POKROK VE VÝVOJI SNÍMACÍCH POLÍ ZALOŽENÝCH NA JEDNOM NANODRÁTU A JEJICH VYUŽITÍ V OBLASTI DETEKCE PLYNŮ
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Abstract
Tato práce se zabývá vývojem platforem na bázi křemíkového substrátu pro selektivní integraci polovodivých nanostruktur oxidu kovu (MOX) a jejich použití v perspektivních mobilních zařízeních jako vysoce citlivé a selektivní prvky pro detekci analytů plynů. Polovodičové nanostruktury MOX, například nanodráty, prokázaly lepší schopnosti pro snímání plynů včetně citlivosti, stability a do jisté míry také selektivity, ve srovnání s jejich protějšky na bázi vrstev. Rovněž použití jednoho (nebo několika) nanodrátů zapojených paralelně se ukázalo jako ideální architektura pro dosažení dobře definovaného vodivého kanálu snadno modulovatelného interakcemi na přechodu plynná-pevná látka. Dosavadní způsoby integrace struktur na bázi jednoho nanodrátu do funkčních zařízení však stále představují technologickou výzvu, protože většina metod vyžaduje asistenci technik, jako je soustředěný iontový paprsek (FIB), který omezuje škálovatelnost a zvyšuje náklady a čas výroby. V této souvislosti je práce zaměřena na optimalizaci technologických procesů pro výrobu systémů založených na elektrodových polích s jedním polovodivým nanodrátem. V této práci byly vyvinuty tři verze elektrodových platforem pro selektivní integraci jednoho nanodrátu z MOX materiálu citlivého na plyn. Jako klíčové technologie výroby byly použity nejmodernější vícestupňové výrobní postupy a litografie s využitím elektronového paprsku (nanofabrikace), které umožňují vývoj elektrodových polí s přímými nanoelektrodami, ale i dalších funkčních nanostruktur. Výsledky demonstrují výrobu elektrodové platformy s přímými nanoelektrodami (šířky 100–300 nm), na kterých se nachází úzká dielektrická okna s šířkou blízké průměru nanodrátu (přibližně 100–200 nm). Tyto nanoelektrody byly použity jako mechanická podpora pro zarovnání jednoho nanodrátu a rovněž jako elektrické kontakty pro měření elektrické změny nanodrátu během detekování plynu. Výsledky také zahrnují optimalizaci technik pro odstraňování a opětovné nanášení nanodrátů pro dosažení jedno nanodrátových propojení v poli paralelních elektrod pomocí střídavého elektrického pole jako jednoduché a účinné metody pro zarovnávání nanodrátů (dielektroforéza). Ověření těchto systémů vůči různým plynným látkám (oxidačním a redukčním plynům) bylo provedeno za použití nefunkcionalizovaných a Pt-funkcionalizovaných WO3 nanodrátů syntetizovaných pomocí aerosolové chemické depozice par (AACVD) a topného prvku na bázi tlusté vrstvy na korundové keramice (s provozní teplotou 250 °C), sestaveného spolu s elektrodovou platformou na pouzdru TO-8. Snímací vlastnosti takových systémů vykazovaly lepší citlivost v odporovém režimu na oxid dusičitý (NO2) a ethanol (EtOH) než jejich protějšky využívající nanodrátových filmů. Poslední verze systému pro snímání plynu vyvinutého v této práci (popsaná jako třetí generace čipů) obsahuje třetí izolovanou elektrodu zabudovanou (utopenou) pod citlivým nanodrátem pro zvýšení detekční schopnosti snímání plynu. Testy odezvy na vodík (H2) a oxid dusičitý (NO2) potvrdily zvýšenou funkčnost tohoto systému modulující odezvu senzoru pomocí externího elektrického napětí na utopené elektrodě.
This thesis presents the development of silicon-based platforms for selective integration of semiconducting metal oxide (MOX) nanostructures and their use as highly sensitive and selective elements for the detection of gas analytes in prospective mobile devices. Semiconducting MOX nanostructures, for instance nanowires, have proved better gas sensing properties including sensitivity, stability and to a certain extent also selectivity as compared to their bulk counterparts. The use of single (or few) nanowire structures connected in parallel has also shown to be the ideal architecture to achieve well-defined conduction channel easy to modulate by the gas-solid interactions. However, yet current methods for the integration of single nanowire structures in functional devices represent a technological challenge, with most of the methods needing the assistance of techniques, such as focused-ion beam (FIB), which restricts the scalability of the process and increases the cost and time of fabrication. In this context, this work is focused on the search and optimization of technological processes to fabricate gas sensing systems based on arrays of single semiconducting nanowires. In this thesis, three versions of electrode platforms were developed for the selective integration of single gas-sensitive metal oxide nanowires. State-of-the-art multistep throughput fabrication techniques, as well as electron-beam lithography (nanofabrication), were used as crucial fabrication technologies allowing the development of arrays with faced nanoelectrodes and other functional nanostructures. Results show the fabrication of electrode platform with faced nanoelectrodes (100 – 300 nm width) framed in narrow dielectric windows close to the nanowire diameter (100 – 200 nm approx.). These nanoelectrodes were used as both mechanical support to align the single nanowire, and electrical contacts to measure the electrical change along the nanowire during gas detection. Results also include the optimization of techniques for removal and redeposition of nanowires to achieve single nanowire interconnections in the array of parallel electrodes using an alternating electric field as a simple and effective technique for nanowires alignment (dielectrophoresis). The validation of these systems toward various gaseous species (oxidizing and reducing gases) was performed using non-functionalized and Pt-functionalized WO3 nanowires synthesized by aerosol-assisted chemical vapor deposition (AACVD) and backside ceramic heaters (with the operating temperature at 250 °C) assembled on TO-8 package. The sensing parameters of such systems showed better sensing responses in resistive regime to nitrogen dioxide (NO2) and ethanol (EtOH) than their counterparts based on multiple nanowire-based films. The last version of gas sensing systems developed in this thesis (described as third chip generation) includes a third insulated electrode buried under the gas sensitive nanowire for enhanced gas sensing regime. Gas sensing tests of this system to hydrogen (H2) and nitrogen dioxide (NO2) corroborated the enhanced functionality of these systems and the modulation of sensor response by applying external electrical stimuli on the buried electrode.
This thesis presents the development of silicon-based platforms for selective integration of semiconducting metal oxide (MOX) nanostructures and their use as highly sensitive and selective elements for the detection of gas analytes in prospective mobile devices. Semiconducting MOX nanostructures, for instance nanowires, have proved better gas sensing properties including sensitivity, stability and to a certain extent also selectivity as compared to their bulk counterparts. The use of single (or few) nanowire structures connected in parallel has also shown to be the ideal architecture to achieve well-defined conduction channel easy to modulate by the gas-solid interactions. However, yet current methods for the integration of single nanowire structures in functional devices represent a technological challenge, with most of the methods needing the assistance of techniques, such as focused-ion beam (FIB), which restricts the scalability of the process and increases the cost and time of fabrication. In this context, this work is focused on the search and optimization of technological processes to fabricate gas sensing systems based on arrays of single semiconducting nanowires. In this thesis, three versions of electrode platforms were developed for the selective integration of single gas-sensitive metal oxide nanowires. State-of-the-art multistep throughput fabrication techniques, as well as electron-beam lithography (nanofabrication), were used as crucial fabrication technologies allowing the development of arrays with faced nanoelectrodes and other functional nanostructures. Results show the fabrication of electrode platform with faced nanoelectrodes (100 – 300 nm width) framed in narrow dielectric windows close to the nanowire diameter (100 – 200 nm approx.). These nanoelectrodes were used as both mechanical support to align the single nanowire, and electrical contacts to measure the electrical change along the nanowire during gas detection. Results also include the optimization of techniques for removal and redeposition of nanowires to achieve single nanowire interconnections in the array of parallel electrodes using an alternating electric field as a simple and effective technique for nanowires alignment (dielectrophoresis). The validation of these systems toward various gaseous species (oxidizing and reducing gases) was performed using non-functionalized and Pt-functionalized WO3 nanowires synthesized by aerosol-assisted chemical vapor deposition (AACVD) and backside ceramic heaters (with the operating temperature at 250 °C) assembled on TO-8 package. The sensing parameters of such systems showed better sensing responses in resistive regime to nitrogen dioxide (NO2) and ethanol (EtOH) than their counterparts based on multiple nanowire-based films. The last version of gas sensing systems developed in this thesis (described as third chip generation) includes a third insulated electrode buried under the gas sensitive nanowire for enhanced gas sensing regime. Gas sensing tests of this system to hydrogen (H2) and nitrogen dioxide (NO2) corroborated the enhanced functionality of these systems and the modulation of sensor response by applying external electrical stimuli on the buried electrode.
Description
Citation
CHMELA, O. POKROK VE VÝVOJI SNÍMACÍCH POLÍ ZALOŽENÝCH NA JEDNOM NANODRÁTU A JEJICH VYUŽITÍ V OBLASTI DETEKCE PLYNŮ [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. 2019.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Mikroelektronika a technologie
Comittee
prof. Ing. Vladislav Musil, CSc. (předseda)
prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Vanýsek, CSc. (člen)
prof. RNDr. Vladislav Navrátil, CSc. (člen)
doc. Ing. Vladimír Kolařík, Ph.D. (člen)
prof. Dr. Ing. Martin Vrňata - oponent (člen)
Date of acceptance
2019-11-27
Defence
Disertační práce přispěla k rozvoji metod detekce plynů pomocí oxidokovových nanodrátů. Doktorand navrhl tři generace čipů s různými nanodráty. Práce má charakter samostatné vědecké práce a přináší nové a původní poznatky v oblasti elektrických a teplotních vlastností nanodrátů.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení