Zastosowanie nanostruktur półprzewodników szerokoprzerwowych w układach do pomiaru i detekcji wybranych gazów

Tytuł:

Zastosowanie nanostruktur półprzewodników szerokoprzerwowych w układach do pomiaru i detekcji wybranych gazów

Doktorant:

Marcin Procek

Promotor:

prof dr hab. inż. Tadeusz Pustelny

Promotor pomocniczy:

dr inż. Erwin Maciak

Recenzenci:

prof. dr hab. inż. Zbigniew Bielecki - Wojskowa Akademia Techniczna - recenzja 

dr hab. inż. Domink Dorosz, prof. PB. - Politechnika Białostocka - recenzja 

Dziedzina nauk technicznych. Dyscyplina naukowa:

elektronika

Data obrony rozprawy:

27 września 2016 r.    (zaproszenie )

Data nadania stopnia:

27 września 2016 r.

Streszczenie:

Niniejsza rozprawa doktorska podzielona jest na trzy części. Pierwsza część omawia analityczne metody pomiaru stężeń gazów, sensory gazów i urządzenia wspomagające detekcję gazów. Druga część skupia się na półprzewodnikach o szerokiej przerwie energetycznej ze szczególnym uwzględnieniem ditlenku tytanu (TiO2) i tlenku cynku (ZnO) oraz ich nanostruktur. Badania własne autora, przedstawione w trzeciej części pracy, opisują sensory gazów dwóch typów (rezystancyjne i grawimetryczne) na bazie ZnO i TiO2 oraz prekoncentrator gazów na bazie nanostruktur TiO2. W tej części pracy omówiono procesy syntez nanostruktur TiO2 i ZnO o różnych morfologiach. Materiały te posłużyły do wykonania omawianych sensorów i prekoncentratora. Zsyntezowane nanostruktury scharakteryzowano z wykorzystaniem takich metod pomiarowych jak skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM), spektroskopia Ramana i dyfraktometria rentgenowska (XRD). W ramach niniejszej pracy doktorskiej opisano procesy technologiczne prowadzące do wytwarzania sensorów rezystancyjnych i QCM na bazie nanostruktur półprzewodników szerokoprzerowych. Omówiono stanowiska pomiarowe i ich części składowe, a także procedury pomiarowe, z których korzystano podczas testów sensorów i prekoncentratora. Sensory rezystancyjne zostały wykonane w oparciu o wszystkie otrzymane materiały w celu porównana ich odpowiedzi na gazy (NO2, NH3 i H2) o różnych koncentracjach oraz zmiany poziomu wilgotności mieszaniny gazowej. Badania tych sensorów prowadzono w atmosferze dwóch różnych gazów nośnych: azotu oraz powietrza w celu zbadania wpływu tlenu na ich działanie. W oparciu o wybrane nanostruktury ZnO opracowano czuły sensor NO2, który może w temperaturze pokojowej. Przeprowadzono szczegółowe badania wpływu temperatury oraz promieniowania elektromagnetycznego na oddziaływania wykonanych sensorów ZnO z gazami. Oszacowano optymalną temperaturę pracy sensora oraz dobrano źródło promieniowania UV (LED) pozwalające na aktywację nanostruktur ZnO w temperaturze pokojowej. Wykazano, że dobór warunków zewnętrznych określa parametry sensora takie jak: czułość, selektywność oraz czasy odpowiedzi i regeneracji. Sensory QCM na bazie nanostruktur TiO2 omawiane w niniejszej pracy zostały zsyntezowane w oparciu o opatentowaną metodę. Wykonane warstwy receptorowe czujników scharakteryzowano wykorzystując SEM i spektroskopię Ramana. Opracowano komorę pomiarową umożliwiającą pracę wykonanych sensorów oraz zestawiono stanowisko pomiarowe do ich testowania. Testy sensorów wykazały, że są one czułe na niskie koncentracje NO2 w temperaturze pokojowej oraz na pary nitrogliceryny, która jest popularnym materiałem wybuchowym. W rozprawie omówiono także konstrukcję prekoncentratora, którego złoże stanowiły nanostruktury TiO2. Zaprezentowano układ pomiarowy, który wykorzystano do testów prekoncentratora oraz opracowaną procedurę jego kondycjonowania i pracy. Badania wykazały, że nanostruktury TiO2 nadają się do zatężania NO2 o niskich koncentracjach, a także par materiałów wybuchowych (na przykładzie nitrogliceryny). Wykazano, że prekoncentrator ten można zastosować do rozszerzenia zakresu pomiarowego sensorów komercyjnych oraz opracowanych na potrzeby niniejszej pracy doktorskiej (na przykładzie sensora QCM) poprzez zwiększenie ich granicy wykrywalności.