Light activated gas nanosensors

Abstract

Aquesta tesi està centrada en explorar la utilitat de la llum ultraviolada per tal d'activar els sensors de gasos basats òxids metàl·lics (MOX), i comparar els resultats amb l'activació per temperatura. Mitjançant l'aplicació d'UV, i més concretament el sistema proposat en aquesta tesi, aplicant llum polsada, hem obtingut resultats prometedors. Per una banda, hem reduït la temperatura necessària per a la detecció dels gasos, possibilitant que puguin treballar fins i tot a temperatura ambient, amb el consequent estalvi energètic. La metodologia proposada consisteix en irradiar el material sensible mitjançant UV polsada, això crea uns transitoris dintre dels cicles de llum i no llum (arrissat en el senyal de la resistència mesurada) on hem observat que aquests transitoris estan relacionats amb la concentració dels gasos a detectar. Durant la il·lumincació UV, es generen en el MOX portadors de càrrega, es modifica la quantitat i/o naturalesa de les espècies d’oxigen ionoadsorbides i s'afavoreix la desorbció d’altres espècies presents en la superficie del material sensible. El fet de polsar la il·luminació sotmet el MOX a treballar en una successió d’estats transitoris. Aquesta metodologia s’ha aplicat a dos òxids metàlics diferents: In2O3 (nanooctahedres) i WO3 (en forma de nanoagulles). Els gasos amb els que s’ha treballat han estat NO2, NH3, Acetona i Etanol, amb diferents condicions d´humitat. Com a conclusió podem dir que amb aquesta metodologia podem millorar el temps de resposta, reduir el consum (temperatura a utilitzar) i millorar la sensibilitat i selectivitat, tant per gasos reductors com oxidants.

Esta tesis está centrada en explorar la utilidad de la luz ultravioleta para activar los sensores de gases basados en óxidos metálicos (MOX), y comparar los resultados con la activación por temperatura. Los MOX necesitan subir en temperatura para activar sus propiedades como semiconductores y también propiciar las reacciones con los gases a detectar, donde medimos la variación de la conductividad como respuesta a ese gas. Mediante la aplicación de UV, y más concretamente para el sistema propuesto en esta tesis aplicando pulsos de luz, hemos obtenido resultados prometedores. Por un lado hemos reducido la temperatura de detección de los gases y hemos propiciado reacciones e interacciones con el material que nos permiten discriminar mejor entre los gases. También hemos mejorado el tiempo de respuesta a RT con UV pulsada respecto activación sólo con temperatura. La metodología propuesta consiste en irradiar el material sensible mediante UV pulsada, esto crea unos transitorios dentro de los ciclos de luz y no luz (rizado en la señal) donde hemos observado que estos transitorios están relacionados con la concentración de los gases a detectar. Durante esta tesis hemos estudiado el comportamiento del IN2O3 (octahedros) y WO3 (nanoagujas) para la detección del NO2, NH3, Acetona y Ethanol, también bajo condiciones de humedad. Como conclusión podemos decir que con esta metodología podemos mejorar el tiempo de respuesta, reducir el consumo (temperatura) y mejorar la sensitibilidad y selectividad, tanto para gases reductores como oxidantes.

This thesis is focused on exploring the potential of ultraviolet light to activate metal oxide gas sensors (MOX), and to compare the results obtained against those when only temperature activation is used. MOXs need to be heated in order to show their properties as semiconductors and also react, on their surface, with the target gases, where we measure conductivity variations as a response towards those gases. In this thesis we have obtained promising results applying pulses of UV light. First of all, we have reduced the temperature for gas detection, then we have noticed that other kind of interactions appeared when the material is at low temperatures under UV excitation, which allows us to discriminate better between gases. We have also improved the response time at room temperature with pulsed UV in contrast to temperature alone. The proposed methodology consists of irradiating the sensitive material with on and off cycles of UV light, creating transients ( a ripple) in sensor resistance. What we have observed is that these transients are related to the concentration of the pollutant gases. This allows to design strategies to improve selectivity. During this thesis, we have studied In2O3 (octahedra) and WO3 (nanoneedles) as sensing layers for the detection of NO2, NH3, acetone, and ethanol, also under humid conditions. In conclusion we can say that with this methodology we can improve response time, reduce consumption (operation temperature can be lowered significantly) and improve sensitivity and selectivity, both for reducing and oxidizing gases.