23
Proprietatile etanolului imbunatatit de senzitivitate a nanostructurilor cu nucleu de SnO 2 / invelis de ZnO Abstract In cadrul acestei lucrari este prezentata o metoda cu o singura etapa, asistata de carbon, foarte ieftina bazata pe evaporarea termica, care ajuta la analizarea nanostructurilor cu nucleu de SnO 2 si invelis de ZnO, dar sunt prezentate si proprietatile de senzitivitate a etanolului. Structura si fazele nanostructurilor dezvoltate sunt analizate prin metoda scanarii microscopice a campului emis de electroni (FESEM), microscopia transimisiei electronilor (TEM) si difractia razelor X-ray (XRD) si a tehnicilor asemenatoare. Analizele XRD indica faptul ca nanostructurile de gen nucleu-invelis au proprietati cristaline foarte bune. La perioade mai reduse de crestere egale cu 15 minute, se poate observa numai formarea unor nanofire de SnO 2 cu sectiune transversala reactangulara, in timp ce invelisul de ZnO este observat doar cand perioada de crestere este marita la o valoare egala cu 30 de minute. Mecanismul de crestere pentru nanostructura de tip nucleu de SnO 2 / invelis de ZnO si nanofirele de acest tip si nanostructurile hierarchice sunt si ele analizate in cadrul acestui studiu. Senzitivitatea nanostructurilor de tip nucleu de SnO 2 / invelis de ZnO este analizata atunci cand se pune in disctutie senzitivitatea etanolului. Rezultatele arata faptul ca nanostructurile de tip nucleu de SnO 2 / invelis de ZnO depuse la o durata de crestere mai mare de 90 de minute prezinta o senzitivitate mai crescuta in ceea ce priveste etanolul. Nanostructurile de tip nucleu de SnO 2 / invelis de ZnO care tind spre gazul de etanol cu o concentratie de 20 parti per milion la o temperatura de 400 0 C au o senzitivitate de aproximativ 5 ori mai mare decat cea a nanofirelor de SnO 2 . Acesta imbunatatire in ceea ce priveste

sensors-14 - tradus.docx

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: sensors-14 - tradus.docx

Proprietatile etanolului imbunatatit de senzitivitate a nanostructurilor cu nucleu de SnO2 / invelis de ZnO

Abstract

In cadrul acestei lucrari este prezentata o metoda cu o singura etapa, asistata de carbon, foarte ieftina bazata pe evaporarea termica, care ajuta la analizarea nanostructurilor cu nucleu de SnO2 si invelis de ZnO, dar sunt prezentate si proprietatile de senzitivitate a etanolului. Structura si fazele nanostructurilor dezvoltate sunt analizate prin metoda scanarii microscopice a campului emis de electroni (FESEM), microscopia transimisiei electronilor (TEM) si difractia razelor X-ray (XRD) si a tehnicilor asemenatoare. Analizele XRD indica faptul ca nanostructurile de gen nucleu-invelis au proprietati cristaline foarte bune. La perioade mai reduse de crestere egale cu 15 minute, se poate observa numai formarea unor nanofire de SnO2 cu sectiune transversala reactangulara, in timp ce invelisul de ZnO este observat doar cand perioada de crestere este marita la o valoare egala cu 30 de minute. Mecanismul de crestere pentru nanostructura de tip nucleu de SnO2 / invelis de ZnO si nanofirele de acest tip si nanostructurile hierarchice sunt si ele analizate in cadrul acestui studiu. Senzitivitatea nanostructurilor de tip nucleu de SnO2 / invelis de ZnO este analizata atunci cand se pune in disctutie senzitivitatea etanolului. Rezultatele arata faptul ca nanostructurile de tip nucleu de SnO2 / invelis de ZnO depuse la o durata de crestere mai mare de 90 de minute prezinta o senzitivitate mai crescuta in ceea ce priveste etanolul. Nanostructurile de tip nucleu de SnO2 / invelis de ZnO care tind spre gazul de etanol cu o concentratie de 20 parti per milion la o temperatura de 4000 C au o senzitivitate de aproximativ 5 ori mai mare decat cea a nanofirelor de SnO2. Acesta imbunatatire in ceea ce priveste reactia de raspuns a gazului de etanol este atribuita mediilor active de senzitivitate si a efectului sinergetic a incapsularii moleculelor de SnO2 de catre nanostructurile de ZnO.

1. Introducere

Senzorii de gaz care sunt instare solida sunt folositi la gama larga pentru detectarea diferitelor concentratii de gaze toxice si gaze combustibile/inflamabile. Acesti senzori pot fi impartiti in trei mari categorii in functie de mecanismele lor de senzitivitate:

- Senzori de gaz cu electrolit solid;- Senzori de gaz cu semiconductor;- Senzori de gaz cu catalizator inflamabil

Printre aceste tipuri de senzori de gaz, senzorii cu semiconductor bazat pe oxidare joaca un rol foarte important in mai multe intervale de aplicatii, cum ar fi monitorizarea ambientala, siguranta personalului si controlul proceselor industriale. Compusii ZnO, SnO2, WO3, In2O2 si TiO2 sunt studiate intens pentru aplciatiile in domeniul senzorilor detector de gaze. Au fost folosite diferite abordari pentru a imbunatati raspunsul si gradul de selectivitate a acestor oxizi. Aceste aplicatii includ si adaugarea unor metale nobile, introducerea unor atomi straini in

Page 2: sensors-14 - tradus.docx

semiconductorul catalizator, dezvoltarea materialelor senzitive hibride care sunt compuse din sisteme de oxizi metalici de ordi binar sau chiar tertiar, dar si dezvoltarea unor nanostructuri cu diferite morfologii, o suprafata de contact mai mare si o dimensiune mai mica. Printre abordarile folosite, ajustarea nanostructurilor de oxizi prezinta un potential ridicat pentru a imbunatati senzitivitatea si gradul de selectivitate in timpul procesului de detectare a gazului. Utilizarea unei structure de tip nucleu-invelis a prezentat un interes deosebit. Pana in ziua de azi au fost analizate urmatoarele nanostructuri de tip nucleu-invelis: α-Fe2O3/SnO2, GaN/WO3, TiO2/ZnO, CNT/SnO2 multilateral, ZnO/SnO2, CeO2/TiO2, Fe2O3/ZnO, MoO3/TiO3 si Fe2O3/TiO2.

O descoperire importanta a fost facuta de cercetatorii in domeniu care au declarat faptul ca se inregistreaza o imbunatatirea de senzitivitate de cinci ori mai mare pentru senzorii de etanol bazati pe un compus de tip nucleu-invelis de tip TiO2/ZnO in comparatie cu un compus de tip nucleu invelis TiO2. Alti cercetatori au demonstrate ca nanostructurile multilaterale de tip nucleu-invelis de CNT/SnO2 au prezentat o imbunatatire a senzitivitaii a etanolului de la 24,5 ppm pana la 50 ppm. Aceste rezultate au demonstrat faptul ca senzitivitatea imbunatatita a fost generata de dimensiunile reduse a particulelor de SnO2 care s-au format pe partea sunperioara a compusului multistrat numit CNT cat si datorita morfologiei speciale a heterostructurii nucleu-invelis. Cercetatorii au demonstrat ca sezorii bazati pe structura de tip nanofir SnO2 – nucleu/ZnO –invelis au prezentat un raspuns mult mai imbunatatit atunci cand erau expusi la razele UV. Senzitivitatea senzorilor bazati pe nanofire ce contin de la 1 la 5 ppm de NO2 a fost imbunatatita de 2-3 ori daca s-au folosit nanofire din SnO2 sau ZnO in stare pura. Deasemenea senzorii care sunt bazati pe structurile de tip nanofusuri din α-Fe2O3/SnO2 au prezentat o senzitivitate de 17,8 ori mai mare la o concentratie de etanol de 100 ppm, ceea ce insemna de doua ori mai mult decat in cazul in care s-a folosit un senzor bazat pe o structura de gen nucleu-invelis din nanofusuri de α-Fe2O3 in stare pura. Imbunatatirea semnificativa din raspunsul senzorului a fost atribuita structurii sale unice de tip nucleu-invelis.

In acest studio nanofirele de tip nucleu-invelis din SnO2/ZnO si nanostructurile hierarchice sunt pregatite si tratate prin intermediul unui proces de evaporare termica cu o singura etapa asistata de carbon tot procesul avand loc sub presiunea atmosferica ambientala. Fabricarea acestor tipuri de nanostructuri pur si simplu implica evaporarea pudrelor de oxid care se gasesc in comert si care sunt amestecate cu carbonul activ la temperature ridicate intr-o atmosfera de gaz inert. In cadrul acestui proces toate nanostructurile sunt formate direct in starea vaporoasa a metalului catalist, stare care este denumita ca starea de crestere vaporoasa-solida (VS). In unele situatii sunt necesare folosirea conditiilor de vacumare si comanda temperaturilor stricte pentru a putea forma nanofirele in faza vaporoasa, deoarece unele materiale nu pot fi sublimate in conditii de atmosferice normale. O metoda eficienta de a genera vaporii necesari in conditii de presiune atmosferica normala este cea in care se foloseste carbonul activ. Cu ceva timp in urma s-a demonstrat ca formarea compusului de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO pentru nanofire are loc la o crestere cu o durata de 30 de minute iar nanostructurile hierarchice de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO are loc la perioada de crestere de 120 de minute. In cadrul acestui

Page 3: sensors-14 - tradus.docx

studiu, s-a descoperit faptul ca fabricarea nanostructurilor de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO se efectueaza la diferite valori ale perioadei de formare. Senzorii de gaze sunt fabricati folosind aceste nanostructure si sunt testate apoi pentru etanol, hidrogen si gaze din categoria metanelor.

2. Partea experimentala

2.1 Pregatirea Nanostructurilor de tip nucleu SnO2/invelis ZnO

Nanostructurile de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO au fost sintetizate pe partea superioara si pe peretii unui vas din cuart de tip luntre prin metoda de evaporare termica intr-o singura etapa asistata de carbonul activ, asa cum s-a prezentat si mai sus. Pudrele din oxidul de zinc, oxidul de staniu si din carbon activ la un raport de 9:1:10 au fost introduse intr-un recipient de tip luntre dup ace au fost amestecate intr-un bol timp de 8 ore. Apoi, vasul din cuart a fost amplasat in centrul unui tub orizontal de tip furnal. Furnalul a fost incalzit la o temperatura de 900 0 C, iar temperatura a fost mentinuta constanta pentru valori ale perioade de crestere ce variaza intre 15, 30, 60, 90 si 120 de minute, apoi a urmat un proces de racire pana la temperatura egala cu temperatura ambientala. Un gaz accelerator, Argon cu o puritate de 99,99%, a fost suflat apoi la un debit de 25 ml/min in timpul perioadei de crestere. Astfel s-a format o masa pufoasa de culoare alba, pe partea superioara si pe peretii laterali ai vasului de tip luntre, asa cum este prezentat si in Figura 1.

2.2 Caracterizarea procesului

Masa pufoasa alba este recoltata de pe vasul de cuart si este intins pe o banda de carbon pentru caracterizare si analiza. Structura nanostructurilor de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO si a cresterii sale pentru diferite perioade de timp de crestere a fost analizata prin metoda difractiei razelor X (XRD), folosindu-se dispozitiv optic de tip Siemens D-5000 cu un filtru monocromatic de radiatie cu CuKα si cu Ni, cu λ = 1,5406 A. Intensitatea curentului si tensiunea folosite au fost egale cu 40 de mA si 40 kV. Scanarea a avut loc la temperaturi cu valori intre 250 si 750 C, avand un pas de scanare de 0,030/s. microscopia electronica fost folosita pentru a analiza structura si morfologia nanostructurilor de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO. O analiza morfologica a nanostructurii formate a fost efectuata de un dispozitiv de tip Auriga Zeiss Ultra-60, care este un microscop de electron cu camp de emisie de scanare (FESEM). Imaginea de amplificare si distribuita de elemente din nanostructurile de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO au fost obtinute prin folosirea microscoapelor de electroni cu transmisie (microscoape de tip TEM, FEI Tecnai F-20), dotate cu spectroscoape de dispersie a razelor X. Probele din imaginile TEM au fost pregatite prin zgarierea probelor ridicate de pe vasul de cuart, care au fost introduse in apa deionizata, iar apoi au fost supuse unui proces sonic pentru o perioada de 5 minute. Un strop din aceasta suspensie a fost apoi aruncat intr-o grila de cupru acoperita cu un strat de carbon, aceasta grila este formata din 300 de discretizari, process care este realizat prin cu ajutorul unei micropipete.

Page 4: sensors-14 - tradus.docx

2.3 Producerea senzorului si masuratorile

Tiparele pentru fabricarea senzorilor au fost pregatite prin suspensia nanostructurilor dupa cum urmeaza: initial 46% din greutatea atomica de α – terpinol, 8% din greutatea atomica de celuloza etilica si 46% din greutatea atomica de eter dietilena de glicol dibutilic (DGDE) au fost cantarite in mod separat. Apoi, α – terpinolul si DGDE-ul au fost amestecate la temperatura camerei intr-un recipient de sticla. Celuloza etilica a fost adaugata ulterior in acel amestec si a fost incalzit pe o placa pana in momentul in care s-a dizolvat complet. Structurile sintetizate (care cantareau 1 mg) au fost introduse in tipar si au fost supuse unui tratament ultrasonic pentru 5 minute. In final, tiparul a fost invelit prin picurare cu un strat de aluminiu cu dimensiunile de 5 X 5 mm cu un imprimat de Argint pentru a forma un senzor de gaz. Dupa ce s-a uscat la temperatura camerei, senzorul pregatit a fost tratat la o temperatura de 7000 C pentru o perioada de 2 ore. Apoi senzorul a fost introdus intr-un tub furnal orizontal, apoi s-a efectuat o masuratoare senzitiva folosindu-se un gaz ce urma sa fie testat la valori diferite ale concentratiei de gaz, egale cu: 20, 50, 100, 250 si 400 ppm, intr-un mediu de azot N2. Raspunsul senzorului a fost definit ca fiind egal cu (Ra – Rg)Ra, unde Ra si Rg sunt rezistentele masurate in nitrogen si in gazul testat. Timpii de raspuns si de recuperare sunt definite ca timpii necesari senzorului sa atinga 90% din valoarea raspunsului si a semnalelor de recuperare.

3. Rezultatele si analiza lor

Figura 1 prezinta masa alb pufoasa care s-a depus pe puntea de cuart in timpul cresterii nanostructurii. In cadrul acestui proces, vaporul metalic este creat de reactia dintre oxidul de zinc, oxidul de staniu si carbonul activat. Vaporul este transportat cu ajutorul gazului accelerator Ar si este condensat cand ajunge pe marginile si pe partea superioara a vasului de tip punte de cuart. Conform diagramei lui Ellingham posibilele reactii implicate in procesul de crestere al nanostructurilor si temperaturile de depunere prezentate in acest studio sunt exprimate mai jos:

ZnO(s)/SnO2(s) + C(s) Zn(v)/Sn(v) + CO(v)/CO2(v) (1)

Sn(v) + Zn(v) + 3CO(v) SnO2(v) +ZnO(s) + 3C(s) (2)

Page 5: sensors-14 - tradus.docx

Figura 1: Nanostructurile vizibile sub forma unei mase albe pufoase, care se pot oserba cu ochiul liber pe marginile si pe partea superioa a vasului de tip punte din cuart.

3.2 Analiza structurala a nanostructurilor

Difractia XRD si sabloanele nanostructurile (prezentate in figura 2) au confirmat faptul ca nanostructurile de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO au o structura cristalina foarte bine definita. Prin XRD rezulta faptul ca nanostructurile de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO structura tetragonala de bioxid de titan, sau rutil, respective, structura hexagonala de tip sulfit de zin fier. Aceste argumente confirma standaredele de difractie Nr 88-0287 si Nr 79-0208. Unele apogeuri in cadrul procesului de difractie XRD pot forma substraturi de carbon care pot ramane in nanostructura din ramasita de XRD. Nanofirele din SnO2 pur au putut fi identificate doar in cadrul unui proces de crestere redus, intr-un interval de 15 minute. Odata cu marirea duratei procesului de crestere, de la 30 de minute la 120 de minute, intensitatea apogeurilor de ZnO creste si ea, iar prezenta fazei de SnO2 devine neidentificabila. Apogeurile de difractie rapida confirma faptul ca orice faza dispune de proprietati cristaline sporite.

Page 6: sensors-14 - tradus.docx

Intensitatea (a.u.)

Unghiul de difractie (2θ)

Figura 2: Sabloanele XRD ale nanostructurilor de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO obtinute la diferite perioade de crestere: (a) 15 min; (b) 30 min; (c) 60 min si (e) 12 min.

Figura 3 prezinta imaginile FESEM a nanostructurilor de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO crescute la diferite perioade de crestere. Seturile din figura reprezinta imaginile FESEM amplificate a unei nanostructuri individuale. Din Figura 3 este evident ca nanofirele sunt transformate in nanostructuri hierarchice odata cu marirea perioadei de crestere. Sectiunile transversale rectangulare ale nanofirelor pot fi observate cu usurinta, atunci cand perioada de crestere este de 15 minute (Fiura 3a). Morfologiile similare ale nanofirelor de SnO2 au fost analizate si in trecut. Fin Figura 3a se poate osberva ca raportul latime/grosime al nanofirului este de aproximativ 2:1. De fapt, latimea variaza intre 20 pana la 50 de nm, iar lungimea medie este de aproximativ 30 de micrometri. Nanometrele care cresc pentru 30 de minute au o sectiune transversal rotunda, atingand lungimi egale cu cateva zeci de micrometre, iar diametrul sectiunii variaza intre 50 pana la 100 nm (dupa cum se poate observa din Figura 3 b). Figura 3b prezenta imaginea amplificata a unui fir nanmetric circular cu un diamentru de aproximativ 70 nm. Daca perioada de crestere se mareste de la 60 la 120 de minute creste si cantitatea de nanostructuri hierarchice (dupa cum se poate observa din Figurile 3c-e). In acelasi timp lungimea ramurei din nanostructurile hierarchice creste de la 50 la 150 de nm, iar diametrul creste si el in acelasi timp. Pentru pe perioada indelungata de crestere, de 120 de min, toate nanofirele au fost modificate

Page 7: sensors-14 - tradus.docx

complet si transformate in nanostructure hierarchice si ramurile individuale se unesc formand ramuri mai groase (asa cum se poate observa din Figura 3E).

Figura 4 prezinta imaginile TEM pentru nanostructurile de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO care au fost dezvoltate la valori de crestere diferite. Imaginea TEM pentru un nanofir de SnO2

este prezentata in Figura 4a, prezentand faptul ca latimea sa medie este de 40 nm, fiind foarte unforma de-a lungul intregii lungimi a firului. Figura 4b prezinta imaginea TEM pentru un nanofir de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO obtinut intr-o perioada de crestere de 30 de minute. Imaginea prezinta faptul ca diametrul nucleului este de aproximativ 30 nm iar grosimea stratului invelisului este de aproximativ 20 nm. Varfurile catalizatorului nu pot fi observate inca, indicand faptul ca cresetrea nanostructurii nu este vaporoasa-lichido-solida (VLS), ci un proces vaporo-solid (VS). O imaginea TEM cu amplificare redusa a nanostructurii hierarchice care a fost crescuta pentru 120 de minute este prezentata in Figura 4c. Majoritatea ramurilor se rup in timpul scanarii si pregatirii imaginilor TEM, iar aceasta se intampla din cauza aplicarii tratamentului ultrasonic. Se poate observa faptul ca diametrul nanostructurii creste odata cu cresterea perioadei de depunere.

Page 8: sensors-14 - tradus.docx
Page 9: sensors-14 - tradus.docx

Figura 3: Imaginile FESEM pentru nanostructurile de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO obtinute la diferite perioade de crestere: a) 15 min; b) 30 min; c) 60 min; d) 90 min si e) 120 min.

Imaginile marite prezinta detaliile unui singur nanofir.

Page 10: sensors-14 - tradus.docx

Figura 4: Imaginea TEM cu amplificare redusa pentru o singura nanostructura individuala pentru perioade diferite de depunere: a) 15 mn; b) 30 min si c) 120 min.

Un spectru integrat de tip EDS care a fost recoltat de-a lungul unei linii a unei nanostructure de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO aflate sub procesul de crestere de diferite durate sub monitorizare TEM este prezentat in Figura 5, de la punctele a) la d). Se poate observa ca intensitatea elementului Zn creste odata cu cresterea duratei de crestere. Figura 5a prezinta profilul de linie integrat in spectrul EDS pentru perioada de crestere de 15 minute. Se poate observa clar ca doar nanocablurile pot fi observate clar. Spectrul EDS de nanofire de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO crescute pentru 30 de minute sunt prezentate in Figura 5b, prezentand faptul ca se pot observa ambele elemente, atat Sn si Zn, din nanostructuri. Figura 5c prezinta spectrul EDS pentru o perioada de crestere de 120 de minute. Ambele elemente se pot observa in structurile hierachice ale nanostructurii. Totusi doar Zn si O pot fi detectate pentru ramura

Page 11: sensors-14 - tradus.docx

nanostructurii hierarchice, asa cum se poate observa din figura 5d. Asadar se poate observa ca toate ramurile sunt alcatuite din ZnO pur, iar aceste ramuri apar doar in partea superioara a nanostructurilor de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO.

Spectrul integrat EDX

Energia (keV)

Page 12: sensors-14 - tradus.docx

Spectrul integrat EDX

Energia (keV)

Spectrul integrat EDX

Energia (keV)

Page 13: sensors-14 - tradus.docx

Spectrul integrat EDX

Energia (keV)

3.2 Mecanismul de crestere pentru nanostructurile de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO

Intr-o perioada mai redusa de crestere au fst obtinute nanofirele de SnO2, cu o sectiune transversala rectangulara, cum sunt prezentate in Figura 3a. In general, un compus cu o presiune de vaporizare redusa condenseaza mai usor pentru a putea forma un compus solid, fiind comparat cu un compus cu o presiune de vaporizare mai ridicata. S-a demonstrate faptul ca SnO 2

dispune de o presiune de vaporizare mai redusa decat ZnO, la o temperatura de depozitie de 9000C. Din cauza presiunii scazute compusul SnO2 incepe sa se nucleeze primul formand miezul sau nucleul nanostructurii intr-o perioada mai redusa de crestere egala cu 15 min. Daca perioada de crestere creste la 30 de min presiunea partiala a SnO scade deoaree sursa contine in aceasta faza mai mult ZnO. Asa se satureaza vaporii de ZnO, creand conditiile de condensare a compusului Zno, in partea superioara a nanofirelor de SnO2, sub forma unui invelis. Asadar, nanosfirele de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO sunt observate la o durata de depunere de 30 de minute. Mai mult decat atat nanostructurile hierachice sunt observate in cresterea ce depaseste o durata mai mare de 60 de minute, chiar pana la 120 de minute. Acesta crestere poate fi divizata in doua etape. In prima etapa creste nucleul de SnO2, iar in a doua etapa creste invelisul de ZnO. Grosimea stratului de ZnO creste odata cu condensarea vaporilor de Zn, deci, odata cu marirea perioadei de crestere.

Morfologia nanostructurilor depinde de parametrii de crestere, incluzand si temperatura de crestere, cat si cantitatea de materiale de la care incepe procesul. Cercetatorii au descoperit ca

Page 14: sensors-14 - tradus.docx

daca se incepe de la o cantitate de 200 mg de pudra de alumina se favorizeaza cresterea nanfirelor normale de Al2O3, in timp ce o cantitate mai mare de material, de exemplu de 500 mg, poate duce si la formarea nanostructurilor hierarchice. In cazul prezentat o cantitate mai mare de ZnO in cantitatea de start reprezinta un alt motiv pentru care cresterea ramurilor de ZnO survine la o perioada de crestere mult mai mare (de 120 de minute).

3.3 Proprietatile de senzitivitate la gaze pentru nanostructurile de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO

Digrama raspunsurilor pentru nanostructurile de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO in termeni legati de senzitivitatea la anumite gaze la o concentratie fixa de 20 ppm si la temperatura de senzitivitate egala 4000 Ceste prezentata in Figura 6. Se poate observa nanostructurile de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO prezinta o senzitivitate mai ridicata la etanol. Asa cum este prezentat in Figura 6 nanostructurile de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO care au trecut printr-o perioada de crestere egala cu 90 de minute au cel mai ridicat raspuns la etanol. Se poate observa si faptul ca senzorii prezinta un raspuns foarte slab la hidrogen si sunt cel mai sensibili la metan. Selectivitatea coeficientilor este calculate in functie de cel mai inalt raspuns a gazului testat si la celelalte gaze testate. Concluzia comparatiilor diferitelor valori ale senzitivitatii si a selectivitatii, masurate la diferite concentratii si la diferite durate de crestere, este ca aceste valori pot fi imbunatatite pentru anumite tipuri de gaze fara a mai fi nevoie sa se foloseasca anumiti aditivi.

Senzitivitatea

Durata de crestere

Page 15: sensors-14 - tradus.docx

Senzitivitatea

Durata de crestere (s)

Figura 6: (a) Diagrama selectivitatii raspunsului pentru senzori pentru raspunsul la concentratia de 20 ppm de butan, hidrogen si etanol la o temperatura de 4000 C pentru perioade diferite de

crestere a nanostructurilor de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO. (b) Cinci cicluri de caracteristici de recuperare a raspunsului pentru diferite valori ale perioadei de crestere a senzorilor

nanostructurilor de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO care sunt expusi la diferite concentratii de etanol.

Figura 6b prezinta dinamica raspunsului la gaz a nanostructurilor de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO la anumite concentratii egale cu 20, 50, 100, 250 si 500 ppm la o temperatura de 400 de grade. In mod evident nanostructurile hierachice de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO prezinta o sensibilitate mai mare la etanol, pe care nu o poate prezenta doar SnO2. Imbunatatirea performantei senzitivitatii la gazul etanol poate fi atribuita suprafetei de cotant mai mare a structurii hierarchice. Se poate observa din Figura 6b ca atunci cand se expune la gazul cu o concentratite de 200 ppm etanol raspunsurile devin 6,1, 20,4, 22,5, 31,9 si 17,3 pentru nanostructurile de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO pentru duratele de raspuns egale cu 15, 30, 60, 90 si 120 de minute. Rezultatele au aratat ca senzitivitatea optima poate fi atinsa cand nanostructurile au fost supuse unei perioade de crestere de 90 de minute. Asadar, nanostructurile crescute pentru o perioada de 90 de minute prezinta o senzitivitate de 5 ori mare buna, decat in cazul cresterii pentru o durata de 15 minute a compusului individual SnO2, care la randul sau prezenta o senzitivitate foarte buna.

Page 16: sensors-14 - tradus.docx

3.4 Mecanismul de senzitivitate a gazului pentru nanostructurile de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO

In conformitate cu rezultatele prezentate mai sus, senzorii care utilizeaza nanostructurile de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO prezinta imbunatatiri ale proprietatilor de senzitivitate la etanol, in comparatie cu proprietatile firelor individualre de SnO2 care sunt supuse unui tratament de crestere de 15 minute. Imbunatatirea proprietatilor de senzitivitate poate fi legata de nanostructurile de tip nucleu/invelis. Compusii ZnO si SnO2 sunt semiconductori de tip n cu diferite latimi de banda, cu diferite afinitati ale electronilor si diferite functii de lucru. Asa cum se poate observa din Figura 4 b o heterojonctiune s-a format la interfata dintre nucleu si invelis. Figura 7 diagrama posibila a benzii de energie a nanostructurilor de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO fabricate deja.

Page 17: sensors-14 - tradus.docx

Figura 7: Diagrama benzii de energie a (a) SnO2 si ZnO si (b) a nanostructurilor de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO.

Concluzii

In concluzie, un dispozitiv cu o sensibilitate foarte ridicata pentr detectarea etanolului la o temperatura de 4000 C a fost produs folosindu-se nanostructurile de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO prin metoda de evaporare termica cu un singur pas, asistata de carbon. Pentru o crestere optima de 90 de minute a nanostructurilor de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO se obtine cea mai buna senzitivitate (o valoare de 31,9 la o concentratie de 200 ppm), ce mai buna valoare a selectivitatii (Ketanol/metan atinge valoarea de 32 pentru o valoare de 20 ppm) si un raspuns rapid si un comportament de recuperare la o temperatura egala cu 4000 C. Asadar, nanostructurile de tip nucleu-SnO2/invelis-ZnO care sunt pregatite printr-o metoda usoara de farbicare reprezinta metode fiabila si promitatoare pentru detectoarele de etanol care trebuie sa aibe anumite performante. Aceast imbunatatire a timpului de raspuns la etanol este atribuita suprafetei active mai mari de contact pentru interactiunile de tip gaz-solid si a efectului sinergetic de incapsulare a compusului SnO2 in invelisuri de ZnO.