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Master's Dissertation
DOI
Document
Author
Full name
Yormary Nathaly Colmenares Calderon
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2018
Supervisor
Committee
Mastelaro, Valmor Roberto (President)
Fonseca, Fernando Josepetti
Orlandi, Marcelo Ornaghi
Title in English
The effect of morphology and cobalt concentration on the sensing properties of zinc oxide sputtered films
Keywords in English
Gas sensor
Ozone
Sputtering
Thin film
Zinc oxide
Abstract in English
The use of semiconductor materials applied in gas sensing devices is currently one of the most researched topics in air quality control and environmental protection. The research is focused on the production of new sensing materials with improved detection limits, selectivity, working temperatures and response times of the known semiconductor materials. Although theoretical models show the great importance of morphology on gas detection, a direct relation between structure size/morphology and the gas sensing properties has not been experimentally established. In this work, Radio Frequency-sputtering method is used to deposit and produce zinc oxide thin films from ceramic and metallic targets, in which the latter are submitted to thermal oxidation to obtaining ZnO porous films. The samples are deposited on platinum interdigitated electrodes and the electrical behavior is analyzed when exposed to ozone. The effects of feature size and film porosity are studied regarding the enhancement of sensor performance. The results show sensors with small features and low porosity present low ozone sensitivity and fast response; while greater features in highly porous films exhibit low sensitivity and slower responses. The optimum sensing performance is found to be somewhere between when the apparent surface area available for adsorption is maximized and the best ozone response is registered. On the other hand, the electrical behavior of doped films when exposed to ozone demonstrates cobalt presence plays a fundamental role. By inserting cobalt, we could improve the sensor response by 62% under the same conditions. However, the increase of doping concentration modify the zinc oxide conductivity to p-type and drastically decrease the sensor response due to the possible formation of cobalt oxide segregates. Our results propose RF sputtering deposition as a versatile technique in the production of semiconductor gas sensors, once high porosity and, therefore, sensitivity can be controlled through the deposition of metals, and dopants, followed by thermal oxidation.
Title in Portuguese
Efeito da morfologia e concentração de colbato nas propriedades sensoras dos filmes de óxido de zinco depositados por sputtering
Keywords in Portuguese
Sputtering
Filme fino
Óxido de zinco
Ozônio
Sensor de gás
Abstract in Portuguese
O uso de materiais semicondutores aplicados como dispositivos sensores é atualmente um dos tópicos mais pesquisados na área de controle da qualidade do ar e proteção ambiental. As pesquisas são focadas na produção de novos materiais sensores com limites de detecção, seletividade, temperaturas de trabalho e tempos de resposta, melhores que as apresentadas pelos materiais já conhecidos. Embora os modelos teóricos mostrem a grande importância da morfologia na detecção de gases, uma relação direta entre a estrutura, tamanho/morfologia e as propriedades sensoras não tem sido experimentalmente estabelecida na literatura. Neste trabalho, sputtering de rádio frequência é utilizado para depositar e produzir filmes finos de oxido de zinco a partir de alvos cerâmicos e metálicos, em que o último é submetido à oxidação térmica para obter filmes porosos de ZnO. As amostras são depositadas em interdigitados de platina e foi estudado o seu comportamento elétrico quando é exposto a ozônio. Os efeitos de tamanhos de estrutura e porosidade dos filmes são estudados em relação à melhoria da resposta sensora. Os resultados obtidos mostram que os sensores com tamanhos de estrutura menores e baixa porosidade apresentam baixa sensibilidade e rápidas respostas; no entanto, as estruturas maiores em filmes altamente porosos exibem baixas sensibilidades e maiores tempos de resposta. O melhor desempenho sensor encontra-se em um ponto médio em que a aparente área superficial para adsorção é maximizada e é registrada a melhor reposta ao ozônio. Por outro lado, o comportamento elétrico dos filmes dopados demonstrou que a presença de cobalto desempenha um papel fundamental. Com a inserção de cobalto, a resposta sensora foi melhorada em 62% sob as mesmas condições de medida. Porém, o aumento das concentrações de cobalto modificou a condutividade do oxido de zinco para comportamentos tipo-p e diminuiu drasticamente a resposta do sensor, devido a possível segregação de óxido de cobalto. Os nossos resultados propõem o método de deposição RF-Sputtering como uma técnica versátil na produção de sensores semicondutores para gases, uma vez que a porosidade e assim a sensibilidade pode ser controlada por meio da deposição de metais e dopantes seguido por oxidação térmica.
 
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Publishing Date
2019-06-05
 
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