單根氧化鋅奈米線一氧化氮氣體感測器製作與吸附動力學研究

Fabrication of a Nitric Oxide Gas Sensor Based on a Single ZnO Nanowire and Study of its Adsorption Kinetics

鄭宜驊(Yi-Hua Jheng)

指導教授 ： 林鶴南

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/碩士(2011年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2011.00027

摘要

本實驗以傳統光學微影技術，製作以單根氧化鋅奈米線為基礎的電阻式氣體感測元件，且架設一套氣體感測系統，並挑選四個具有不同奈米線線徑(半徑分別為75nm、83nm、兩根平行的80nm與60nm，以及220nm)的感測元件，進行一系列的一氧化氮氣體感測實驗，其感測氣體濃度範圍為從最低5ppm到最高25ppm。藉由即時偵測奈米線的電流於感測過程中的下降變化情況，來研究探討其一氧化氮氣體分子化學吸附在氧化鋅奈米線上的行為機制並推算出反應方程式中的重要參數，包含表面氧空缺濃度約為1011 cm-2、吸附速率常數為10-3~10-2 ppm-1 s-1，而脫附速率常數則皆為零值，其零值表示一氧化氮與氧化鋅奈米線的吸附反應在室溫下並無脫附作用的發生。因此，實驗中利用室光照射(約20秒)的方式，就成功將感測過的元件回復到初始的電流值，克服了在因吸附物無法從奈米線表面脫附，而導致元件無法再度使用的缺點。
從實驗結果中，觀察到對於同一根奈米線，當感測氣體濃度越高，則電流降到剩下初始值10 %所需的反應時間就越短，例如半徑為220nm的奈米線，對感測5ppm、15ppm與25ppm的一氧化氮氣體，其從初始電流1μA降到100nA所需的時間分別為50秒、27秒以及17秒，此表示氣體感測元件具有判別不同氣體濃度的能力。而對於感測相同濃度的一氧化氮氣體，觀察到有奈米線線徑越小，反應速度越快的趨勢，例如同為對5ppm作感測，其半徑75nm僅僅只需要4秒電流就降到初始值的10%，而對半徑220nm的奈米線則需要50秒。另外，讓元件做快速的連續氣體感測循環，發現其對相同氣體濃度的反應極為一致，而對不同濃度的反應則有所改變，表示元件穩定性佳，靈敏度高。因此，此氣體感測器具有低成本簡單製程、室溫下可操作、高靈敏度、反應穩定，以及可回復性，對於實際氣體感測應用上有極大潛力。

關鍵字

氧化鋅奈米線 ； 一氧化氮 ； 氣體感測器

並列摘要

無資料

並列關鍵字

ZnO nanowire ； nitric oxide ； gas sensor

參考文獻

[3] C. Li, D. H. Zhang, X. L. Liu, S. Han, and T. Tang, Appl. Phys. Lett. 2003, 82, 1613.

[26] C. C. Liu, J. H. Li, C. C. Chang, Y. C. Chao, H. F. Meng, S. F. Horng, C. H. Hung, and T. C. Meng, J. Phys. D, 2009, 42, 155105.

[16] J. X. Wang, X. W. Sun, A. Wei, Y. Lei, X. P. Cai, C. M. Li, and Z. L. Dong, Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 233106.

[29] C. Soci, A. Zhang, B. Xiang, S. A. Dayeh, D. P. R. Aplin, J. Park, X. Y. Bao, Y. H. Lo, and D. Wang, Nano. Lett. 2007, 7, No. 4, 1003.

[1] N. Yamazoe, Sens. Actuators. B, 1991, 5, 7.