@PhDThesis{Vieira:2015:DeSeGa,
author = "Vieira, Maxson Souza",
title = "Desenvolvimento de sensores de gases t{\'o}xicos com filme de ZnO
usando o m{\'e}todo de implanta{\c{c}}{\~a}o i{\^o}nica por
imers{\~a}o em plasma e deposi{\c{c}}{\~a}o",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2015",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2015-05-29",
keywords = "sensores, ZnO, plasma, 3IP\&D, sensors.",
abstract = "Este trabalho teve como finalidade a confec{\c{c}}{\~a}o de
sensores de gases t{\'o}xicos, que foram preparados, pela
primeira vez no mundo, atrav{\'e}s da t{\'e}cnica de
implanta{\c{c}}{\~a}o i{\^o}nica por imers{\~a}o em plasma e
deposi{\c{c}}{\~a}o (3IP\\&D). Os sensores semicondutores
foram revestidos com uma fina camada de filme de {\'o}xido de
zinco (ZnO), tendo sido confeccionados utilizando-se um
dispositivo constru{\'{\i}}do no LAP/INPE denominado VAST
(acr{\^o}nimo em ingl{\^e}s para Vaporization of Solid Targets).
No processo de 3IP\\&D realizado no VAST, o zinco met{\'a}lico
foi vaporizado, parcialmente ionizado e implantado/depositado
sobre superf{\'{\i}}cie de sil{\'{\i}}cio. A
oxida{\c{c}}{\~a}o do filme ocorre durante o processo de
3IP\\&D e posteriormente atrav{\'e}s de recozimento realizado
em press{\~a}o ambiente e com temperaturas atingindo 600
\$^{°}\$C. No processo n{\~a}o houve a inser{\c{c}}{\~a}o de
um catalisador, que normalmente utilizado para aumentar a
sensibilidade do sensor. A estrutura wurtzite do ZnO foi
identificada no filme policristalino atrav{\'e}s da t{\'e}cnica
de difratometria de raios X (DRX). A estequiometria do filme foi
avaliada pela espectroscopia por energia dispersiva de raios X
(EDS). As Medidas da rugosidade e da {\'a}rea superficial das
amostras foram obtidas pela t{\'e}cnica de perfilometria
{\'o}tica (PO). As Imagens de microscopia eletr{\^o}nica de
varredura (MEV), revelaram a forma{\c{c}}{\~a}o de filmes micro
e de nanoestruturados, que foram determinantes para o aumento da
rugosidade e da {\'a}rea superficial analizada pela perfilometria
{\'o}ptica. Atrav{\'e}s do monitoramento da varia{\c{c}}{\~a}o
da resist{\^e}ncia el{\'e}trica dos sensores, quando submetidos
{\`a} presen{\c{c}}a de diferentes fluxos dos gases acetileno
(C\$_{2}\$H\$_{2}\$) e di{\'o}xido de carbono (CO\$_{2}\$),
mediu-se a sensibilidade dos sensores, assim como os seus tempos
de resposta e de recupera{\c{c}}{\~a}o, principais
caracter{\'{\i}}sticas a serem avaliadas nestes elementos. O
m{\'e}todo de 3IP\\&D permitiu confeccionar sensores de gases,
com a obten{\c{c}}{\~a}o de filmes nanoestruturados e aderentes,
em processo realizado em baixas temperaturas em
compara{\c{c}}{\~a}o a outros frequentemente utilizados. Na
presen{\c{c}}a do C\$_{2}\$H\$_{2}\$ o sensor apresentou alta
sensibilidade, da ordem de 90\%, e baixo tempo de resposta,
atingindo cerca de 2 segundos. Os ensaios evidenciaram resposta ao
C\$_{2}\$H\$_{2}\$ quando o sensor foi aquecido a 140
\$^{º}\$C, uma temperatura considerada baixa para o caso de
sensores de g{\'a}s baseados em semicondutores. A versatilidade
do sensor para detec{\c{c}}{\~a}o de gases t{\'o}xicos foi
evidenciada por sua resposta satisfat{\'o}ria {\`a}
presen{\c{c}}a do CO\$_{2}\$. ABSTRACT: This work aimed at the
production of toxic gas sensors which were prepared, for the first
time in the world, by means of Plasma Immersion Ion Implantation
and Deposition (PIII\\&D). The semiconductor sensors were coated
with a thin zinc oxide (ZnO) film, being deposited on Si
substrates using a system built at LAP/INPE called VAST
(Vaporization of Solid Targets). In the process of PIII\\&D
performed in VAST, metallic zinc is vaporized, partially ionized
and implanted/deposited on silicon surface. Partial oxidation of
the films occurs during PIII\\&D and after through annealing at
ambient pressure and under high temperature, reaching about 600
\$^{°}\$C at maximum. In the process, there was not the
insertion of a catalyst, often used to increase the sensitivity of
the sensors. The wurtzite structure of the polycristalline film of
ZnO was identified by X-ray diffraction (XRD). The stoichiometry
ratio of the film was evaluated by energy-dispersive X-ray
spectroscopy (EDS). Surface roughness and surface area of the
samples were obtained by optical profilometry (OP). Topographic
images of the films obtained by scanning electron microscopy
(SEM), revealed the formation of micro and nanostructures grown on
the surface of the films, both responsible for the increase of the
roughness and considerable increase of the surface area detected
by OP. By monitoring the electrical resistance variation of the
sensors, when they were exposed to the presence of different flows
of acetylene (C\$_{2}\$H\$_{2}\$) and carbon dioxide
(CO\$_{2}\$) gases, their sensitivities, responses and recovery
times were studied, these being the main characteristics to be
evaluated in these sensors. PIII\\&D was effective to build gas
sensors coated with adherent and nanostructured ZnO films, in a
process carried out under low temperature in comparison with other
kind of processes presently available. High sensitivity, of about
90\%, and fast response time, of less than two seconds, were
achieved when C\$_{2}\$H\$_{2}\$ was tested. Significant
variation of the resistance of the sensors was attained for a
temperature of 140 \$^{°}\$C, which is low for a semiconductor
gas sensor. The versatility of the sensor for detection of toxic
gases was evident after the satisfactory response for
CO\$_{2}\$.",
committee = "Oliveira, Rog{\'e}rio de Moraes (presidente/orientador) and Ueda,
Mario (orientador) and Vilela, Waldeir Amaral and Mineiro, Sergio
Luiz and Massi, Marcos and Matsushima, Jorge Tadao",
copyholder = "SID/SCD",
englishtitle = "Development of toxic gas sensors based on ZnO films using plasma
immersion ion implantation and deposition",
language = "pt",
pages = "142",
ibi = "8JMKD3MGP3W34P/3JHCNUE",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34P/3JHCNUE",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "28 abr. 2024"
}