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Title in Portuguese: Microrreatores e sensores de gases baseados em nanotubos de carbono
Author: Silveira, José Valdenir da
Advisor(s): Souza Filho, Antonio Gomes de
Co-advisor(s): Moshkalev, Stanislav A.
Keywords: Nanotecnologia
Sensores de gases
Nanotubos de carbono
Nanotechnology
Carbon nanotubes
Issue Date: 2014
Citation: SILVEIRA, J. V. Microrreatores e sensores de gases baseados em nanotubos de carbono. 2014. 138 f. Tese (Doutorado em Física) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2014.
Abstract in Portuguese: O presente trabalho explora a fabricação, montagem e testes de micro-reatores e de sensores de gás baseados em nanotubos de carbono. A configuração dos sensores de gases foi planejada de modo a permitir o uso de nanotubos de carbono de muitas paredes – como adquiridos comercialmente, oxidados ou decorados com nanopartículas - como elementos sensores de comportamento semelhante a um elemento sensor formado por nanotubos de carbono de uma única parede e com grandes diâmetros (~20 nm). Nesta configuração, os nanotubos foram depositados utilizando a técnica dieletroforese com as pontas apoiadas sobre as bordas dos eletrodos e com a parte central suspensa (em ponte) sobre um gap de ~1 m de largura por ~5 m de profundidade, de modo a ligar as extremidades de eletrodos metálicos padronizados pré-produzidos. Uma nova abordagem para melhorar o contato elétrico e térmico entre nanotubos de carbono de múltiplas paredes depositados por dieletroforese e eletrodos de metal foi desenvolvida, usando aquecimento espacialmente localizado, através do uso de laser. Subsequentemente à deposição, os nanotubos foram diretamente aquecidos, em atmosfera ambiente, por um feixe de laser focado. O sinal Raman dos nanotubos foi usado para determinar a temperatura atingida no processo e este método foi utilizado para melhorar o contato elétrico com diferentes eletrodos (W, Ti e Au). A redução na resistência elétrica foi de até três ordens de magnitude, resultando em resistividade de contato tão baixa quanto ~ 0,1-1 kΩ.μm2, com os menores valores obtidos para Au. Um novo método de deposição de nanotubos com simultânea decoração por nanopartículas de ouro crescidas pelo método eletroquímico também é apresentado. O método possibilita obtenção de estruturas híbridas com alto potencial de aplicação em dispositivos opto-eletrônicos, tais como sensores de gases, biossensores ou fotodetectores. A caracterização estrutural e morfológica de cada elemento sensor usado neste trabalho foi feita principalmente por microscopia eletrônica de varredura, microscopia eletrônica de transmissão, espectroscopia de energia dispersiva, espectroscopia Raman e medidas elétricas. Foram usados elementos sensores com diferentes combinações de materiais nanoestruturados (MWCNTs como adquiridos comencialmente, oxidados, ou decorados com nanopartículas metálicas), testados em atmosferas inertes (N2 ou Ar) e oxidante (O2). Parâmetros determinantes para um bom funcionamento dos sensores de gás (tempos específicos de resposta/recuperação, sensibilidade, estabilidade, reprodutibilidade, etc) foram investigados com base nos dados experimentais obtidos.
Abstract: This work exploits the fabrication, setup and tests of the micro-reactors and gas sensors based on carbon nanotubes. The configuration of the gas sensors was designed to allow the use of multi-walled carbon nanotubes - as commercially acquired, oxidized or decorated with nanoparticles – as sensor elements which have similar behavior to a sensor element formed of a single-walled carbon nanotube with large diameter (~ 20 nm). In this configuration, the nanotubes were deposited using dielectrophoresis technique with their ends supported on the edges of the electrodes and the central part suspended (bridged) over a gap ~ 1 m wide and ~5 m deep, in order to connect the ends of pre-produced standard metal electrodes. A new approach to improve the electrical and thermal contact between multi-walled carbon nanotubes deposited by dielectrophoresis and metal electrodes was developed by using heating spatially localized, through the use of laser radiation in the microRaman setup. Subsequent to deposition, the nanotubes were directly heated in the ambient atmosphere by a focused laser beam. The Raman signal of the nanotubes was used to determine the temperature reached in the process and this method has been used to improve the electrical contact with different electrodes (W, Ti and Au). The reduction in electrical resistance was up to three orders of magnitude, resulting in contact resistivity as low as ~ 0,1-1 kΩ.μm2, with the lowest values obtained for Au. A new method of simultaneous deposition of nanotubes and decoration with gold nanoparticles grown by electrochemical method is also presented. The method enables the production of hybrid structures with high potential for application in opto-electronic devices such as gas sensors, biosensors or photodetectors. The structural and morphological characterization of each sensor element used in this work was mainly made by scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, energy dispersive spectroscopy, Raman spectroscopy and electrical measurements. Sensing elements with different combinations of nanostructured materials (MWCNTs as commercially acquired, oxidized, or decorated with metal nanoparticles) were tested in inert (Ar or N2) and oxidant (O2) atmosphere. Crucial parameters for the proper functioning of gas sensors (specific response time/recovery, sensitivity, stability, reproducibility, etc.) were investigated based on the obtained experimental data.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/9063
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