حسگرهای گازی نیتروژن دی اکسید با پایه گرافن

حسگرهای گازی نیتروژن دی اکسید با پایه گرافن – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه شیمی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

حسگرهای گازی نیتروژن دی اکسید با پایه گرافن

چکیده

در این تحقیق، نشان داده ایم که گرافن می تواند مولکولهای NO_x را در دمای اتاق به صورت انتخابی جذب / واجذب نماید. دوپ کردن (نوعی رسوبگذاری) شیمیایی با مولکولهای NO_x ، رسانایی لایه‌های گرافن را تغییر می دهد که این تغییر به وسیله بررسی خصوصیات جریان- ولتاژ در غلظت‌های مختلف گاز NO₂ تعیین می شود. این نکته معلوم شده است که سرعت جذب سطحی از سرعت واجذب سطحی بیشتر است که این امر می تواند به واکنش روی داده در سطح لایه های گرافن نسبت داده شود. هنگامی که از محیط  ۱۰۰ ppm NO₂استفاده شود، حساسیت ۹% می باشد. حسگرهای گازی با پایه گرافن، پاسخ سریع، برگشت پذیری خوب، انتخاب پذیری و حساسیت بالایی را نشان می دهند. بهینه سازی طراحی این حسگرها و تکمیل با UV- LEDs و میکروالکترونیک سیلیکونی راه را برای توسعه حسگرهای گازی در اندازه نانو، که فوق العاده حساس نیز هستند، باز خواهد نمود.

کلمات کلیدی: گرافن، حسگرهای گاز، نیتروژن دی‌اکسید

حسگرهای گازی نیتروژن دی اکسید با پایه گرافن

۱- مقدمه

اخیرا، گرافن به علت داشتن نانوساختار کربنی دو بعدی منحصر به فرد در یک شبکه شانه عسلی به عنوان یک ماده بسیار مهم، برای کاربرد در نانوالکترونیک، الکترونیک انعطاف پذیر، حسگرها و سلولهای خورشیدی، پدیدار شده است ]۳-۱[ . ویفرهای پوشیده شده از یک، دو یا چند لایه گرافن (FLG) می توانند با استفاده از تکنیکهای فوتولیتوگرافی متداول تهیه شوند. در مقابل، ابزارهای مبتنی بر نانوسیمها، نانومیله ها و نانولوله های کربنی غالبا جهت ساخت به لیتوگرافی پرتو الکترونی گسترده یا تکنیکهای پرتو یونی متمرکز نیاز دارند. برای تهیه ورقه های گرافن، چندین روش ابداع شده که مشتمل بر” روش نوار چسب اسکاچ ” که شامل ورقه ورقه شدن مکانیکی  ساده، کاهش گرافن اکسید(GO)، بازپخت سیلیکون کاربید در خلا با دمای بالا و تکنیک رشد همبافته می باشد ]۷-۴[ . نانولوله های کربنی (CNT ها) که نانوساختار کربنی یک بعدی دارند، نتایج بسیار اطمینان بخشی راجع به حسگری گازهای سمی نظیر NH₃ ، O₂ و NO₂ نشان داده اند ]۹و۸[ . شدین و همکارانش گزارش دادند که گرافن می تواند NO₂ ، NH₃ ، H₂O و CO را نیز جذب نماید و می تواند مولکولهای منحصر به فرد باغلظتهای خیلی کم را شناسایی کند ]۱۰[ . در این تحقیق، فرایند ساخت ساده ای را برای ساختن دو اتصال فلزی به FLG به کار برده ایم که ما را قادر می سازد جریانهای الکتریکی را هنگام استفاده از محیط های مختلف بررسی کنیم. شناسایی گاز NO_x بسیار مهم است زیرا این گاز یکی از عمومی ترین آلاینده های هواست که از کمپلکسهای صنعتی و اتومبیلها آزاد می شود و این نکته معلوم شده که بیماریهای دودی و ریوی نظیر آسم ایجاد می کند ]۱۱[ . بنابراین، نیاز مبرمی به توسعه شناساگرهای NO_x کوچک، دارای توان مصرفی پایین و قابل حمل با حساسیت بسیار بالا به ویژه برای استفاده در مناطق شهری وجود دارد. در این تحقیق، درمی یابیم که رسانایی FLG به وسیله فرایند جذب سطحی/ واجذب سطحی مولکولهای NO_x   در حد قسمت در میلیون (ppm ) تغییر می کند.

حسگرهای گازی نیتروژن دی اکسید با پایه گرافن

۲- جزییات تجربی

گرافن به وسیله ورقه ورقه کردن مکانیکی گرافیت پیرولیتی بسیار منظم (HOPG) تهیه می شود ]۱[ . لایه های گرافن بر روی یک سوبسترای SiO₂/Si که قبلا تعریف شده و در آن، ضخامت SiO₂ رشد کرده به صورت گرمایی nm 300 می باشد، رسوب می کنند. برای اندازه گیری ضخامت گرافن رسوب کرده به روش ” نوارچسب اسکاچ ” استاندارد از میکروسکوپی نیروی اتمی (AFM)  استفاده می شود ]۱[ . با استفاده از این روش معلوم شده که ضخامت لایه های گرافن در محدوده nm 5/3 و nm 5  می باشد که با ۱۰-۷  ورقه گرافن مطابقت دارد. برای تعیین و تشکیل دو اتصال فلزی به لایه گرافن ازتکنیک لیتوگرافی پرتو الکترونی استفاده می شود که به دنبال آن تبخیر پرتو الکترونی Pd/Au (nm 80 /nm 20 ) انجام می شود ( داخل شکل ۱). برای به دست آوردن خصوصیات جریان- ولتاژ در آشکارسازهای گازی دارای پایه گرافن با غلظتهای مختلف گاز  NO₂ که با استفاده از یک آنالیزگر پارامتری ۴۱۵۵C Agilent از ppm 500 تا ۱% تغییر می کند، ازابزارهای دارای پایه گرافن استفاده می شود. برای انجام این آزمایشها سیلندرهای گازی با غلظتهای ppm 100 ، ppm 500 و ۱% از گاز NO₂ خریداری شدند.

حسگرهای گازی نیتروژن دی اکسید با پایه گرافن

۳- نتایج و بحث

شکل ۱ نمودار شماتیک آزمایشهای حسگری گازی استفاده شده در این تحقیق را نشان می دهد. مولکولهای گازی NO₂ بسته به شرایط محیط بر روی سطح گرافن جذب/ واجذب می شوند ]۱۴و۱۰[ . زانگ و همکارانش گزارش دادند که سه پیکربندی جذب سطحی امکانپذیر است : پیکربندیهای نیترو، نیتریت و حلقه افزایی ]۱۴[ . افزایش رسانایی می تواند به انتقال بار میان مولکولهای NO₂ و گرافن نسبت داده شود که در آن مولکولهای NO₂ به عنوان پذیرنده عمل می کنند (شکل ۲) ]۱۴و۱۲و۱۰[ . این مکانیسم تحت عنوان دوپ کردن شیمیایی به وسیله مولکولهای گازی نامیده می شود. مکانیسم حسگری CNT ها کاملا معلوم شده، ]۱۳[ و عقیده بر این است که خواص جذب سطحی/ واجذب سطحی SWCNT به گرافن مشابه آن است ]۱۲[ . علاوه بر این، هنگامی که مولکولهای گازی NO₂ برای این سیستم تامین نمی شوند، مقاومت افزایش می یابد.

گرافن یک ماده بسیار جذاب برای استفاده در حسگرهای گازی است زیرا هنگامی که از یک تک لایه گرافن استفاده می شود، نیمی از مساحت سطح کل آن در معرض هوای محیط قرار می گیرد. به علاوه، گرافن انعطاف پذیر، شفاف و رسانا می باشد. علاوه بر این، طراحی پل هوایی در جایی که تمام اتمهای کربن در معرض هوای محیط قرار می گیرند می تواند برای افزایش حد آشکارسازی حسگرهای گازی با پایه گرافن مورد استفاده قرار گیرد. ابزارهای با پایه گرافن می توانند به آسانی با میکروالکترونیک سیلیکونی پیشرفته تکمیل شوند. حساسیت مخلوط های گازی مختلف نیز می تواند با استفاده از فلزات خاکی نادر که در حسگرهای گازی با پایه CNT به کار می روند، اصلاح شوند. با بهینه سازی دیودهای نشر دهنده نور UV (LED ها) توسط ابزارهای گرافنی توانایی بالایی برای توسعه حسگرهای قابل حمل NO₂ با پایه گرافن با پاسخ/ بازیابی سریع، که می توانند گازهای با غلظتهای کم در حد یک قسمت در بیلیون را شناسایی کنند، وجود دارد ]۱۰[ .

حسگرهای گازی نیتروژن دی اکسید با پایه گرافن

۴- نتیجه گیری

قابلیت کاربرد حسگرهای گازی با پایه گرافن با به کارگیری مکانیسم انتقال بار میان مولکولهای NO₂ و گرافن نشان داده شده است. انتخاب پذیری تحت محیط های گازی هوا و NO₂ مورد بررسی قرار گرفته است. بعلاوه، این حسگر گازی جدید مبتنی بر گرافن، هنگامی که محیط حالت تناوبی و تغییر می‌یابد، تکرارپذیری خوبی را نشان می دهد. سرعت جذب سطحی بسیار بیشتر از سرعت واجذب سطحی است که علت آن انجام واکنش بر روی سطح گرافن می باشد. حساسیت در غلظت ppm 100 از گاز NO₂ به میزان ۹% است که می تواند با بهینه سازی ساختار حسگر و با استفاده از یک تک لایه گرافنی بهبود بیشتری یابد.