Mikrosenzory plynů založené na samouspořádaných 3D nanovrstvách oxidů kovů - Pytlíček, Zdeněk (Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2017)
Tato disertační práce se zabývá vývojem a výrobou mikrosenzorů plynů s využitím nové trojrozměrné (3D) nanostrukturované polovodivé vrstvy z oxidů kovů, která efektivně využívá výhod anorganických materiálů připravených snadno dostupnými elektrochemickými výrobními technikami bez použití litografie. Citlivá vrstva je vytvořena anodizací kovové dvojvrstvy Al/Nb naprášené na SiO2/Si substrátu skrze masku z porézní anodizované aluminy. Běžně se skládá z 200 nm tlusté vrstvy NbO2 propojující pole k ní kolmo orientovaných a prostorově oddělených Nb2O5 nanosloupků o šířce 50 nm, délce až 900 nm a celkovým počtem přibližně 8109 sloupkůcm-2. Nanosloupky fungují jako polovodivé nanokanálky jejichž rezistivita je vysoce citlivá na reakce probíhající na povrchu a rozhraní vrstvy. V rámci nového uspořádání senzoru byly na povrchu pole nanosloupků připraveny Pt nebo Au strukturované elektrody realizované pomocí běžných mikrotechnologických nebo elektrochemických depozičních technik, následované selektivním odleptáním vrstvy aluminy. Pro charakterizaci detekčních schopností byla struktura senzoru upevněna do standardního pouzdra TO-8 a elektricky propojena s využitím techniky drátového kontaktování. Elektrické charakterizace 3D nanovrstvy z oxidů niobu odhalily asymetrickou závislost vodivosti způsobenou Schottkyho bariérou vzniklou na rozhraní Pt/Nb2O5 nebo Au/Nb2O5. Při detekci vodíku a amoniaku byl zkoumán vliv struktury a složení citlivé vrstvy na elektrické a detekční schopnosti se zaměřením na citlivost, selektivitu, detekční limity a rychlost odezvy/zotavení. Rychlá a intenzivní odezva na H2 potvrdila potenciál využití 3D nanovrstvy z oxidů niobu jako citlivé vrstvy pro senzorické aplikace. Na počítači provedené mikrofluidní simulace difuze plynů do 3D nanovrstvy předpovídají možnost značného zlepšení detekčních schopností použitím perforované horní elektrody, a to optimalizací morfologie vrstvy, úpravou krystalické struktury a vhodnou úpravou návrhu elektrody. Předběžné experimenty prokázaly, že i další 3D nanovrstvy připravené z kovových dvojvrstev jako Al/W mají vysokou perspektivu při využití v pokročilých senzorických aplikacích. Techniky a materiály využité v této práci jsou vhodné pro vývoj technologicky jednoduchého, ekonomického a pro životní prostředí ohleduplného řešení mikro- a nanozařízení, kde použití definovaných nanokanálků pro nosiče náboje a povrchové reakce může přinést značné výhody.

This dissertation concerns the development, fabrication and integration in a gas sensing microdevice of a novel 3-dimensional (3D) nanostructured metal-oxide semiconducting film that effectively merges the benefits of inorganic nanomaterials with the simplicity offered by non-lithographic electrochemistry-based preparation techniques. The film is synthesized via the porous-anodic-alumina-assisted anodizing of an Al/Nb metal bilayer sputter-deposited on a SiO2/Si substrate and is basically composed of a 200 nm thick NbO2 layer holding an array of upright-standing spatially separated Nb2O5 nanocolumns, being 50 nm wide, up to 900 nm long and of 8109 cm2 population density. The nanocolumns work as semiconducting nano-channels, whose resistivity is greatly impacted by the surface and interface reactions. Either Pt or Au patterned electrodes are prepared on the top of the nanocolumn array using an innovative sensor design realized by means of microfabrication technology or via a direct original point electrodeposition technique, followed by selective dissolution of the alumina overlayer. For gas-sensing tests the film is mounted on a standard TO-8 package using the wire-bonding technique. Electrical characterization of the 3D niobium-oxide nanofilm reveals asymmetric electron transport properties due to a Schottky barrier that forms at the Au/Nb2O5 or Pt/Nb2O5 interface. Effects of the active film morphology, structure and composition on the electrical and gas-sensing performance focusing on sensitivity, selectivity, detection limits and response/recovery rates are explored in experimental detection of hydrogen gas and ammonia. The fast and intensive response to H2 confirms the potential of the 3D niobium-oxide nanofilm as highly appropriate active layer for sensing application. A computer-aided microfluidics simulation of gas diffusion in the 3D nanofilm predicts a possibility to substantially improve the gas-sensing performance through the formation of a perforated top electrode, optimizing the film morphology, altering the crystal structure and by introducing certain innovations in the electrode design. Preliminary experiments show that a 3D nanofilm synthesized from an alternative Al/W metal bilayer is another promising candidate for advanced sensor applications. The techniques and materials employed in this work are advantageous for developing technically simple, cost-effective and environmentally friendly solutions for practical micro- and nanodevices, where the well-defined nano-channels for charge carriers and surface reactions may bring unprecedented benefits.
Gas Microsensors Based on Self-Organized 3D Metal-Oxide Nanofilms
Keywords: Anodizace; porézní anodizovaná alumina; polovodivé oxidy kovů; Nb2O5; 3D nanovrstva; senzor plynů; mikroobrábění; modelování; mikrofluidika; vodík; Anodizing; Porous Anodic Alumina; Semiconductor Metal Oxides; Nb2O5; 3D Nanofilm; Gas Sensor; Microfabrication; Modeling; Microfluidics; Hydrogen