Development of metal oxide semiconductor nanostructures for smart volatile organic compound detection device modules.

Abstract

This study investigates the structural and surface modification of tin oxide nanorods synthesized by DC magnetron sputtering with a tilted substrate angle, aiming to develop nanostructures suitable for gas sensor applications. Key factors affecting sensor performance include surface-to-volume ratio, crystallinity, and catalytic materials. Three surface modification methods were compared: annealing, oxygen plasma treatment, and the combination of both. The combined treatment produced the best results, with well-connected nanorods, increased inter-rod spacing, highest crystallinity, and a reduced energy band gap of 3.84 eV, approaching semiconductor properties. The effect of plasma power on sensor response to volatile organic compounds was studied, revealing that a plasma power of 25 W optimized the nanorod structure and significantly enhanced formaldehyde detection up to 2%.Furthermore, noble metal nanoparticle decorating was also examined; while undecorated nanorods showed the highest gas sensitivity, platinum decorating reduced response and recovery times due to faster gas molecule diffusion and decomposition, whereas gold coating did not improve performance. Additionally, structural preparation combining substrate tilting and rotation produced nanorods with the highest surface-to-volume ratio, maximizing the reactive surface area and further improving sensor efficiency. The results demonstrate that oxygen plasma treatment combined with annealing, along with optimized nanorod alignment through substrate tilting and rotation, enhances crystallinity, inter-rod connectivity, and band gap properties, leading to highly effective formaldehyde sensors. Noble metal coating, particularly platinum, can further improve response and recovery times. This study provides a clear approach for developing high-performance gas sensors suitable for applications.

งานวิจัยนี้มุ่งศึกษาการปรับปรุงโครงสร้างและพื้นผิวของแท่งนาโนทินออกไซด์ที่เตรียมโดยเทคนิคดีซี แมกนีตรอนสปัตเตอริงร่วมกับการเอียงมุมแผ่นรองรับเพื่อพัฒนาโครงสร้างนาโนที่เหมาะสมต่อการใช้งานเป็นอุปกรณ์ตรวจจับแก๊ส ปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อการตอบสนองของอุปกรณ์ตรวจจับแก๊ส คือ อัตราส่วนของพื้นที่ผิวต่อปริมาตร ความเป็นผลึกและวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยา โดยจะศึกษาการปรับปรุงพื้นผิว โดยมีการศึกษาเพื่อนำมาเปรียบการปรับปรุงพื้นผิว 3 แบบ คือ (1) การอบอ่อน (2) การพลาสมาแก๊สออกซิเจน และ (3) การพลาสมาแก๊สออกซิเจนร่วมกับการอบอ่อน ผลการทดลองพบว่า การผสมผสานพลาสมาแก๊สออกซิเจนร่วมกับการอบอ่อนให้ผลดีที่สุด โดยแท่งนาโนมีการเชื่อมต่อกันบริเวณพื้นผิว ระยะห่างเพิ่มขึ้น ความเป็นผลึกสูงสุด และช่องว่างแถบพลังงานลดลงเหลือ 3.84 eV ใกล้เคียงกับสมบัติของวัสดุกึ่งตัวนำ จากนั้นทำศึกษาผลของกำลังไฟฟ้าที่ใช้ในกระบวนการพลาสมาแก๊สออกซิเจนต่อประสิทธิภาพการตอบสนองต่อสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย พบว่าการตอบสนองต่อฟอร์มัลดีไฮด์เพิ่มขึ้นอย่างมากที่กำลังไฟฟ้า 25 วัตต์ให้โครงสร้างที่เหมาะสมที่สุดและสามารถตรวจวัดฟอร์มัลดีไฮด์ได้ถึง 2%จากนั้นนำทำการเคลือบตัวเร่งปฏิกิริยานาโนโลหะบนแท่งนาโนที่ปรับปรุงด้วยพลาสมาแก๊สออกซิเจน พบว่าการไม่เคลือบนาโนโลหะให้การตอบสนองต่อแก๊สดีที่สุด แต่การเคลือบแพลทินัมช่วยลดเวลาในการตอบสนองและการคืนสภาพของเซ็นเซอร์ เนื่องจากโมเลกุลแก๊สแพร่กระจายและสลายตัวเร็วขึ้น ขณะที่การเคลือบทองไม่ช่วยเพิ่มความไว และทำการศึกษาการปรับปรุงเทคนิคการเตรียมโครงสร้างโดยการเอียงมุมร่วมกับการหมุนแผ่นรองรับ พบว่าแท่งนาโนที่ได้มีอัตราส่วนระหว่างพื้นที่ผิวต่อปริมาตรมากที่สุด ซึ่งเพิ่มบริเวณปฏิกิริยาระหว่างแก๊สกับพื้นผิวเซ็นเซอร์ ทำให้ประสิทธิภาพการตรวจวัดแก๊สดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งจากผลการทดลองแสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงพื้นผิวด้วยพลาสมาแก๊สออกซิเจนร่วมกับการอบอ่อนและการออกแบบโครงสร้างด้วยการเอียงมุมและหมุนแผ่นรองรับสามารถเพิ่มความเป็นผลึกของแท่งนาโน เพิ่มการเชื่อมต่อของแท่งนาโน และปรับช่องว่างแถบพลังงานให้เหมาะสม ส่งผลให้เซ็นเซอร์ตอบสนองต่อฟอร์มัลดีไฮด์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ขณะเดียวกันการเคลือบนาโนโลหะช่วยลดเวลาในการตอบสนองและการคืนสภาพของเซ็นเซอร์ งานวิจัยนี้จึงเป็นแนวทางที่ชัดเจนสำหรับการพัฒนาเซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊สที่มีประสิทธิภาพสูงและเหมาะสมต่อการใช้งานจริง