Environmental nanotechnology: Building of sensor devices for the detection of hazardous gases at low concentrations

Abstract

This research focuses on the growth of zinc oxide (ZnO) thin films and their incorporation into chemiresistor sensors used for the detection of hazardous gases at low concentrations. Research areas such as environmental nanotechnology study these types of devices due to their low cost of production and use. Furthermore, thin films with nanometric scales have been shown to enhance important properties becoming significant components in sensing devices. Zinc oxide is intensely used due to its high sensitivity as transductor material for the detection of several gases of environmental concern. The zinc oxide thin films were created using a physical vapor deposition technique known as radiofrequency magnetron sputtering. Oxygen and argon gases were used for the creation of the plasma in a technique known as reactive sputtering. Oxygen: argon ratios of 30, 50, and 70% and sputtering powers of 50, 100, 150, and 200 Watts were used for the deposition. The films were deposited directly on glass and silicon oxide substrates, on electrospun fibers, and on a commercial platform that was used to test their electrical response when subjected to partial pressures of potentially hazardous gases such as hydrogen (H2) and nitrogen dioxide (NO2). The samples were characterized using profilometry to determine the thickness of the film as a function of deposition time, oxygen-argon ratio, and sputtering power. X–ray diffraction was used to characterize the crystallinity that corresponds to the zinc oxide wurtzite structure with a preferred growth of the (002) plane perpendicular to the substrate. Samples prepared under different deposition parameters were used to test their electrical responses in the presence of the above gases. Samples made out of thin films and nanoshells showed a response between 5 and 81%.

Esta investigación se enfoca en el crecimiento de películas delgadas de óxido de zinc (ZnO) y su incorporación en sensores químico-resistivos que se utilizan para la detección de gases peligrosos a bajas concentraciones. Áreas de investigación, como la nanotecnología ambiental, estudian este tipo de dispositivos debido a su bajo costo de producción y de uso. Además, se ha demostrado que las películas finas a escalas nanométricas mejoran propiedades importantes de los dispositivos de detección. El óxido de zinc es utilizado para este tipo de aplicaciones debido a su alta sensibilidad como material transductor para la detección de varios gases de interés ambiental. Las películas finas de óxido de zinc se crearon utilizando una técnica deposición física de vapor conocida como pulverización catódica de magnetrón de radiofrecuencia. Los gases de oxígeno y argón se utilizaron para la creación del plasma en una técnica conocida como pulverización catódica reactiva. Para la deposición, se utilizaron razones de oxigeno:argón de 30, 50 y 70% y potencias de pulverización catódica de 50, 100, 150 y 200 vatios para la deposición. Las películas finas se depositaron directamente sobre sustratos de vidrio y óxido de silicio, sobre fibras electrohiladas, y en una plataforma comercial que se utilizó para probar su respuesta eléctrica cuando se sometieron a presiones parciales de gases potencialmente peligrosos como hidrógeno (H2) y dióxido de nitrógeno (NO2). Las muestras se caracterizaron utilizando profilometría para determinar el grosor de la película fina en función del tiempo de deposición, potencia y razón de Oxígeno-Argón. Se utilizó la técnica de difracción de rayos x para caracterizar la cristalinidad del material depositado que corresponde a la estructura de wurtzita de óxido de zinc con un crecimiento preferencial del plano (002) perpendicular al sustrato. Se utilizaron muestras preparadas con diferentes parámetros de deposición para probar sus respuestas eléctricas en presencia de los gases mencionados anteriormente. Muestras de nanocascaras y películas finas mostraron una sensitividad entre 5 y 81%.