Senzory plynů na bázi diamantu a 2D vrstev

Abstract

Disertační práce se zabývá tenkými vrstvami nanokrystalického diamantu (NCD) a 2D vrstvami na bázi dichalkogenidu přechodných kovů (TMD) a uhlíku pro aplikace v oblasti detekce plynů. Práce se zaměřuje na výzkum těchto materiálů a jejich kombinace pro použití jako aktivní neboli snímací vrstvy ve vodivostních senzorech plynů s interdigitální strukturou (IDT). Důraz je kladen na zlepšení citlivosti při pokojové teplotě. Naměřené charakteristiky a parametry jsou porovnávány s jinými dostupnými senzory, komerčními i laboratorně připravenými. Materiálový výzkum zahrnuje základní materiály i složité heterostruktury kombinující dva různé materiály, které mají zlepšit citlivost na plyny. Každá struktura je charakterizována. Model interakce s plynem popisuje rozdíly v principech snímání těchto senzorů plynů. Práce je sepsána jako komentovaný soubor autorových publikací s doplňujícím textem.První část práce je zaměřena na charakterizaci vodíkem zakončeným NCD (H-NCD) bez modifikace a jeho porovnání s komerčními senzory TGS 826 a PY2055. Práce obsahuje přípravu struktury, popis měřicí aparatury, popis komor a model interakce materiál molekula plynu. Dále obsahuje kritickou diskusi mezi mechanismy snímání plynů pro H NCD a TGS 826.Druhá část se zaměřuje na zlepšení citlivosti H-NCD vrstvy porovnáním reakcí NCD s různou velikostí zrn, různým zakončením (H-NCD a O-NCD) a pokrytím povrchu nanočásticemi zlata (Au NPs). Au NPs zlepšily citlivost na oba plyny snížením jmenovitého odporu, čímž se zvýšila relativní odezva senzoru. Zlepšení detekce plynů se vysvětluje snížením odporu bariéry mezi zrny NCD prostřednictvím elektricky vodivých ostrůvků Au NPs.Třetí část představuje novou heterostrukturu kombinující H-NCD a TMD materiál disulfid molybdenu (MoS2). Kombinace těchto dvou materiálů výrazně zlepšuje citlivost na plyn při pokojové teplotě, zejména vytvořeným p-n přechodem citlivým na molekuly plynu. Tato heterostruktura také snižuje spotřebu energie kvůli absenci topného prvku.Poslední čtvrtá část práce popisuje heterostrukturu na bázi uhlíku kombinující H-NCD a modifikovaný oxid grafenu (GO), konkrétně redukovaný (rGO) nebo funkcionalizovaný thiolovou skupinou (SH GO). Heterostruktura SH-GO / H-NCD výrazně zlepšuje citlivost na výpary ethanolu při pokojové teplotě a dosahuje až 634 % pro koncentraci 100 ppm. Oba materiály vykazují vodivost typu p a klíčovým faktorem, který vede k vysoké citlivosti na přítomnost plynu, je přechodová mezivrstva mezi oběma materiály.

This dissertation thesis deals with nanocrystalline diamond (NCD) thin films and 2D layers based on transition metal dichalcogenide (TMD) and carbon for gas sensing applications. The research focuses on studying these materials and their combination as the active (sensing) layer in gas conductivity sensors with interdigital structure (IDT). The emphasis of the study is on improving the response to gases at room temperature. The measured characteristics and parameters are compared with laboratory and commercially available sensors. The presented studies range from basic materials to complex heterostructures combining two different materials to improve the gas response are presented in this work. Each sensing-structure is characterized, and a gas interaction model is provided to describe the differences in sensing principles for these conductivity sensors. This work is a commented collection of the author's publications with a linked text.The first part of the study focuses on the characterization of hydrogen-terminated NCD (H-NCD) without modification and its comparison with commercial sensors, specifically the TGS 826 and the PY2055 at temperatures ranging from 40 °C to 125 °C. The part includes preparing the structure and H-NCD, describing the measuring apparatus and chambers, and a model of the material - gas molecule interactions. In addition, it contains a critical discussion between the gas sensing mechanisms for H NCD and TGS 826 The second part focuses on improving the H-NCD layer by comparing the responses of NCDs with their different grain sizes, different terminations (hydrogen and oxygen-terminated), and surface coverage with gold nanoparticles (Au NPs). The Au NPs improved the responses to both gases by reducing the nominal resistance, thereby increasing the relative response of the sensor, particularly at 125 °C. The gas-sensing enhancement is explained by reducing the barrier's resistance between the NCD grains via Au NPs electrically conductive islands.The third part introduces a novel heterostructure consisting of H-NCD and the TMD material molybdenum disulfide (MoS2). This materials combination significantly improves the gas response at room temperature, attributed to the formed p-n junction sensitive to gas molecules. This heterostructure operated at room temperature also reduces power consumption due to the absence of a heating element.The last fourth part of the study describes a carbon-based heterostructure combining H NCD and modified graphene oxide (GO), specifically reduced (rGO) and thiol-functionalized (SH-GO). The SH-GO / H-NCD heterostructure significantly improves the response to ethanol vapor at room temperature, achieving a 634 % response at 100 ppm concentration. Even though both materials exhibit p-type conductivity, the between them seems to be a key factor resulting in high sensitivity to gas presence.