Ανάπτυξη συστήματος ανίχνευσης υδρογόνου με βάση λεπτά υμένια NiO και TiO2, και μελέτη λεπτών υμενίων ZnO για την οπτοηλεκτρονική

Abstract

At this thesis the development of a hydrogen sensing system based on NiO and TiO2 thin films and study of ZnO thin films for optoelectronics is studied. For the study of thin films for the application to gas sensors an apparatus was developed. For testing the correct operation of the system, NiO microsensors were studied. In addition, a device for the four-point measurement of resistivity was developed, as resistivity is very important for the determination of a thin film to be applied to optoelectronics. One-layer NiO thin films (p type semiconductor) were grown by Pulsed Laser Deposition (PLD) for their application as the sensing layer to gas sensors. The effect of the deposition parameters on hydrogen sensing was studied (substrate temperature and oxygen pressure during deposition). Since the deposition parameters were optimized, the effect of gold nanoparticles to properties of NiO and hydrogen sensing were studied. The incorporation of nanoparticles to nickel oxide was realized with the two laser-two target PLD method, and the incorporation of gold enhances the hydrogen detection. In order to confirm of the correct operation of the device for the heating and the measurement of resistance for one-layer films that was designed, TiO2 (n-type semiconductor) thin films grown by Sputtering were tested. It was proved that the device works correct independently of the sensing material, semiconduction type and the method that was grown. ZnO thin films were grown by PLD with excimer laser in order to be applied to optoelectronic devices. Two series of samples were grown on different substrates (glass and ΡΕΤ), as these substrates are the usual to the particular application. For every sample series, the effect of oxygen pressure in the vacuum chamber during deposition and the effect of Al and In doping (deposition with compound targets and two laser-two target method) on the optical, electrical, structural and morphological properties was studied. It was found that oxygen pressure is an important parameter and there is an optimum value for the growth of quality films. Finally, the doping of ZnO affects positively in most of the cases and leads to the growth of materials suitable for optoelectronic applications.

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη συστήματος ανίχνευσης υδρογόνου με βάση λεπτά υμένια NiO και TiO2, και μελέτη λεπτών υμενίων ZnO για την οπτοηλεκτρονική. Αρχικά για τη μελέτη των λεπτών υμενίων με στόχο τη χρήση τους σε αισθητήρες αερίων αναπτύχθηκε σύστημα ανίχνευσης (πειραματική διάταξη). Για τη δοκιμή του συστήματος μελετήθηκαν αρχικά μικροαισθητήρες NiO σε προβιομηχανικό στάδιο. Επίσης αναπτύχθηκε σύστημα (μετρητική διάταξη) για τη μέτρηση της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης με τη μέθοδο των τεσσάρων σημείων, καθώς είναι σημαντικό μέγεθος που καθορίζει τη χρήση λεπτών υμενίων σε οπτοηλεκτρονικές διατάξεις. Μονοστρωματικά υμένια NiO (ημιαγωγός τύπου p) αναπτύχθηκαν με τη μέθοδο της Παλμικής Εναπόθεσης με laser με στόχο την εφαρμογή τους ως το υλικό ανίχνευσης σε αισθητήρες αερίων. Μελετήθηκε η επίδραση των συνθηκών εναπόθεσης των υμενίων στις ιδιότητες του NiO και στην ανίχνευση υδρογόνου (θερμοκρασία υποστρώματος και πίεση οξυγόνου στο θάλαμο). Αφού βελτιστοποιήθηκε το υλικό ως προς τις συνθήκες εναπόθεσης, εξετάστηκε η επίδραση νανοσωματιδίων χρυσού στις ιδιότητες του NiO καθώς και στην ανίχνευση υδρογόνου με τη μέθοδο ‘δύο laser-δύο στόχοι’. Η εμφύτευση του χρυσού επιδρά θετικά στην ανίχνευση υδρογόνου. Για την επιβεβαίωση της σωστής λειτουργίας της συσκευής στήριξης, θέρμανσης και μέτρησης της ηλεκτρικής αντίστασης των μονοστρωματικών υμενίων, που σχεδιάστηκε, αναπτύχθηκαν και δοκιμάστηκαν δείγματα TiO2 (ημιαγωγός τύπου n) ανεπτυγμένα με τη μέθοδο της Ιοντοβολής. Βρέθηκε ότι η συσκευή λειτουργεί σωστά ανεξάρτητα από το υλικό ανίχνευσης, τον τύπο αγωγιμότητάς του και τη μέθοδο με την οποία έχει αναπτυχθεί. Στη συνέχεια αναπτύχθηκαν λεπτά υμένια ZnO με τη μέθοδο της Παλμικής Εναπόθεσης με excimer laser πάνω σε γυαλί και τερεφθαλικό πολυεστέρα. Εξετάστηκε η επίδραση της πίεσης οξυγόνου και της εμφύτευσης προσμίξεων μετάλλων Al, In στις ιδιότητες του ZnO και βρέθηκε ότι κάποια υμένια είναι κατάλληλα για την οπτοηλεκτρονική.