جيدة عند تعرضها لغاز الامونيا وغاز ثاني اوكسيد النتروجين عند درجة حرارة الغرفة لتراكيز مختلفة (100 - 250ppm) بسبب تاثير القياس النانوي للنواتج التي حصلنا عليها من هذه الطرق. تم ملاحظة انتقائية لغاز الامونيا على حساب غاز NO2 لجميع الاغشية المحضرة.افضل ظروف تحضير بطريقة التبخير البسيط كان للاغشية المحضرة بمعدل جريان 200sccm وافضل ظروف للطريقة الكيميائية للاغشية المحضرة PH=9 ياتي بعدها الاغشية المحضرة بطريقة الهايدروثيرمال، كذلك تم دراسة تاثير اضافة TiO2.تم تحديد افضل درجة حرارة لعمل المتحسس وقياس التحسسية عند تراكيز مختلفة ووجد ان افضل درجة حرارة لعمل المتحسسات تتراوح بين (200 - 250C0) وهذا يدل على ان التراكيب ذات القياس النانوي تساهم في تخفيض درجة حرارة عمل المتحسس ZnO. | ZnO nanostructures were synthesized with different techniques : - Simple evaporation, chemical and hydrothermal methods. These techniques have many preferable properties such as low cost, low power request, simple apparatus, and safety for environment with high quality products. All these techniques give us ZnO nano powders with different structures so a need to deposit these powders as thick films to build devices with nanostructures according to this need so screen print method was used to deposit ZnO nano powders on different substrates. Screen print method is a simple technique used to deposit homogenous thick films at low temperature with good adhesion.ZnO casting with different preparation methods were screen - printed on different substrates for several purposes and testing, and then heated to 500 C˚ to eliminate all the organic materials. The thick films were characterized with different techniques to study their physical properties such as structural, optical and electrical properties. The simple evaporation method provided us with a variety in structure (Nano rods, nano nails, nano flowers, tetrapods and plain - like). The chemical method produced hierarchal nano layers, while the hydrothermal method produced nano rods. This variety in structures directly affects the physical properties of the prepared films. The optical properties of these films show a good transparency depending on the thickness of the films strongly (2 - 6 µm) and the calculations of absorption coefficient indicate that all the films have a direct transition. The PL measurements for these films show a blue shift indicating an increasing in energy gap and the nano scale of the obtained structures. Electrical measurments was studied, the D.C measurements show that ZnO thick films have two low activation energies and the prepared thick films have a resistivity ranging between (100 - 300Ω.cm) while the I - V characterization of all films indicate that semiconducting behavior and show nonlinear increasing in current at forward bias as well as a very small increasing in the reverse bias. Also the ideality and rectifier factors were estimated and discussed. ZnO/Si devices for all conditions were built as a gas sensor and a photo detector. For UV detection the change of the surface resistivity and conductivity under illumination of (370nm) Xe - lamp with low power (6µW/cm2) were studied and all films show decreasing in resistivity due to illumination. Then the Iph and Id current were measured under bias(0.1 v) for n - ZnO/p - Si for all conditions to measured responsivity and detectivity, for simple evaporation method, the optimal condition obtained is due to films prepared with 200 sccm flowrate, while the optimal condition for chemical method was obtained due to films prepared with value of PH= 9. The best responsivity is due to the films prepared by hydrothermal method. All films show a good response for Ammonia and NO2 gases detection at room temperature for different concentrations (100 - 250 ppm) due to the effect of nano sized products obtained by these methods. Higher response to Ammonia gas upon NO2 gas was observed for all conditions.Also the effect of mixing TiO2 was studied. Sensitivity and operating temperature at different concentrations were measured and studied and found that the operating temperature range between (200 - 250C˚) indicating that nano size structures enhance in lowering the operating temperature for ZnO films.
