Elaboration and study of metal oxides for their use in gas detectors

 

Elaboration et étude d'oxydes de métaux en vue de leur utilisation

comme éléments détecteurs de gaz

 

M. Ghers1*, A. Haddad1, R. Ganfoudi1, N. Chahmat1, A. Ain-Souya1, A. Gasmi2

1Laboratoire d’Etude des Surfaces et Interfaces de la Matière Solide – L.E.S.I.M.S.

2Laboratoire de Physique des Solides –L.P.S.

Département de Physique, Faculté des Sciences, Université Badji Mokhtar, B.P 12 Annaba, Algérie

* Corresponding author.

Received: 30 March 2006; revised version accepted: 25 July 2006

Abstract

The presence of a foreign element on the surface of a semiconductor material can appear by an adsorption which can lead to a variation of surface electronic conduction. This property is closely related to the nature and the conditions of preparation and treatments of the material. The materials which were used for this study are ZnO and SnO2 oxides. They were prepared by cathode sputtering and thermal oxidation of Zn and Sn layers deposited by electrolysis and vacuum evaporation at respective temperatures of 450°C and 220°C. The analysis of the samples by x-ray diffraction shows that the preferential orientation of the grains is parallel to the plans (002) for the ZnO layers and depends on the nature of the substrate for tin oxide. The observations by optical microscopy and electronic microscopy show that the grains sizes are almost homogeneous and of the order of 200 nm. Oxygen adsorptions and desorptions, at various temperatures, cause significant variations of electric resistance R of the samples. The results indicate temperature ranges of higher sensitivity to oxygen, that the layers reheated under O2 have a more stable behavior and that the qualities of the surface reactions with oxygen are multi-energitic. The maximum of sensitivity to oxygen is obtained at relatively high temperatures, neighbouring 200°C. The gas to be detected may be oxygen reductor. The mechanism of its capture results in a variation of the electric resistance indicative of its presence in the ambient conditions.

Keywords:¶ ZnO, SnO2; Semiconductor; Adsorption; Desorption; Gas; Detection.

Résumé

La présence d’un élément étranger sur la surface d’un matériau semi-conducteur peut se manifester par une adsorption qui peut conduire à une variation de la conduction électronique superficielle. Cette propriété est étroitement liée à la nature et aux conditions de préparation et traitements du matériau. Les matériaux qui ont servi à l’étude sont des couches d’oxyde de zinc ZnO et d’oxyde d’étain SnO2. Ils ont été élaborés par pulvérisation cathodique et par oxydation thermique à des températures respectives de 450°C et 220°C, de couches de Zn et Sn déposées par électrolyse et par évaporation sous vide. L’analyse des échantillons par diffraction de rayons X montre que l’orientation préférentielle des grains est suivant les plans (002) pour les couches de ZnO et dépend de la nature du substrat pour l’oxyde d’étain. Les observations par microscopie optique et microscopie électronique à balayage montrent que les grains sont de taille presque homogène et d’un ordre de grandeur de 200 nm. Les adsorptions et désorptions d'oxygène, à différentes températures, provoquent des variations importantes de la résistance électrique R des échantillons. Les résultats mettent en évidence des domaines de température de plus haute sensibilité à l'oxygène et montrent que les couches recuites sous O2 ont un comportement plus stable et que les réactions des états de surface avec l'oxygène sont multi-énergétiques. Le maximum de sensibilité à l'oxygène est obtenu à des températures relativement élevées, avoisinantes 200°C. Le gaz à détecter peut être réducteur de l’oxygène. Le mécanisme de sa capture se traduit par une variation de la résistance électrique significative de sa présence dans le milieu ambiant.

Mots clés: ZnO; SnO2; Semi-conducteur; Adsorption; Désorption ; Gaz; Détection.

© 2015