Gas-Sensing Property Evaluation of Metal Oxide Thin Films Prepared by Physical Vapor Deposition

การศึกษาสมบัติการตรวจวัดก๊าซของฟิล์มบางโลหะออกไซด์โดยวิธีระเหยสารทางฟิสิกส์

Name: Chaiyan Oros

Name: ไชยยันต์ โอรส

keyword: Reactive Magnetron Sputtering

Abstract: The work reports gas-sensing property evaluation of metal oxide thin films prepared by physical vapor deposition, which can be divided into four major parts. The first part involves Cr2O3 thin films prepared by radio-frequency (r.f.) reactive magnetron sputtering. The as-deposited film was found to be amorphous (or weakly crystallized) due to its high formation energy and the low nucleation mobility. After annealing at 450 ํC, the films become polycrystalline with nanometer grain-size having x-ray diffraction (XRD) characteristic peaks of Cr2O3 Rhombohedral phase. Gas-sensing performances of sputtered chromium oxide thin films were characterized toward ethanol and acetylene gases. It was found that chromium oxide thin films exhibit p-type conductivity with increased resistance when exposed to ethanol and acetylene. In addition, sensitivities to both acetylene and ethanol tend to improve as oxygen flow rate Increases. In the second part, MoO3 thin films prepared by r.f. reactive magnetron sputtering were studied. As-deposited films prepared with oxygen flow rate of 16 seem and sputtering power of 200 W has an orthorhombic phase of MoO3. In addition, MoO3 thin films prepared at high oxygen flow rate and high sputtering power have polycrystalline surface morphology with nanoleave structure. The nanoleave structure of MoO3 thin films were formed with different length ranging from 0.2-0.5 mue m. Moreover, the surface roughness and grain size of molybdenum oxide thin films become higher upon annealing at 300 ํC. The gas-sensing properties of the MoO3 thin films were investigated toward ethanol and acetone vapours. It was found that molybdenum oxide thin films exhibit n-type conductivity with decreased resistance when exposed to ethanol and acetone. At operating temperature of 400 ํC, the molybdenum oxide thin films were capable of detecting ethanol and acetone gases at concentrations lower than 100 and 200 ppm, respectively. In the third part, the effects of carbon doping on gas-sensing behaviors of reactively sputtered MoO3 thin films were evaluated. The carbon doping of MoO3 thin films were performed with various C2H2 to O2 ratios of 1:7, 1:9, 1:13 and 0:1. Carbon doped sputtered MoO3 thin films also have nanoleave orthorhombic MoO3 phase. However, the density of nanostructure and degree of crystallinity were reduced with increasing C2H2 to O2 ratio. The gas sensing properties of carbon doped MoO3 thin film gas sensor were investigated toward ethanol vapour. It was found that MoO3 doped carbon thin films exhibit similar n-type conductivity with decreased resistance when exposed to ethanol. Moreover, it found that the MoO3 doped carbon thin films with C2H2 to O2 ratio 1:13 was capable of detecting ethanol gases at concentrations lower than 200 ppm at operating temperature 400 ํC. Nevertheless, the ethanol sensing response tends to decrease as carbon doping concentration increases. In the final part, CNTs-MoOx nanocomposite thin film was prepared by a new method based on powder mixing and electron beam evaporation. The CNTs powder was thoroughly mixed in MoOx, commercial powder with 0.5 %wt ratio. MoO3-CNTs nanocomposite thin films film has typical polycrystalline surface morphology with nanometer grain-size and orthorhombic phase of MoO3. The films thickness was determined to be approximately 140 nm. The presence of CNTs in MoO3 matrix was observed by transmission electron microscopy. However, CNT fringes were faded to the presence of relatively thick MoO3 nanocrystalline thin film on its surface. The gas sensing characteristics of CNT-MoO3 composite thin film gas sensor prepared by ebeam evaporation was studied toward ethanol vapour. It was found that the sensor's resistance slightly decreased with CNTs inclusion. For gas-sensing behaviours, small CNTs addition considerably increases response toward ethanol vapour. In addition, CNT-MoO3 nanocomposite exhibits maximized response to ethanol with sensitivity of ~110 at ethanol concentration of 1000 ppm at 400 ํC, which was an order of magnitude higher than that of pure MoO3 one. Therefore, small amount of CNT incorporation into MoO3 bye-beam evaporation was an effective mean to enhance gas-sensing sensitivity of MoO3 gas sensor.

Abstract: ในงานวิจัยนี้ได้แบ่งการศึกษาออกได้เป็น 4 ส่วน ในส่วนที่หนึ่งเป็นการทดลองเคลือบฟิล์มบาง โครเมียมออกไซด์ด้วยวิธี อาร์เอฟ รีแอคทีฟ สปัตเตอริง โดยฟิล์มบางโครเมียมออกไซด์แสดง โครงสร้างผลึกรอบโบฮีดรอลของโครเมียมออกไซด์ ลักษณะพื้นผิวของฟิล์มบางโครเมียมออกไซด์ แสดงขนาดของเกรนในระดับนาโนเมตร สมบัติการตรวจวัดก๊าซเอทานอลและอะเซทิลีนของฟิล์ม บางโครเมียมออกไซด์ พบว่า ฟิล์มบางโครเมียมออกไซด์แสดงสมบัติของสารกึ่งตัวนำชนิดพี และมี ค่าการตรวจวัดเพิ่มขึ้นเมื่อเคลือบฟิล์มบางโครเมียมออกไซด์โดยอัตราการไหลของออกซิเจนเพิ่มมาก ขึ้น ในส่วนที่สองได้ทำการเคลือบฟิล์มบางโมลิบดีนัมไตรออกไซด์ด้วยวิธี อาร์เอฟ รีแอคทีฟ สปัตเตอริง โดยฟิล์มบางโมลิบดีนัมไตรออกไซด์แสดงโครงสร้างผลึกเป็นออทอร์รอมบิคของโมลิบดีนัมไตร ออกไซด์เมื่อเคลือบฟิล์มบางโมลิบดีนัมไตรออกไซด์ที่อัตราการไหลของออกซิเจน 16 ลูกบาศก์ เซนติเมตรต่อนาทีและกำลังในการเคลือบ 200 วัตต์ ลักษณะพื้นผิวของฟิล์มบางโมลิบดีนัมไตร ออกไซด์แสดงลักษณะเป็นรูปใบไม้ระดับนาโนเมตร มีขนาดประมาณ 0.2-0.5 ไมโครเมตร ลักษณะ ความขรุขระที่ผิวและขนาดของเกรนของฟิล์มบางโมลิบดีนัมไตรออกไซด์มีค่าเพิ่มมากขึ้นเมื่อนำไป อบที่อุณหภูมิ 300 องศาเซลเซียส สมบัติการตรวจวัดก๊าซเอทานอลและอะซิโตนของฟิล์มบาง โมลิบดีนัมไตรออกไซด์ พบว่า ฟิล์มบางโมลิบดีนัมไตรออกไซด์แสดงสมบัติของสารกึ่งตัวนำชนิด เอ็น และสามารถตรวจวัดก๊าซเอทานอลและอะซิโตนที่ความเข้มข้นน้อยกว่า 100 และ 200 ในล้าน ส่วน ตามลำดับ ที่อุณหภูมิการทำงาน 400 องศาเซลเซียส ในส่วนที่สามได้ทำการเคลือบฟิล์มบางโมลิบดีนัมไตรออกไซด์เจือด้วยคาร์บอนด้วยวิธี อาร์เอฟ รี แอคทีฟ สปัตเตอริง โดยฟิล์มบางโมลิบดีนัมไตรออกไซด์เจอด้วยคาร์บอนแสดงโครงสร้างผลึกเป็น ออทอร์รอมบิคของโมลิบดีนัมไตรออกไซด์เมื่อเคลือบฟิล์มบางโมลิบดีนัมไตรออกไซด์เจอด้วย คาร์บอนที่อัตราส่วนของก๊าซอะเซทิลีนต่อออกซิเจน 1:7, 1:9 และ 1:13 และมีโครงสร้างเป็นโครง ผลึกเพิ่มมากขึ้นเมื่อเคลือบที่อัตราส่วนของก๊าซอะเซทิลีนต่อออกซิเจนเพิ่มมากข้น ลักษณะพื้นผิวของ ฟิล์มบางโมลิบดีนัมไตรออกไซด์ที่เจือด้วยคาร์บอนแสดงลักษณะเป็นรูปใบไม้ระดับนาโนเมตร มี ขนาดประมาณ 0.2-0.5 ไมโครเมตร สมบัติการตรวจวัดก๊าซเอทานอลของฟิล์มบางโมลิบดีนัมไตร ออกไซด์เจอด้วยคาร์บอน พบว่า ฟิล์มบางโมลิบดีนัมไตรออกไซด์ที่เจือด้วยคาร์บอนแสดงสมบัติของ สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น และฟิล์มบางโมลิบดีนัมไตรออกไซด์เจอด้วยคาร์บอนที่เคลือบด้วยอัตราส่วน ของก๊าซอะเซทิลีนต่อออกซิเจน 1:13 สามารถตรวจวัดก๊าซเอทานอลที่ความเข้มข้นน้อยกว่า 200 ใน ล้านส่วนที่อุณหภูมิการทำงาน 400 องศาเซลเซียส ในส่วนสุดท้ายได้ทำการเคลือบฟิล์มบางโมลิบดีนัมไตรออกไซด์ผสมด้วยคาร์บอนนาโนทิวบ์ด้วย วิธีการระเหยสารด้วยลำอิเล็กตรอนโดยการผสมระหว่างผงโมลิบดีนัมไตรออกไซด์และผงคาร์บอน นาโนทิวบ์ 0.5 เปอร์เซ็นโดยน้ำหนัก โดยฟิล์มบางโมลิบดีนัมไตรออกไซด์ผสมด้วยคาร์บอนนาโน ทิวบ์แสดงโครงสร้างผลึกเป็นออทอร์รอมบิคของโมลิบดีนัมไตรออกไซด์ ลักษณะพื้นผิวของฟิล์ม บางโครเมียมออกไซด์แสดงขอนาดของเกรนในระดับนาโนเมตร ฟิล์มมีความหนาประมาณ 140 นาโน เมตร จากการวิเคราะห์ด้วย Transmission electron microscopy พบคาร์บอนนาโนทิวบ์ผสมอยู่ บนพื้นผิวของฟิล์ม สมบัติการตรวจวัดก๊าซเอทานอลของฟิล์มบางโมลิบดีนัมไตรออกไซด์ผสมด้วย คาร์บอนนาโนทิวบ์ พบว่า ฟิล์มบางโมลิบดีนัมไตรออกไซด์ผสมด้วยคาร์บอนนาโนทิวบ์ มีค่าการ ตรวจวัดก๊าซประมาณ 110 ที่ความเข้มข้นเอทานอล 1000 ในล้านส่วน ที่อุณหภูมิการทำงาน 400 องศา เซลเซียส ด้วยเหตุนี้ คาร์บอนนาโนทิวบ์ที่ผสมอยู่ในฟิล์มบางโมลิบดีนัมไตรออกไซด์จึงมีส่วนช่วยใน การเพิ่มประสิทธิภาพในการตรวจวัดก๊าซเอทาบอลของหัววัดก๊าซโมลิบดีนัมไตรออกไซด์

King Mongkut's University of Technology Thonburi. KMUTT Library

Address: BANGKOK

Email: info.lib@mail.kmutt.ac.th

Name: Pichet Limsuwan

Role: advisors

Created: 2010

Modified: 2011-09-28

Issued: 2011-09-27

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

CallNumber: PHY596

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Physics

Grantor: King Mongkut's University of Technology Thonburi

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	PHY596.pdf	1.76 MB	32	2024-12-19 10:56:08
2	PHY596ab.pdf	43.71 KB	13	2021-04-19 13:09:24

ใช้เวลา

0.039608 วินาที