Your browser does not support JavaScript!

Αρχική    Εκπομπή φωταύγειας από συνθετικά υβρίδια οξειδίου του ψευδαργύρου (ZnO)/πολυμερούς και διερεύνηση του φαινομένου ως μεθόδου ανίχνευσης οξυγόνου και όζοντος στην ατμόσφαιρα  

Αποτελέσματα - Λεπτομέρειες

Προσθήκη στο καλάθι
[Προσθήκη στο καλάθι]
Κωδικός Πόρου 000438450
Τίτλος Εκπομπή φωταύγειας από συνθετικά υβρίδια οξειδίου του ψευδαργύρου (ZnO)/πολυμερούς και διερεύνηση του φαινομένου ως μεθόδου ανίχνευσης οξυγόνου και όζοντος στην ατμόσφαιρα
Άλλος τίτλος Photoluminescence emission of zinc oxide (ZnO)/polymer nanohybrids and its application in oxygen and ozone sensing
Συγγραφέας Χρηστάκη, Εμμανουέλα Μ.
Σύμβουλος διατριβής Άγγλος, Δημήτριος
Κλίνη, Αργυρή
Μέλος κριτικής επιτροπής Βαμβακάκη, Μαρία
Αναστασιάδης, Σπύρος
Περίληψη Η τεχνολογία των αισθητήρων και της ανίχνευσης χημικών ουσιών έχει δημιουργήσει ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών, το οποίο τα τελευταία χρόνια εξελίσσεται με εντυπωσιακούς ρυθμούς. Η λειτουργία των αισθητήρων βασίζεται στη μεταβολή ηλεκτρικών, οπτικών, μηχανικών κ.α. ιδιοτήτων του αισθητήριου υλικού, όταν χημικές ενώσεις (αναλύτης) αλληλεπιδρούν με την επιφάνεια αυτού. Οι περισσότερες από τις σύγχρονες εφαρμογές χρησιμοποιούν την ηλεκτρική αγωγιμότητα ημιαγώγιμων υλικών ως παράμετρο μελέτης και πλήθος πτητικών ουσιών, όπως υδρογονάνθρακες, αλκοόλες, οξείδια κ.α. έχουν ανιχνευτεί σε συγκεντρώσεις της τάξεως ppm μέσω μετρήσεων της μεταβολής της αγωγιμότητας. Σοβαρό μειονέκτημα των αισθητήρων αυτού του τύπου, αποτελεί η ανάγκη σύνδεσης, μέσω ηλεκτρικών επαφών, του αισθητήριου στοιχείου με το ηλεκτρικό κύκλωμα μετρήσεων, καθώς και η ανάγκη διεξαγωγής των μετρήσεων σε υψηλή θερμοκρασία, στην περιοχή 200-400 οC, ώστε να επιτευχθεί αποδοτικότερη λειτουργία, συνθήκη που εμποδίζει την εφαρμογής τους σε περιβάλλον με εύφλεκτα- ή βιολογικά υλικά. Ωστόσο, ο έλεγχος των οπτικών ιδιοτήτων των ημιαγώγιμων υλικών (διαπερατότητα, ανακλαστικότητα, φωταύγεια), οι οποίες επίσης μεταβάλλονται παρουσία εξωτερικού ερεθίσματος, αποτελεί μια ευέλικτη προσέγγιση στην ανίχνευση χημικών ενώσεων, η οποία όμως έχει αξιοποιηθεί σε πολύ μικρή κλίμακα μέχρι σήμερα. Οι μεταβολές στις οπτικές ιδιότητες είναι γενικά παρατηρήσιμες σε θερμοκρασία δωματίου, για την καταγραφή τους απαιτείται ελάχιστος πειραματικός εξοπλισμός, ενώ το αισθητήριο στοιχείο δεν υπόκειται σε κάποιας μορφής επεξεργασία. Οι παράμετροι αυτές καθιστούν τους αντίστοιχους οπτικούς αισθητήρες πολύ ελκυστικές διατάξεις για την ανίχνευση αερίων. Όσον αφορά το υλικό αίσθησης, οι περισσότερες εργασίες στον τομέα των αισθητήρων εστιάζουν κυρίως σε δομές κλίμακας νανομέτρου (νανο-σωματίδια/ράβδοι/σύρματα, κ.α.) μεταλλικών οξειδίων, κυρίως του οξειδίου του ψευδαργύρου, ZnO, ενώ πολύ περιορισμένη πληροφορία είναι διαθέσιμη για άλλα υλικά ή συστήματα. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας αποτελεί η μελέτη νανοσύνθετων υβριδίων οξειδίου ψευδαργύρου (ZnO/πολυμερές) ως αισθητήρων που αξιοποιούν την ευαίσθητη στην παρουσία αεριών εκπομπή φωταύγειας (Photoluminescence – PL) του ημιαγωγού, με στόχο τη μελέτη της επίδρασης του πολυμερούς στην απόκριση του αισθητήρα. Για την επίτευξη αυτού του στόχου μελετήθηκε η συμπεριφορά της εκπομπής φωταύγειας από νανοσωματιδία ZnO (ZnO-NPs) αλλά και από νανοσωματιδία ZnO διεσπαρμένα σε διαφορετικές οργανικές πολυμερικές μήτρες {ΖnΟ/PEGMA (poly(ethylene glycol methacrylate), ΖnΟ/PDMS (polydimethylsiloxane), ΖnΟ/PVA (poly(vinyl alcohol) και ΖnΟ/PMMA (poly(methyl methacrylate)}, παρουσία ατμόσφαιρας οξυγόνου και όζοντος σε διαφορετικές πιέσεις. Αναφορικά με τα δείγματα της εργασίας, για την μελέτη των νανοσωματιδίων ZnO παρασκευάστηκαν τα δείγματα ZnO NPs με διασπορά εμπορικώς διαθέσιμης σκόνης νανοσωματιδίων ZnO σε διαλύτη αιθανόλη και στη συνέχεια έγινε εναπόθεση σε στρώματα γυαλιού με την μέθοδο σταγόνας (drop casting). Τα δείγματα των συνθετικών υβριδίων ZnO/πολυμερούς παρασκευάστηκαν αναμιγνύοντας κατάλληλες ποσότητες των επιμέρων ενώσεων περιεκτικότητας 30% w/w σε ZnO και 70% w/w σε πολυμερές (PEGMA, PDMS, PVA, PMMA). Η οπτική διέγερση του ημιαγωγού πραγματοποιήθηκε με παλμικό λέιζερ υπεριώδους εκπομπής (KrF excimer laser, λex = 248 nm, τ = 15ns), με ενέργεια φωτονίου (Eph=5eV) υψηλότερη από το ενεργειακό χάσμα του ZnO (3.37 eV), εντός οπτικού θαλάμου που επιτρέπει την εισαγωγή και απομάκρυνση αερίων. Η συλλογή της εκπεμπόμενη ακτινοβολίας φωταύγειας, πραγματοποιείται υπό γωνία 45ο ως προς την κάθετη στην επιφάνεια του δείγματος, από σύστημα ανίχνευσης αποτελούμενο από φασματογράφο φράγματος περίθλασης και ανιχνευτή ΙCCD (intensified charge-coupled device). Για την ποσοτικοποίηση της εκπομπής φωταύγειας λαμβάνονται φάσματα (συλλογή δεδομένων από 50 παλμούς), σε σταθερές χρονικές περιόδους (10 s), από τα οποία υπολογίζεται το ολοκλήρωμα της έντασης εκπομπής I = ∫I(λ)dλ στο φασματικό εύρος 350 - 420 nm, που αντιστοιχεί στη φωταύγεια χάσματος. Η σχετική μεταβολή της έντασης εκπομπής, % ΔI, λόγω της αλλαγής του περιβάλλοντος του δείγματος, ορίζεται ως η απόκριση του αισθητήρα. Αρχικά μελετήθηκαν οι οπτικές ιδιότητες των υλικών μελέτης (ZnO-NPs και υβριδίων ZnO) και προσδιορίστηκαν οι συνθήκες διέγερσης για βέλτιστη απόκριση. Οι πειραματικές μετρήσεις αφορούν στη καταγραφή της εκπεμπόμενης φωτοφωταύγειας και τις μεταβολές της κατά την εναλλαγή περιβάλλοντος χαμηλού κενού και οξυγόνου σε ατμοσφαιρική πίεση, συναρτήσει της πυκνότητας ενέργειας άντλησης. Επιβεβαιώθηκε το αποτέλεσμα προηγούμενης μελέτης ότι η απόκριση του αισθητήρα είναι υψηλότερη όταν οι συνθήκες διέγερσης αντιστοιχούν σε χαμηλές τιμές πυκνότητας ενέργειας του παλμού λέιζερ. Στο πλαίσιο των πειραμάτων για την ανίχνευση οξυγόνου, πραγματοποιήθηκε συστηματική μελέτη της εκπομπής φωταύγειας των οπτικά αντλούμενων ZnO-NPs και των νανοϋβριδίων ZnO, σε συνθήκες θερμοκρασίας δωματίου, υπό έκθεση σε διαφορετικά επίπεδα πίεσης οξυγόνου κυμαινόμενης από 0,4 έως 200 mbar και αξιολογήθηκαν χαρακτηριστικές ιδιότητες, όπως η επαναληψιμότητα, η σταθερότητα λειτουργίας, η απόκριση και η ευαισθησία. Από τα καταγεγραμμένα φάσματα φωταύγειας των δειγμάτων και τους υπολογισμούς της σχετικής μεταβολής της έντασης εκπομπής (απόκριση, %ΔΙ) κατά την έκθεση σε «κενό-οξυγόνο» προκύπτει ότι τα υλικά (εκτός από το ZnO/PMMA) διατηρούν τις ιδιότητες αίσθησης σε πολλαπλούς κύκλους έκθεσης. Η απόκριση ως προς την πίεση του οξυγόνου είναι γραμμική σε χαμηλές τιμές πίεσης (1-5 mbar) ενώ σε συνθήκες αυξημένης πίεσης (100-200 mbar) παρατηρείται τάση κορεσμού (τύπου Langmuir), σε αντιστοιχία με αποτελέσματα προηγούμενων μελετών. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τα υβρίδια ZnO και (ZnO-NPs), τα συστήματα ZnO/PEGMA και ZnO/PDMS παρουσιάζουν υποδεέστερη απόκριση σε σύγκριση με τα καθαρά νανοσωματίδια. Το υβρίδιο ZnO/PMMA δεν ανταποκρίνεται στις μεταβολές του περιβάλλοντος, ενώ η απόκριση του ZnO/PVA είναι εξαιρετικά ασθενής. Αναφορικά με τη δυναμική των μεταβολών της έντασης φωταύγειας, ο ρυθμός αύξησης-μείωσης στους κύκλους έκθεσης είναι όμοιος για τα σωματίδια και τα υβρίδια τους. Στο τελευταίο στάδιο της παρούσας εργασίας πραγματοποιήθηκε πρωτότυπη μελέτη που αφορά τη διερεύνηση των ZnO-NPs και των υβριδίων τους ως αισθητήρων όζοντος με βάση τη φωταύγεια του ZnO. Μελετήθηκαν εκτενώς ως προς την ευαισθησία σε διαφορετικά επίπεδα συγκέντρωσης όζοντος (1600 έως 50 ppb), την επαναληψιμότητα και την απόκριση κατά την έκθεση σε πολλαπλούς κύκλους συνθετικού αέρα – όζοντος. Οι εν λόγω δομές, εκτός από τα υβρίδια ZnO/PVA και ZnO/PMMA, επέδειξαν υψηλή ευαισθησία, ταχεία απόκριση και αποκατάσταση, καθώς και σταθερότητα σε παρατεταμένη λειτουργία. Η εξάρτηση της απόκρισης από την συγκέντρωση όζοντος είναι τύπου Langmuir, ενώ το όριο ανίχνευσης είναι 50 ppb, το οποίο προσεγγίζει την τιμή επιτρεπτού ορίου έκθεσης (Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας, World Health Organization-WHO) . Σε αντίθεση με την περίπτωση του οξυγόνου, τα συστήματα ZnO/PDMS και ZnO/PEGMA παρουσιάζουν αυξημένη απόκριση σε σύγκριση με τα καθαρά νανοσωματίδια ZnO.
Φυσική περιγραφή [x], 124 σ. : πίν., σχήμ., εικ.(μερ. εγχρ.) ; 30 εκ.
Γλώσσα Ελληνικά
Θέμα Optical sesnors
Οπτικός Αισθητήρας
Ημερομηνία έκδοσης 2021-03-26
Συλλογή   Σχολή/Τμήμα--Σχολή Θετικών και Τεχνολογικών Επιστημών--Τμήμα Χημείας--Μεταπτυχιακές εργασίες ειδίκευσης
  Τύπος Εργασίας--Μεταπτυχιακές εργασίες ειδίκευσης
Εμφανίσεις 229

Ψηφιακά τεκμήρια
No preview available

Κατέβασμα Εγγράφου
Προβολή Εγγράφου
Εμφανίσεις : 1