Temperature and ambient induced band structure changes in tin oxide to optimize nano-sensors for safety applications
Authors: Φιλιππάτος Πέτρος-Παναγής 
Published: November 2023

Η αυξημένη ανάγκη για αποδοτικές και χαμηλού κόστους συσκευές ανίχνευσης έχει προσελκύσει έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον τα τελευταία δέκα χρόνια. Συγκεκριμένα, η επιστημονική κοινότητα διερευνά νέα υποψήφια υλικά για διάφορες ενεργειακές συσκευές όπως φωτοβολταικά και αισθητήρες. Με τα χρόνια παρατηρούνται όλο και περισσότερες μέθοδοι που θα μπορούσαν να βελτιώσουν την απόδοση αυτών των συσκευών. Ένας ιδανικός αισθητήρας αερίου είναι αυτός που έχει υψηλή απόκριση σε μικρές ποσότητες αερίου, έχει επιλεκτικότητα σε διαφορετικά αέρια και είναι σταθερός. Σε συνδυασμό με όλα τα παραπάνω, είναι επίσης σημαντικό η συσκευή να έχει χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και να λειτουργεί ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου. Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση και η κατασκευή αξιόπιστων αισθητήρων αερίων με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας καθώς και η νόθευση των υλικών για βελτίωση της απόδοσης τους. Στο παρόν, τα αλογόνα έχουν επιλεχθεί ως μια χαμηλού κόστους και κατάλληλη μέθοδος για τη βελτίωση και την παροχή βαθύτερης κατανόησης των μηχανισμών ατομικής τους κλίμακας σε σχέση με τις πιθανές εφαρμογές τους σε φωτοβολταϊκά, αισθητήρες και παραγωγή υδρογόνου. Για να επιτευχθεί αυτό, χρησιμοποιούνται υπολογισμοί μέσω συναρτησιακής θεωρίας πυκνότητας (DFT) για την εξέταση της ηλεκτρονικής δομής και των οπτικών ιδιοτήτων για το νοθευμένο SnO2. Για περαιτέρω διερεύνηση προς καλύτερες συσκευές ανίχνευσης αερίων, έχουν χρησιμοποιηθεί πειραματικές τεχνικές χαρακτηρισμού.Για κατανοηθούν καλύτερα οι αλλαγές του SnO2 κατά την νόθευση με αλογόνα και πώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν αυτές οι αλλαγές στις ενεργειακές ζώνες για αισθητήρες, χρησιμοποιείται η φασματοσκοπία υπέρυθρων μετασχηματισμού Fourier (FTIR) και η φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS) οπου βοηθά στην αναγνώριση της σύνθεσης των υλικών καθώς και του ποσοστού νόθευσης με αλογόνα. Οι αισθητήρες αερίων εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το μέγεθος του κρυσταλλίτη και τη μορφολογία της επιφάνειας και για το λόγο αυτό η περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) και η μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM) είναι απαραίτητα καθώς επισημαίνουν τις αλλαγές που οφείλονται στην νόθευση και πως αυτές συνδέονται με την απόδοση του αισθητήρα αερίων. Τα χαρακτηριστικά του SnO2 με πρόσμιξη αλογόνου, εκτός από τους αισθητήρες αερίων, είναι επίσης κατάλληλα για άλλες εφαρμογές όπως η παραγωγή υδρογόνου. Διενεργόντας τα κατάλληλα πειράματα, πράγματι, η νόθευση αλογόνου βελτιώνει τη φωτοκαταλυτική ιδιότητα του SnO2 που θεωρείται «κακός φωτοκαταλύτης». Το TiO2 θεωρείται συχνά ως εναλλακτική λύση για ενεργειακές εφαρμογές, αλλά έχει πολλούς περιορισμούς λόγω του μεγάλου κενού ζώνης και της μειωμένης αγωγιμότητας. Η μέθοδος νόθευσης αλογόνου εξετάζεται επίσης για το TiO2, όπου διαπιστώθηκε ότι οι οπτικές, ηλεκτρονικές και φωτοκαταλυτικές ιδιότητες ενισχύονται περαιτέρω. Τα παρουσιαζόμενα αποτελέσματα αναμένεται να παρακινήσουν περαιτέρω έρευνα και μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή φωτοβολταϊκών και συσκευών αισθητήρων και να ενθαρρύνουν την έρευνα για εναλλακτικές μεθόδους που μπορούν να βελτιώσουν περαιτέρω την απόδοση των συσκευών SnO2.