توصيفگر ها :
اكسيد تنگستن , حسگري گازي , گاز هيدروژن , لايه نشاني بخار شعله , نانوساختار , تنگستن , تشديد پلاسمون سطحي , چارچوب آلي فلزي , كايراليتي , انانتيومر
چكيده فارسي :
حسگرهاي گازي نيمرسانا بر پايه نانوساختارهاي اكسيدهاي فلزي از قبيل WO3، از تكنولوژي¬هاي در حال رشد هستند. اصول كاركردي اين حسگرها بر پايه تغيير رسانش لايه حساس در تماس با گازهايي مي¬باشد كه بر روي آن¬ها به صورت سطحي جذب مي¬شوند. اين مواد فعال حسگري بر روي زيرلايه¬هاي عايق الكتريكي همراه با الكترودهايي رسانا لايه نشاني مي¬شوند كه تغييرات رسانش آن¬ها را قابل اندازه¬گيري مي¬گرداند.
مهم¬ترين مشخصه اين حسگرها عبارت از حساسيت بالا، سيگنال ساده (مقاومت)، اندازه كوچك، امكان توليد در مقادير بالا، هزينه پايين، طول عمر بالا و قابليت يكپارچگي با بردهاي الكترونيكي مي¬باشد. تمامي اين قابيلت¬ها آن¬ها را تبديل به تكنولوژي براي آينده مي¬نمايد. اين حسگرها مي¬توانند براي شناسايي گازهاي خطرناك از قبيل H2، CO، SO2، NO2، O3، گازهاي سوختني، H2S، NH3 و گازهاي آلي سبك مورد استفاده قرار بگيرند.
مشكل اصلي اين حسگرها فقدان گزينش پذيري و حساسيت نسبت به تمامي گازهاي اكسنده و كاهنده مي¬باشد. از اين رو تلاش¬ها براي توسعه مواد حساس با گزينش پذيري بالا همزمان با حفظ حساسيت، در حال انجام است.
WO3 به دليل خواص جالب توجه شيميايي و فيزيكي، يكي از نامزدهاي مورد توجه در به¬كارگيري به عنوان ماده حساس درون حسگرها مي¬باشد. با اين حال اصول مكانيسم حسگري نانومواد بر پايه WO3 كمتر شناخته شده و اثرات مربوط به مورفولوژي و اصلاحات سطحي نياز به مطالعات بيشتر دارد. در اين رساله قصد بر اين است كه اثرات شرايط ساخت و در نتيجه مورفولوژي و همين طور اثر اصلاحات سطحي بر روي خواص حسگري نانوساختارهاي اكسيد تنگستن مورد مطالعه قرار داده شود.
به همين منظور روش لايه نشاني بخار شعله (FVD) با استفاده از دستگاهي كه در اين رساله توسعه يافته است به عنوان روشي ساده، كم هزينه و بديع با قابليت كنترل بر خواص سطحي نانوساختارهاي اكسيد تنگستن به كار گرفته و اثر اصلاحات سطحي با افزودن كاتاليست همچون Pd را مورد بررسي قرار گرفت. پارامترهاي مورد بررسي در فرآيند لايه¬نشاني عبارت از فاصله¬هاي نسبي زيرلايه و ميله پيش ماده به نازل شعله اكسي-هيدروژن بود. نتايج بررسي ساختاري نشان دهنده تشكيل موفقيت آميز ساختار اورتورمبيك WO3 بر روي زيرلايه آلومينا بود. همچنين نتايج بررسي ريخت¬شناسي لايه¬ها حاكي از كنترل ضخامت و توليد بخار شعله با فاصله نسبي ميله پيش ماده با نازل سوخت بود. همچنين با ثابت بودن فاصله ميله تا نازل، ضخامت دچار تغيير خاصي نشده و با تغيير فاصله زيرلايه تنها شكل و توزيع انداره ذرات تشكيل دهنده لايه¬ها دچار تغيير مي¬شود.
خواص حسگري گازي در بازه دمايي ºC 100-250 و غلظت¬هاي ppm 1-2500 مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج بررسي خواص حسگري گازي به دست آمده براي حسگرهاي ساخته شده حاكي از توانايي بالاي حسگرها در شناسايي سريع گاز هيدروژن در غلظت-هاي پايين تا ppm 1 مي¬باشد. حسگرها داراي زمان پاسخ و بازيابي مناسب از مرتبه زير s 20 ثانيه بودند. با مقايسه نتايج و انتخاب حسگر با شرايط بهينه كاري (نمونه S1)، ساير خواص حسگري از قبيل پايداري و گزينش¬پذيري مورد بررسي قرار گرفت. اين نتايج حاكي از گزينش¬پذيري مطلوب و پايداري بسيار بالاي حسگر همچنين شناسايي گاز هيدروژن تا غلظت بسيار پايين ppb 75 مي¬باشد.
همچنين در دوره فرصت مطالعاتي در زمينه تركيب چارچوب¬هاي آلي فلزي (MOF) و پلتفرم حسگري SPR به منظور شناسايي كايراليتي مولكول¬هاي دارويي تحقيق به عمل آمد. بدين منظور از بلورهاي TAMOF-1 براي تركيب با حسگرهاي Au در سيستم SPR استفاده شد. اثر محل¬هاي مختلف قرارگيري ذرات از قبيل رونشاني و رشد بر روي لايه حسگر، همچنين قراردادن ذرات قبل از حسگر با استفاده از چيپ¬هاي ميكروفلوييديك مورد بررسي قرار گرفت. نتايج به دست آمده حاكي از نامناسب بودن قرار دادن ذرات بر روي سطح حسگر بود. با تركيب ذرات TAMOF-1 به پلتفرم حسگري با استفاده از طراحي¬هاي ميكروفلوييديك مشاهده شد كه طرح پيشنهادي داراي توانايي تفكيك دو انانتيومر R و S مولكول داروي ايبوپروفن مي¬باشد. به منظور بهينه سازي پايداري ذرات در فرآيند حسگري، يك طراحي ميكروفلوييديك با الهام از سيستم مويرگي رگ¬هاي خونرسان ساخته شد كه با افزايش پايداري ذرات درون كانال¬هاي ميكروفلوييديك، تكرارپذيري پاسخ پلتفرم حسگري در شناسايي انانتيومرهاي R و S بهبود يافت.
چكيده انگليسي :
Semiconductor gas sensors based on metal oxide nanostructures such as WO3 are emerging technologies. The operating principles of these sensors are based on changing the conduction of the sensitive layer in contact with the gases, which are absorbed on their surface. These active sensing materials are deposited on insulating substrates with conductive electrodes, which make their conductivity changes measurable.
These sensors can be used to detect hazardous gases such as H2, CO, SO2, NO2, O3, combustible gases, H2S, NH3 and Volitile Organic Compounds.
The main problem of these sensors is the lack of selectivity and sensitivity to all oxidizing and reducing gases. Therefore, efforts are being made to develop sensitive materials with high selectivity while maintaining sensitivity.
WO3 is one of the candidates for use as a sensitive material in sensors, due to its interesting chemical and physical propertye. In this project, we intend to study the effects of fabrication conditions and consequently morphology as well as the effect of surface modifications on the sensing properties of tungsten oxide nanostructures.
For this purpose, the flame vapor deposition (FVD) method using a device developed in this project is used as a simple, low cost and innovative method with the ability to control the surface properties of tungsten oxide nanostructures and the effect of surface modification by was investigated by adding catalysts like Pd. The parameters studied in deposition process were the relative distances between the substrate and the precursor rod to the nozzle of the oxy-hydrogen flame. The results of structural analysis showed the successful formation of WO3 orthorhombic structure on alumina substrate. In addition, the results of the morphological study of the layers indicated the control of thickness and flame vapor production with the relative distance of the precursor rod to the flamel nozzle. Also, by fixing the distance between the rod and the nozzle, the thickness did not change very much, and by changing the distance between the substrates, only the shape and size of the particles that formed the layers, are changed.
Gas sensing properties were evaluated in temperature range of 100-250 ºC and concentrations of 1-2500 ppm. Obtained results for gas sensing properitis of fabricated gas sensors indicated the high ability of sensors to fast detection of hydrogen gas at concentrations as low as 1 ppm. The sensors had a good response and recovery time of less than 20 s. By comparing the results and selecting the sensor with the optimum operating conditions (sample S1), other sensor properties such as stability and selectivity were investigated. These results indicate the optimal selectivity and very high stability of the sensor as well as the detection of hydrogen gas up to a very low concentration of 75 ppb.
Also during the visiting research period, a study was conducted on the combination of Metal-Organic Frameworks (MOF) with SPR sensor platform to identify the chirality of medicine molecules. For this purpose, TAMOF-1 crystals were used to combine with Au sensors in the SPR system. The effect of different locations of particles such as deposition and growth on the sensor surface, as well as placement of particles before the sensor was investigated using microfluidic chips. The results showed that it was inappropriate to place particles on the sensor surface. By combining TAMOF-1 particles into a sensor platform using microfluidic designs, it was observed that the proposed design has the ability to separate two R and S enantiomers of the ibuprofen molecule. In order to optimize the stability of particles in the sensing process, a microfluidic design was developed inspired by the capillary system of blood vessels, which by increasing the stability of particles within microfluidic channels, the reproducibility of the sensor platform was improved in the identification of R and S enantiomers.