| Περίληψη |
Οι χημικοί αισθητήρες είναι σημαντικά όργανα ανάλυσης που χρησιμοποιούνται για τον ποσοτικό και ποιοτικό χαρακτηρισμό μεγάλης ποικιλίας αναλυτών. Η μεγάλη σπουδαιότητα τους καταδεικνύεται από την αύξηση του εύρους εφαρμογών τους, καθώς και το συνεχώς μεγαλύτερο μερίδιο που καταλαμβάνουν στην αγορά αναλυτικών οργάνων. Χρησιμοποιούνται σε αναλύσεις τροφίμων, νερού, σε βιοτεχνολογικές διεργασίες, καθώς και σε κλινικές, περιβαλλοντικές και βιομηχανικές αναλύσεις. Τα όργανα αυτά είναι η βάση για την ανάπτυξη και κατασκευή πολλών αναλυτών και οργάνων μεγάλης εμπορικής και επιστημονικής αξίας.
Το αισθητήριο στοιχείο ενός χημικού αισθητήρα είναι υπεύθυνο για την επιλεκτική αναγνώριση της προς ανάλυση ουσίας και ουσιαστικά καθορίζει τα χαρακτηριστικά του αισθητήρα. Τέτοιες αναλυτικές συσκευές είναι σε θέση να παρακολουθούν με μεγάλη ακρίβεια τον αναλύτη στο δείγμα όταν αυτός βρίσκεται σε ένα εύρος συγκρντρώσεων, συνήθως από 10-6M και έως περίπου 1Μ.
Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη και η μελέτη νέων χημικών αισθητήρων, που βασίζονται στους ημιαγωγούς της οικογένειας των ΙΙΙ-Νιτριδίων και πιο συγκεκριμένα στο Νιτρίδιο του Γαλλίου (GaN). Η επιφάνεια του κρυστάλλου του Νιτριδίου του Γαλλίου (GaN) (0001), μπορεί να αποτελεί το αισθητήριο στοιχείο του αισθητήρα δημιουργώντας νέα γενιά ποτενσιομετρικών αισθητήρων στερεάς κατάστασης (solid state). Εναλλακτικά, η ετεροεπαφή (Heterojuction) AlGaN/GaN μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην ανάπτυξη νέων Ιοντοεπιλεκτικών Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίου (Ion Selective Field Effect Transistor - ISFET).
Το Πυρίτιο (Si) αποτελεί για αρκετές δεκαετίες το πλέον διαδεδομένο ημιαγώγιμο στοιχείο και η επικράτηση του συγκεκριμένου ημιαγωγού ως το πιο χρήσιμο ημιαγώγιμο στοιχείο αναμένεται να παραμείνει για αρκετά χρόνια ακόμα. Ωστόσο, η ανακάλυψη των ΙΙΙ-Νιτριδίων, επέκτεινε τα όρια των δυνατοτήτων της επιστήμης σε περιοχές όπου οι κλασσικοί ημιαγωγοί, όπως το Πυρίτιο (Si), το Γερμάνιο (Ge) και το Αρσενικούχο Γάλλιο (GaAs) δεν θα μπορούσαν ποτέ να φτάσουν. Οι ημιαγωγοί μεγάλου ενεργειακού χάσματος στους οποίους ανήκουν τα ΙΙΙ-Νιτρίδια (GaN, AIN και κράματα τους) έχουν πάψει πλέον να αποτελούν μόνο αντικείμενο σύγχρονης έρευνας στον τομέα της μικροηλεκτρονικής, αλλά έχουν αρχίσει να καταλαμβάνουν και ένα ποσοστό της διεθνούς αγοράς ημιαγωγικών εξαρτημάτων. Το μεγάλο ενδιαφέρον για τα ΙΙΙ-Νιτρίδια έχει προκύψει από τις ασυναγώνιστες δυνατότητες τους για εφαρμογές σε ηλεκτρονικές διατάξεις υψηλής ισχύος καιυψηλών συχνοτήτων, καθώς και στον τομέα της οπτοηλεκτρονικής, μιας και αποτελούν τους μοναδικούς ημιαγωγούς που έχουν την ικανότητα να εκπέμπουν φως με μικρό μήκος κύματος (μπλε-υπεριώδες). Επιπλέον, η συκεκριμένη οικογένεια ημιαγωγών εμφανίζει μεγαλύτερη θερμική αγωγιμότητα, χημική αδράνεια και αντοχή στη χημική διάβρωση που μπορεί να προκληθεί σε χημικά δραστικό περιβάλλον.
Στην πρώτη ενότητα της παρούσας εργασίας, ο κρύσταλλος του Νιτριδίου του Γαλλίου (GaN) (0001), που αναπτύχθηκε με την τεχνική επίταξη μοριακών δεσμών (Molecular Beam Epitaxy - MBE), χρησιμοποιήθηκε ως αισθητήριο στοιχείο για την ανάπτυξη ποτενσιομετρικού αισθητήρα στερεάς κατάστασης. Η απόκριση του αισθητήρα βασίζεται στην ανάπτυξη δυναμικού στη διεπιφάνεια του κρυστάλλου-διαλύματος, λόγω της επιλεκτικής αλληλεπίδρασης των ατόμων του Γαλλίου (Ga) της επιφάνειας με ανιόντα του διαλύματος. Παρατηρήθηκε ότι η επιλεκτικότητα και η ευαισθησία του αισθητήρα εξαρτώνται κυρίως από την ποιότητα της επιφάνειας του κρυστάλλου η οποία καθορίζει τον αριθμό των καθορισμένων θέσεων (fixed sites) που αλληλεπιδρούν με τον αναλυτή. Επιπλέον, τα αναλυτικά χαρακτηριστικά του χημικού αισθητήρα, που βασίζεται στον κρύσταλλο του GaN, εξαρτώνατι και από το χημικό δεσμό που σχηματίζεται ανάμεσα στον αναλύτη και το άτομο του Γαλλίου (Ga).
Στη δεύτερη ενότητα, βασιζόμενοι στα παρπαάνω αποτελέσματα, που οφείλονται στις ιδιότητες του κρυστάλλου Νιτριδίου του Γαλλίου (GaN), αναπτύχθηκαν νέοι μικροαισθητήρες που ανήκουν στην οικογένεια των Ιοντοεπιλεκτικών Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίου (ISFET) και τα οποία βασίζονται στην ετεροεπαφή (Heterojuction) ανάμεσα στο GaN και το AlGan. Η συγκεκριμένη κατηγορία χημικών αισθητήρων στηρίζεται στην ώριμη τεχνολογία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτωμ του ημιαγωγού του Πυριτίου (Si), γεγονός που επιτρέπει την αυτοματοποίηση και τη μικροποίηση τους. Τα Heterojuction Field Effect Transistors (HFETs) που βασίζονται στην ετεροεπαφή AlGaN/GaN χαρακτηρίζονται από ισχυρά πεδία πόλωσης, τόσο στο στρώμα του AlGaN, όσο και στο στρώμα του GaN. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός διδιάστατου νέφους ηλεκτρονίων (2DEG) στο ανώτερο μέρος του στρώματος GaN αρκετά κοντά στην ετεροεπαφή. Επιπλέον, η πρόοδος που έχει παρουσιαστεί στον τομέα της επίταξης των υλικών δίνει τη δυνατότητα κατασκευής διατάξεων στις οποίες το 2DEG είναι αρκετά κοντά (100-150 Α) στην αισθητήρια επιφάνεια. Έτσι οι συγκεκριμένες διατάξεις εμφανίζουν επιπλέον σημαντικές προοπτικές χρήσης σε εφραμογές χημικών αισθητήρων, μιας και το αγώγιμο κανάλι - 2DEG - είναι αρκετά ευαίσθητο σε όποιες αλλαγές συμβαίνουν στο περιβάλλον στο οποίο είναι εκτεθειμένη η επιφάνεια του GaN.
Παρατηρήθηκε απόκριση του μικροαισθητήρα στο pH και στα ανιόντα, που οφείλεται στις ιδιότητες της επιφάνειας του κρυστάλλου του Νιτριδίου του Γαλλίου (GaN) (0001). Επιπλέον, η επιλεκτικότητα του μικροαισθητήρα μπορεί να τροποποιηθεί με τη χρήση ηλεκτροχημικά ενεργών πολυμερικών μεμβρανών που εναποτίθενται πάνς στο αισθητήριο στοιχείο. Έτσι, μελετήθηκε η χρήση του HFET AlGaN/GaN με κανάλι 2DEG, ως μεταλλάκτη σήματος χρησιμοποιώντας πολυμερικές μεμβράνες που ήταν επιλεκτικές σε κατιόντα.
Συναψίζοντας, τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής καταδεικνύουν τη δυνατότητα χρήσης του Νιτριδίου του Γαλλίου (GaN) (0001) είτε σε κρυσταλλική δομή είτε σε δομή HFET AlGaN/GaN με κανάλι 2DEG, για την ανάπτυξη νέας γενιάς χημικών αισθητήρων στερεάς κατάστασης.
|
Συλλογές
