|
| |
|
|
Gas Microsensors Based on Self-Organized 3D Metal-Oxide Nanofilms
Pytlíček, Zdeněk ; Husák, Miroslav (referee) ; Kolařík, Vladimír (referee) ; Prášek, Jan (advisor)
This dissertation concerns the development, fabrication and integration in a gas sensing microdevice of a novel 3-dimensional (3D) nanostructured metal-oxide semiconducting film that effectively merges the benefits of inorganic nanomaterials with the simplicity offered by non-lithographic electrochemistry-based preparation techniques. The film is synthesized via the porous-anodic-alumina-assisted anodizing of an Al/Nb metal bilayer sputter-deposited on a SiO2/Si substrate and is basically composed of a 200 nm thick NbO2 layer holding an array of upright-standing spatially separated Nb2O5 nanocolumns, being 50 nm wide, up to 900 nm long and of 8109 cm2 population density. The nanocolumns work as semiconducting nano-channels, whose resistivity is greatly impacted by the surface and interface reactions. Either Pt or Au patterned electrodes are prepared on the top of the nanocolumn array using an innovative sensor design realized by means of microfabrication technology or via a direct original point electrodeposition technique, followed by selective dissolution of the alumina overlayer. For gas-sensing tests the film is mounted on a standard TO-8 package using the wire-bonding technique. Electrical characterization of the 3D niobium-oxide nanofilm reveals asymmetric electron transport properties due to a Schottky barrier that forms at the Au/Nb2O5 or Pt/Nb2O5 interface. Effects of the active film morphology, structure and composition on the electrical and gas-sensing performance focusing on sensitivity, selectivity, detection limits and response/recovery rates are explored in experimental detection of hydrogen gas and ammonia. The fast and intensive response to H2 confirms the potential of the 3D niobium-oxide nanofilm as highly appropriate active layer for sensing application. A computer-aided microfluidics simulation of gas diffusion in the 3D nanofilm predicts a possibility to substantially improve the gas-sensing performance through the formation of a perforated top electrode, optimizing the film morphology, altering the crystal structure and by introducing certain innovations in the electrode design. Preliminary experiments show that a 3D nanofilm synthesized from an alternative Al/W metal bilayer is another promising candidate for advanced sensor applications. The techniques and materials employed in this work are advantageous for developing technically simple, cost-effective and environmentally friendly solutions for practical micro- and nanodevices, where the well-defined nano-channels for charge carriers and surface reactions may bring unprecedented benefits.
|
|
|
Oxidation barriers prepared by electrochemical procedures
Mengyan, Tomáš ; Man, Ondřej (referee) ; Jan, Vít (advisor)
The presented bachelor thesis deals theoretically with use of anodization procedures for preparation of self-organized porous oxide layers on aluminium. The techniques leading to different pore structures are summarized and the use of porous anodic alumina in various applications of nanotechnology are mentioned. The thesis is composed as initial entry-level theroretical study for prospective experimental work in the field of porous anodic alumina.
|
|
| |
|
|
Utilization of porous anodic alumina for fabrication of nanostructured layers and their photoelectrochemical and optical applications
Lednický, Tomáš ; Vanýsek, Petr (referee) ; Sulka, Grzegorz (referee) ; Bendová, Mária (advisor)
Porézní anodická alumina (PAA) je oxidová vrstva vytvořená anodickou oxidací hliníku, která má široké průmyslné využití. Její popularita zaznamenala exponenciální nárůst zejména v oblasti nanotechnologií, k čemu přispělo objevení jejího samouspořádání do struktury o nanorozměrech připomínající včelí plástev. Její jednoduchá příprava a laditelné vlastnosti z ní tvoří levný způsob výroby nanostruktur. Ve stejném duchu se tato disertační práce zabývá metodami přípravy funkčních nanostruktur za využití PAA. První část je zaměřena na výrobu pole nanosloupců z oxidu titaničitého (TiO2) a jejich možné použití jako fotoanody pro štěpení vody. TiO2 nanostloupce jsou tvořeny anodizací hliníkové vrstvy na titanovém substrátu, také nazývanou PAA-asistovaná anodizace. Táto studie demonstruje elektrochemické vlastnosti a fotoelektrochemickou aktivitu nano sloupců vytvořených z dusíkem obohacených substrátů, které byly následně různě termálně modifikovány. Hlavním poznatkem studie je, že špatné vlastnosti jsou způsobeny dutou morfologií nanosloupců. Tento poznatek vedl k rozsáhle studii zabývající se dopadem anodizačných podmínek na morfologii ale i stabilitu vytvořených nanosloupců, jejímž výsledkem byla nová strategie anodizace. Druhá část prezentuje výrobní proces přípravy uspořádané vrstvy zlatých nanočástic na transparentním substrátu pro jejich použití jako optického senzoru využívající efekt rezonance lokalizovaných povrchových plasmonů. Základem této multidisciplinární metody je využití kombinace samouspořádání PAA k výrobě šablony a následného procesu řízeného smáčení v pevné fázi tenké vrstvy zlata. Táto práce detailně popisuje technologické aspekty přípravy; od samotné výroby šablon z hliníku, přes vytváření zlatých nanočástic, až po jejich přenos na transparentní substrát. Na závěr této práce jsou kompozity z nanočástic charakterizovány, přičemž je porovnána jejich citlivost na změnu indexu lomu okolí a jejich stálost. Ze závěrů vyplývá, že tato poměrně velkoplošná a levná metoda je konkurence schopná i v oblasti senzorické citlivosti.
|
|
|
Porous-alumina-assisted formation of metal and metal-oxide nanostructures for use in advanced micro-devices
Kamnev, Kirill ; Mardare, Andrei Ionut (referee) ; Blanchar, Xavier Correig (referee) ; Mozalev, Alexander (advisor)
Anodizace kovů přes masku porézní anodické aluminy (PAA) je použita namísto nanoporézní anodizace nebo tradičních nanofabrikačních metod na výrobu nových nanostrukturovaných oxidů kovů se zdokonalenými parametry. Vylepšování vlastností oxidů ZrO2 a HfO2 nanostrukturováním vzbuzuje podstatný zájem kvůli aktivní komercionalizaci těchto oxidů kovů. Nanostrukturování ZrO2 a HfO2 anodizací je náročné kvůli včasné krystalizaci anodického oxidu a téměř nulovému transportnímu číslu kationtů. Tyto problémy jsou řešeny systematickým zkoumáním anodického chování dvouvrstev složených z tenké vrstvy Al nadeponované na vrstvě Zr nebo Hf. Po prvý krát je dosažen reprodukovatelný růst ZrO2 nanostruktur přes masku PAA, které plní póry PAA masky jenom částečně. Tyto vnořené ZrO2 nanostruktury se projevují zlepšeným dielektrickým výkonem v širokém rozsahu frekvencí s nízkými zbytkovými proudy a vysokými hodnotami průrazného napětí. Tyto vlastnosti z nich dělají atraktivní struktury pro použití v mokrých a hybridních elektrolytických kondenzátorech. Vrstvy s rovným povrchem, kompatibilní se standardními metodami nanofabrikace a obsahující ZrO2 nanostruktury kompletně plnící póry PAA masky, jsou syntetizovány kombinací anodizace přes masku PAA s částečným rozpuštěním PAA. Tyto vrstvy jsou použity v experimentálních MIM mikrokondenzátorech, které vykazují nízké zbytkové proudy, vysoké hodnoty průrazného napětí, vysoké hustoty energie, nízké hodnoty teplotního koeficientu kapacity a výbornou linearitu mezi kapacitou a napětím, což z nich dělá dokonalé kandidáty pro pasivní integraci zařízení na čipu. ZrO2 nanovrstvy připraveny anodizací přes masku PAA jsou, po prvý krát, schváleny k produkci osteogenních biokeramických povlaků. Tyto nanostrukturované biokeramické ZrO2 povlaky mohou modulovat interakce mezi buňkami a povrchem a zvyšovat mineralizaci osteoblastů 5 krát oproti rovné anodické ZrO2 vrstvě. Nanostrukturované HfO2 vrstvy připraveny anodizací přes masku PAA vykazují opakovatelné nízkovýkonové bipolární rezistivní spínání, což je dělá význačnými jako tuhé elektrolyty pro aplikace v memristorech. Anodizace Hf přes masku PAA v kombinaci s vhodnými chemickými modifikacemi povrchů je použita po prvý krát k vytvoření samouspořádaných nanostrukturovaných HfO2 povlaků, které jsou superhydrofóbní, odpuzují olej, jsou transparentní pro viditelné světlo a antireflexní, což je dělá velmi vhodnými pro pasivaci fotovoltaických zařízení.
|
|
| |
|
|
Utilization of porous anodic alumina for fabrication of nanostructured layers and their photoelectrochemical and optical applications
Lednický, Tomáš ; Vanýsek, Petr (referee) ; Sulka, Grzegorz (referee) ; Bendová, Mária (advisor)
Porézní anodická alumina (PAA) je oxidová vrstva vytvořená anodickou oxidací hliníku, která má široké průmyslné využití. Její popularita zaznamenala exponenciální nárůst zejména v oblasti nanotechnologií, k čemu přispělo objevení jejího samouspořádání do struktury o nanorozměrech připomínající včelí plástev. Její jednoduchá příprava a laditelné vlastnosti z ní tvoří levný způsob výroby nanostruktur. Ve stejném duchu se tato disertační práce zabývá metodami přípravy funkčních nanostruktur za využití PAA. První část je zaměřena na výrobu pole nanosloupců z oxidu titaničitého (TiO2) a jejich možné použití jako fotoanody pro štěpení vody. TiO2 nanostloupce jsou tvořeny anodizací hliníkové vrstvy na titanovém substrátu, také nazývanou PAA-asistovaná anodizace. Táto studie demonstruje elektrochemické vlastnosti a fotoelektrochemickou aktivitu nano sloupců vytvořených z dusíkem obohacených substrátů, které byly následně různě termálně modifikovány. Hlavním poznatkem studie je, že špatné vlastnosti jsou způsobeny dutou morfologií nanosloupců. Tento poznatek vedl k rozsáhle studii zabývající se dopadem anodizačných podmínek na morfologii ale i stabilitu vytvořených nanosloupců, jejímž výsledkem byla nová strategie anodizace. Druhá část prezentuje výrobní proces přípravy uspořádané vrstvy zlatých nanočástic na transparentním substrátu pro jejich použití jako optického senzoru využívající efekt rezonance lokalizovaných povrchových plasmonů. Základem této multidisciplinární metody je využití kombinace samouspořádání PAA k výrobě šablony a následného procesu řízeného smáčení v pevné fázi tenké vrstvy zlata. Táto práce detailně popisuje technologické aspekty přípravy; od samotné výroby šablon z hliníku, přes vytváření zlatých nanočástic, až po jejich přenos na transparentní substrát. Na závěr této práce jsou kompozity z nanočástic charakterizovány, přičemž je porovnána jejich citlivost na změnu indexu lomu okolí a jejich stálost. Ze závěrů vyplývá, že tato poměrně velkoplošná a levná metoda je konkurence schopná i v oblasti senzorické citlivosti.
|
|
|
Gas Microsensors Based on Self-Organized 3D Metal-Oxide Nanofilms
Pytlíček, Zdeněk ; Husák, Miroslav (referee) ; Kolařík, Vladimír (referee) ; Prášek, Jan (advisor)
This dissertation concerns the development, fabrication and integration in a gas sensing microdevice of a novel 3-dimensional (3D) nanostructured metal-oxide semiconducting film that effectively merges the benefits of inorganic nanomaterials with the simplicity offered by non-lithographic electrochemistry-based preparation techniques. The film is synthesized via the porous-anodic-alumina-assisted anodizing of an Al/Nb metal bilayer sputter-deposited on a SiO2/Si substrate and is basically composed of a 200 nm thick NbO2 layer holding an array of upright-standing spatially separated Nb2O5 nanocolumns, being 50 nm wide, up to 900 nm long and of 8109 cm2 population density. The nanocolumns work as semiconducting nano-channels, whose resistivity is greatly impacted by the surface and interface reactions. Either Pt or Au patterned electrodes are prepared on the top of the nanocolumn array using an innovative sensor design realized by means of microfabrication technology or via a direct original point electrodeposition technique, followed by selective dissolution of the alumina overlayer. For gas-sensing tests the film is mounted on a standard TO-8 package using the wire-bonding technique. Electrical characterization of the 3D niobium-oxide nanofilm reveals asymmetric electron transport properties due to a Schottky barrier that forms at the Au/Nb2O5 or Pt/Nb2O5 interface. Effects of the active film morphology, structure and composition on the electrical and gas-sensing performance focusing on sensitivity, selectivity, detection limits and response/recovery rates are explored in experimental detection of hydrogen gas and ammonia. The fast and intensive response to H2 confirms the potential of the 3D niobium-oxide nanofilm as highly appropriate active layer for sensing application. A computer-aided microfluidics simulation of gas diffusion in the 3D nanofilm predicts a possibility to substantially improve the gas-sensing performance through the formation of a perforated top electrode, optimizing the film morphology, altering the crystal structure and by introducing certain innovations in the electrode design. Preliminary experiments show that a 3D nanofilm synthesized from an alternative Al/W metal bilayer is another promising candidate for advanced sensor applications. The techniques and materials employed in this work are advantageous for developing technically simple, cost-effective and environmentally friendly solutions for practical micro- and nanodevices, where the well-defined nano-channels for charge carriers and surface reactions may bring unprecedented benefits.
|
|
| |
guest ::
