A Novel Sensor Concept for Selective and Self-Powered Gas Detection

Abstract

Les tecnologies de sensors de gas basades en semiconductors presenten limitacions importants de selectivitat i consum d'energia. Per tant, esdevé necessari l’assaig de nous conceptes de dispositius capaços de satisfer aquests dos requeriments per aplicar-los en plataformes mòbils. En aquesta tesi es presenta una tecnologia de sensors altament selectiva i autònoms des d’un punt energètic, incloent la seva avaluació experimental i l’anàlisi dels mecanismes físico-químics de detecció subjacents. S´han fabricat materials nano-híbrids, basats en nanofils inorgànics (NWs), funcionalitzats amb monocapes “auto-acoblades” (SAMs). A la dissertació es mostren les extraordinàries característiques en termes de selectivitat i sensibilitat de gas que exhibeixen aquests materials; els estudis teòrics són consistents amb les observacions experimentals disponibles i permeten identificar l'estructura electrònica dels orbitals moleculars de frontera SAM, que és el paràmetre crucial per a garantir una interacció eficaç entre el sensor i els gasos. A més a més, es presenta un nou concepte de sensor autònom sobre la base d'una heteroestructura p-Si/n- ZnONW que respon exclusivament a la llum solar sense necessitar d’altres fonts d'energia externes. Els canvis de la tensió de circuit obert (alfa-Voc), que s’utilitzen per controlar la presència d'espècies de gasos, mostren una correlació directa amb la densitat de portadors de càrrega (Nd) al nanofil de n-ZnO. Finalment, es presenta l’aplicació de tècniques de microfabricació en el disseny d’un dispositiu que integra els conceptes de selectivitat i autonomia energètica, capaç per tant de detectar concentracions de NO2 rellevants per a aplicacions de seguretat (nivell de ppb) sense la necessitat de fonts d'energia externes. La mida compacta, la baixa demanda d'energia i la robustesa de la tecnologia fan que el concepte de sensor que aquí es presenta sigui molt prometedor per a la seva integració futura en plataformes electròniques mòbils.

Contemporary semiconductor based gas sensor technologies could already prove their high sensitive characteristics but exhibit crucial debilities in terms of target selectivity and power consumption. As both criteria have to be fulfilled for the application in mobile sensor platforms, new device concepts are needed. Within the here presented thesis the development of a highly selective and self-powered as well as experimental evaluations and analysis of the underlying sensing mechanisms are presented. First, hybrid nano materials are fabricated, based on inorganic nanowires (NWs) functionalized with self-assembled monolayers (SAMs), and show extraordinary characteristics in terms of gas selectivity and sensitivity. Theoretical mechanistic studies are consistent with the experimental observations and identify the electronic structure of the SAM frontier molecular orbitals as crucial parameter for efficient sensor-gas interactions. Furthermore, a novel self-powered sensor concept is presented based on a p-Si/n-ZnO NW heterostructure that is solely driven by solar light and without the need of external energy sources. Changes of the open cirquit voltage (alpha-Voc) that are used to monitor the presence of gas species are shown to correlate with the charge carrier density (Nd) within the n-ZnO NW upon gas-sensor interactions. Finally, microfabrication techniques are applied to unify the selective and self-powered concepts within a single sensor device that is capable to selectively and quantitatively detect NO2-gas concentrations within security relevant concentrations (ppb level) and without the need of external energy sources. The compact size, low energy demand and validity of signal information make the here presented sensor concept very promising for the integration into mobile electronic platforms.