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Nov 11, 2023

Risposta di rilevamento del gas del fascio ionico irradiato Ga

Scientific Reports volume 12,

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 22351 (2022) Citare questo articolo

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I film sottili di ZnO drogato con gallio modificato indotti da fasci ionici sono studiati per le loro applicazioni di rilevamento dei gas. I film sottili di ossido di zinco drogato con gallio irradiati Ag9+ e Si6+ sono stati esposti a varie concentrazioni di etanolo e gas acetone per applicazioni di rilevamento del gas. Il sottile ZnO drogato con Ga irradiato con ioni Ag9+ è stato ottimizzato a diverse temperature operative. È stato osservato che la risposta di rilevamento del gas sia per l'etanolo che per l'acetone aumenta con l'aumento della fluenza degli ioni Ag9+. Ciò indica che gli ioni pesanti veloci hanno migliorato la sensibilità del film sottile di ZnO contenente Ga riducendo la dimensione delle particelle. I film sottili di ZnO drogati con Ga e irradiati con ioni Si6+ sono stati esposti anche a gas di etanolo e acetone per applicazioni di rilevamento del gas. Rispetto alla pellicola sottile irradiata con ioni Ag9+, la pellicola irradiata con il fascio ionico Si6+ mostra una maggiore risposta di rilevamento sia all'etanolo che al gas acetone.

Il crescente interesse della comunità di ricerca nel campo dei sensori di gas è dovuto alla necessità di un ambiente di lavoro umano sicuro, privo di gas velenosi, sgradevoli e combustibili. I gas organici volatili come acetone, etanolo e ammoniaca sono noti come inquinanti interni. L'inalazione di questi gas oltre il limite consentito potrebbe non essere sicura per gli esseri umani. È diventato quindi fondamentale rilevare la presenza di questi gas nell'ambiente umano1. Pertanto, l’interesse principale è rivolto allo sviluppo di sensori di gas selettivi altamente sensibili e a risposta rapida. I sensori di gas basati su semiconduttori a ossido di metallo sono considerati una delle migliori opzioni grazie ai loro numerosi vantaggi, tra cui basso costo, dimensioni ridotte, tempi di risposta e ripristino rapidi, fabbricazione semplice ed elevata compatibilità con l'elaborazione microelettronica2,3. La scoperta della nanotecnologia ha aumentato la possibilità di reinventare procedure e opzioni per un ulteriore perfezionamento in termini di risposta di rilevamento e selettività dei sensori di gas a base di ossido di metallo. Uno dei principali vantaggi delle nanoparticelle semiconduttrici di ossidi metallici è il loro elevato rapporto superficie-volume. Poiché la risposta di rilevamento dipende fortemente dalla superficie dei materiali esposti ai gas, si prevede che il sensore basato su nanostrutture a film sottile supererà il sensore bulk3.

L'ossido di zinco (ZnO) è uno dei più importanti semiconduttori di ossidi metallici con un'elevata energia di legame degli eccitoni pari a 60 meV e un gap energetico a banda larga di 3,37 eV a temperatura ambiente4. A causa della sua abbondanza in natura e delle eccezionali proprietà elettriche e ottiche, ha un'ampia gamma di applicazioni in dispositivi elettronici e optoelettronici come finestre per celle solari, dispositivi a onde acustiche superficiali e applicazioni di rilevamento del gas5,6,7,8,9. Il film sottile di ZnO è più appropriato per le applicazioni di rilevamento dei gas a causa del suo elevato rapporto superficie/volume, che consente l'adsorbimento di più gas per le reazioni superficiali10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21, 22.

L'irradiazione rapida con ioni pesanti (SHI) ha suscitato interesse tra i ricercatori come strumento per modificare le proprietà strutturali, elettriche e ottiche dei materiali, migliorando così notevolmente l'efficienza del dispositivo23,24,25,26. L'irradiazione con fasci ionici non modifica la composizione chimica del materiale, ma crea difetti strutturali che influenzano la concentrazione dei canter di adsorbimento e la capacità di adsorbimento sulla superficie del materiale. È quindi possibile personalizzare le proprietà strutturali, elettriche e ottiche dei materiali target variando l'energia e la fluenza del fascio ionico incidente26,27.

L'obiettivo di questo studio è esplorare le procedure per lo sviluppo di un sensore di gas altamente sensibile per vapori di etanolo e acetone. A questo scopo sono stati analizzati il ​​tempo di risposta e di recupero, la sensibilità e la selettività dei film sottili di ZnO drogati con Ga modificati mediante irradiazione con fascio ionico.