مشخصه یابی سنسور های گازی و آشکارساز های نور
مهدی ساسر[۱]در رشته حالت جامد، نیمه هادی های اکسید فلزی[۲] به دلیل حساسیت بالا به بازه وسیعی از گاز ها، وزن و اندازه کوچک، توان مصرفی بسیار پایین و امکان تولید انبوه با صرف هزینه نسیتاً پایین، در زمره جذاب ترین کاندیدا ها برای تولید سنسور های گازی هستند. اولین بار براتین، در سال ۱۹۵۳[۳]، نشان داد که رسانایی الکتریکی نیمه هادی ها با جذب و واجذب گاز ها بر روی سطح شان قابل تغییر است. این مقاله پیش درآمدی بر تحقیقات گسترده ای پیرامون نیمه هادی ها برای ساختن سنسور هایی شد که حضور گازی خاص و غلظت آن گاز را از طریق تغییرات رسانایی (یا معادل آن، تغییرات مقاومت) دستگاه آشکار کنند. نیمه هادی های اکسید فلزی در واکنش های اکسایش و کاهش گاز های موجود در محیط (که جذب سطحی به نیمه هادی شده اند) شرکت می کنند.، ، و در نهایت از ناحیه های فعال روی نیمه هادی های اکسید فلزی هستند که در واکنش اکسایش/کاهش شرکت می جویند. این یون ها، با توجه به درصد اکسید شدن نیمه هادی و درصد اکسیژن محیط، سطح نیمه هادی را می پوشانند. بازه دمایی معمول کارکرد این سنسور ها بین ۲۰۰ الی ۵۰۰ درجه سانتیگراد می باشد. بیشترین حضور روی سطح را در دماهای بین ۳۰۰ تا ۳۵۰ درجه را داراست، ولی در دماهای بالاتر بیشترین حضور دیده می شود. هنگامی که نیمه هادی در معرض هوا قرار می گیرد، جذب سطحی مولکول های آب و اکسیژن، ساختار باند های انرژی سطح نیمه هادی را نسبت به ساختار باند انرژی کپه ای آن تغییر می دهند. جذب سطحی اکسیژن باعث ایجاد تله های پذیرنده الکترون در سطح می شود و در نتیجه، باند انرژی در سطح نیمه هادی به سمت بالا خم می شود. خمش باند انرژی را می توان با معرفی پتانسیل سطحی () و ضخامت لایه بار فضایی () تقریب زد[۴]. در نیمه هادی های نوع مانند ، و این خمش باند انرژی باعث کاهش رسانایی و در نیمه هادی های نوع مانند و باعث افزایش رسانایی می گردد. حضور گاز های دیگر در محیط سبب تغییر دادن جمعیت مولکول های اکسیژن و آب جذب سطحی شده می شوند و خمش باند انرژی، و در نتیجه خواص الکتریکی نیمه هادی را تغییر می دهند. گاز های کاهنده[۵] مانند مونواکسید کربن و هیدروکربن ها با اکسیژن های جذب شده واکنش می دهند و جمعیت آن ها را روی نیمه هادی کم می کنند (که معادل است با افزایش رسانایی در نیمه رساناهای نوع ). بالعکس، گاز های اکساینده[۶] مانند ازون و دی اکسید نیتروژن در واکنش با سطح نیمه هادی، کاهیده شده و جمعیت اکسیژن های جذب شده را افزایش می دهند.
یکی از نیمه هادی هایی که به شدت مورد مطالعه قرار گرفته است ، می باشد. به جرات می توان گفت که اکسید روی، در میان تمام نانوساختار های دیگر، دارای بیشترین تنوع در ساختار و نیز کارکرد است. در شکل زیر نمونه هایی از ساختار های به دست آمده از اکسید روی را می بینید.
از خواص دیگر این ماده می توان به خاصیت پیزوالکتریکی[۷] و گاف انرژی بزرگ (فرابنفش)، که آن را مناسب برای آشکارسازی تابش فرابنفش می کند اشاره کرد. اکسید روی خالص شفاف است، ولی ورود ناخالصی هنگام فرآیند رشد سبب می شود نمونه های آزمایشگاهی به رنگ های قرمز، سبز و زرد دیده شوند. این تابش ها مرتبطند با نقص های ساختار بلوری این نیمه هادی. تابش نور سبز مربوط به جای خالی اکسیژن در ساختار بلور، نور قرمز مربوط به جای خالی روی و نور زرد مربوط به نقیصه های مختلف ساختاری بر روی سطح بلور اکسید روی هستند.آشکارساز های نوری، به خصوص برای نور های مرئی، عمدتاً مبتنی بر سیلیکون بلوری است. ولی این سنسور ها قابلیت آشکار کردن طول موج های کمتر از یک میکرومتر را دارند و در نتیجه، طیف مادون قرمز را به کلی از دست می دهند. کاستی دیگر این سنسور ها جذب نسبتا ضعیف آنها در بازه کارکردشان است[۸]. از طرف دیگر، طول عمر زیاد الکترون و حفره ها در سیلیکون (که در الکترونیک یک نکته بسیار مثبت محسوب می شود) سبب پخش حامل های نوری و مبهم شدن تصویر می شود[۹]. نیمه هادی ها با جذب نور و تبدیل آن به زوج الکترون و حفره، قابلیت تبدیل سیگنال های نوری به جریان الکتریکی را با بازده بالایی دارند. پس همانند سنسور های گازی، مسئله آشکار سازی نور در اولین قدم به خواندن جریان بر حسب زمان یا جریان بر حسب ولتاژ نمونه تحویل می شود. در این حوزه علاوه بر و سایر نیمه هادی هایی که از آنها یاد شد، گرافین و مولیبدن دی سولفید نیز کاربردهای فراوان پیدا کرده اند. این دو نانوساختار، نانوساختار های دو بعدی هستند. از نکات مثبت استفاده از آنها، ترکیب راحت آنها با سایر نانوساختارها (با نیروی وان در والسی) و بهره برداری از خواص هر دو نانوساختار است. در شکل زیر دو دستگاه شماتیک مبتنی بر هر دو این ساختار های دو بعدی نمایش داده شده اند[۱۰].
و:
————————————————————————————————————————[۱] PhD student, University of Tehran
[۲] Metal-oxide semiconductors
[۳] Brattain W.H., Bardeen J. Surface properties of germanium. Bell Syst. Tech. J. ۱۹۵۳;۳۲:۱–۴۱٫
[۴] Morrison S.R. The Chemical Physics of Surfaces. ۲nd ed. Plenum Press; New York, NY, USA: 1977.
[۵] Reducing gasses
[۶] Oxidizing gasses
[۷] Piezo-electric
[۸] Herzinger, C. M., Johs, B., McGahan, W. A., Woollam, J. A. & Paulson, W. Ellipsometric determination of optical constants for silicon and thermally grown silicon dioxide via a multi-sample, multi-wavelength, multi-angle investigation. J. Appl. Phys. 83, 3323–۳۳۳۶ (۱۹۹۸).
[۹] Minoglou, K. et al. Reduction of electrical crosstalk in hybrid backside illuminated CMOS imagers using deep trench isolation. 2008 IEEE Int. Interconnect Technol. Conf. 129–۱۳۱ (۲۰۰۸).
[۱۰] Chen, Hongyu, et al. “Nanostructured Photodetectors: From Ultraviolet to Terahertz.” Advanced Materials ۲۸٫۳ (۲۰۱۶): ۴۰۳-۴۳۳٫
