Fabrication technology and characterisation of advanced single nanowire-based metal oxide gas sensors on microhotplates
- Autores: Román Jiménez Díaz
- Directores de la Tesis: Albert Romano Rodríguez (dir. tes.), Francisco Hernández Ramírez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2012
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Carles Cané Ballart (presid.), Juan Daniel Prades García (secret.), Sven Barth (voc.)
- Materias:
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- Resumen
La investigación en materiales cuyas dimensiones se encuentran en el rango de los nanómetros ha permitido aprovechar las nuevas propiedades de estos compuestos, muchas de ellas consecuencia de la elevada relación superficie-volumen. En esta tesis, se ha llevado a cabo una investigación sobre sensores basados en materiales nanoestructurados y, más concretamente, nanohilos ("nanowires") de óxidos metálicos. Los objetivos se encuadran claramente dentro de una visión experimental: la mejora de la aplicación de estos nanohilos como sensores de gas y el desarrollo nuevas técnicas para permitir esta mejora. La tesis se ha estructurado en capítulos agrupándolos según su finalidad.
La primera parte de la tesis se ha dedicado a la mejora de los procesos de fabricación de estos sensores. Así, se exploran diferentes procesos de mejora:
El primero de ellos es el uso de un nuevo precursor inorgánico de platino para depósito mediante sistema FIB (Focused Ion Beam). Este novedoso precursor, Pt(PF3)4, ha sido caracterizado para la fabricación de sensores. Los resultados han mostrado que éste presenta inestabilidad de los depósitos y menos fiabilidad que el precursor estándar de platino utilizado en sistemas FIB.
El siguiente proceso de fabricación a mejorar es el uso de plataformas con capacidades de auto-calentamiento integradas. En este capítulo se explica el diseño de unos nuevos substratos MEMS provistos de calefactores en los que situar y contactar los nanohilos sensores. Además de mostrar una mejor actuación en comparación con similares substratos presentes en la literatura, se ha demostrado la posibilidad de la fabricación in situ de sensores por el método de crecimiento de material sensor sobre el substrato final, demostrando que el proceso de fabricación se puede escalar, reduciendo los costes de éste.
Finalmente, como alternativa al crecimiento in situ de sensores, se ha investigado el uso de dielectrofóresis (DEP) para posicionar los nanohilos sensores en lugares previamente determinados del substrato de sensado. Se analiza la técnica de DEP y se hace un estudio de qué cambios en los parámetros son más efectivos de cara a optimizar el proceso. Finalmente, y de forma novedosa, se ha utilizado la técnica DEP para posicionar nanohilos sensores en substratos MEMS provistos de calefactores especialmente diseñados para esta aplicación, permitiendo la reducción de los tiempos de fabricación de estos sensores.
La siguiente parte de la tesis está dedicada a exponer con la máxima claridad los mecanismos básicos y los modelos que dominan las propiedades de sensado de estos materiales. A partir de las contribuciones más destacadas de la literatura relativas a los mecanismos básicos de detección y el modelo de respuesta, se ha desarrollado un modelo de aplicabilidad para el caso particular de los sensores basados en un único nanohilo. Se han utilizado los resultados experimentales para comprobar la eficacia de los modelos propuestos. Se ha demostrado que el modelo de capa superficial de deplexión de carga permite reproducir los patrones de sensado de estos materiales. Además se ha demostrado que la respuesta de estos sensores se ve afectada por multitud de parámetros del material y del ambiente: dopaje, dimensiones, temperatura, presiones parciales de gases, etc; lo que explica las variaciones en la respuesta de un sensor a otro. Para acabar, se ha finalizado con cierta controversia presente en la literatura, demostrando que el modelo de bandas planas (flat-band) que habitualmente describe sensores de óxidos metálicos basados en capas delgadas de nanopartículas no es adecuado para describir este tipo de sensores basados en un único nanohilo.
Finalmente, en el último capítulo experimental se investigan la capacidad de fotodetección de estos sensores y como ésta se ve afectada por el efecto de la capa de deplexión provocada por el ambiente. Este capítulo muestra que la oxidación de la superficie, y por tanto la creación de una capa de deplexión superficial, mejora la fotodetección de estos materiales por la difusión provocada en los portadores fotogenerados. Finalmente se propone un sistema de detección de oxígeno a bajas concentraciones basados en estos principios.
En definitiva, con el objetivo de mejorar la eficacia de sensores basados en nanohilos, se han explorado la mejora tanto en el proceso de fabricación, como en el proceso de aplicación de estos sensores; aplicando una visión experimental pero sin descuidar la visión teórica del material sensor. Esta visión global ha permitido comprender mejor estos sensores y proponer mejoras para su aplicación.
