التخصص: الفيزياء

التخصص الدقيق: علوم المواد وفيزياء النانو

المستخلص: من أجل الحفاظ على صحة الناس وسلامة البيئة، يجب تكثيف الجهود نحو تصنيع مستشعرات الغاز التي يمكن أن تعمل بكفاءة في درجة حرارة الغرفة (RT). في هذا السياق، زاد الاهتمام بتطوير مستشعرات الغاز القائمة على أكاسيد موصلة شفافة (TCOs) مطعّمة بالعناصر الأرضية النادرة . (REs) في هذه الدراسة، تم تصنيع أفلام ZnO المطعّمة باللانثانوم (La-doped ZnO) باستخدام تقنيتي التشريب الكيميائي (sol-gel) والطلاء بالدوران (spin-coating). كشفت تحليلات حيود الأشعة السينية (XRD) عن بنية سداسية لأفلام ZnO، مع نمو مفضل في الاتجاه (002). انخفض حجم البلورات من 33.21 إلى 26.41 نانومتر مع زيادة محتوى La إلى 4.0 at.%. كشفت تحليلات الأشعة فوق البنفسجية - المرئية - الأشعة تحت الحمراء القريبة (UV-Vis-NIR) أن الأفلام تتمتع بشفافية عالية (> 80%)، كما أن تطعيم La عزز قدرة الأفلام على حجب الأشعة فوق البنفسجية وقلّص فجوة النطاق البصري (Eg) من 3.275 إلىeV 3.125. بالإضافة إلى ذلك، أثر تطعيم La على معامل الانكسار للعينات. تم إجراء قياسات استشعار الغاز عند درجة حرارة الغرفة (30°C) ورطوبة نسبية (RH) 30%، مع استخدام معدلات تدفق مختلفة لغاز ثاني أكسيد الكربون (CO₂) ممزوجًا اصطناعيًا مع الهواء. من بين المستشعرات التي تم تقييمها، أظهر المستشعر ZnO: 4.0 at.% La أكبر استجابة للغاز، حيث بلغت 114.22% عند معدل تدفق 200 SCCM من غاز CO₂ . بالإضافة إلى ذلك، كانت زمن الاستجابة 24.4 ثانية، بينما بلغ زمن الاسترداد 44 ثانية. الأداء الفائق الذي أظهره المستشعر يجعله مناسبًا جدًا لمجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية. علاوة على ذلك، تم تقييم تأثير الرطوبة، الانتقائية، قابلية إعادة الاستخدام، القابلية للتكرار، حدود الكشف والتحديد.

Abstract: For the sake of people’s health and the safety of the environment, more eforts should be directed towards the fabrication of gas sensors that can operate efectively at room temperature (RT). In this context, increased attention has been paid to developing gas sensors based on rare-earth (RE)-doped transparent conducting oxides (TCO). In this report, lanthanum-doped zinc oxide (La-doped ZnO) flms were fabricated by sol–gel and spin-coating techniques. XRD analysis revealed the hexagonal structure of the ZnO flms, with preferred growth along the (002) direction. The crystallite size was decreased from 33.21 to 26.41 nm with increasing La content to 4.0 at.%. The UV–vis–NIR indicating that the flms are highly transparent (˃ 80%), La-doping increased the UV blocking ability of the flms and narrowed the optical band gap (Eg) from 3.275 to 3.125 eV. Additionally, La-doping has infuenced the refractive index of the samples. Gas sensing measurements were performed at ambient temperature (30 °C) and a relative humidity (RH) of 30%, employing diferent fow rates of carbon dioxide (CO2) gas used synthetically with air. Among the evaluated sensors, the ZnO: 4.0 at.% La sensor exhibited the most signifcant gas response, with a value of 114.22%. This response was observed when the sensor was subjected to a fow rate of 200 SCCM of CO2 gas. Additionally, the sensor revealed a response time of 24.4 s and a recovery time of 44 s. The exceptional performance exhibited by the sensor makes it very appropriate for a wide range of industrial applications. Additionally, we assessed the efect of humidity, selectivity, reusability, repeatability, detection limit, and limit of quantifcation.

الحالة: محكم ومنشور

جهة التحكيم: Springer

دار النشر: Springer

سنة النشر: 2023