Senzori pe bază de grafit nanocristalin pentru monitorizarea gazelor din mediu NCG-SENSOGAS |
|
| ❚ ENG ❚ | |
Titlu Proiect: Senzori pe bază de grafit nanocristalin pentru monitorizarea gazelor din mediu
Acronim: NCG-SENSOGAS
Tip proiect: PNCDI IV - Program 5.2 Resurse umane/ 5.2.1. Subprogram Start in cercetare, Proiecte de cercetare pentru stimularea tinerelor echipe independente (TE 2023)
Contract nr. 26TE⁄ 2025 (PN-IV-P2-2.1-TE-2023-1419)
Durata proiectului: 08/01/2025 - 31/12/2026
Buget: 499.980 lei
Instituţie contractoare: Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Microtehnologie – IMT Bucureşti (www.imt.ro)
Autoritate contractantă: Unitatea Executivă pentru Finanțarea Învățământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării și Inovării – UEFISCDI (www.uefiscdi.gov.ro)
Director proiect: Dr. Angela BARACU (angela.baracu@imt.ro)
Poluarea aerului este dintre principalele probleme de mediu, cu un impact semnificativ asupra sănătății umane. Dezvoltarea industrială rapidă și emisia de diverse gaze nocive din vehicule au condus la apariția diferitelor boli. Dioxidul de azot NO2 este unul dintre cei mai periculoși poluanți atmosferici, eliberat prin procesele de combustie, care provoacă boli respiratorii severe și contribuie la ploile acide și la formarea ozonului, crescând nivelul de smog (o problemă globală, în special în China). Se propune un senzor de gaz inovator, bazat pe integrarea grafitului nanocristalin (NCG) cu dispozitive cu unde acustice de suprafață (SAW), pentru detectarea sensibilă și selectivă a NO2
Obiectivul principal al proiectului este dezvoltarea și validarea unui senzor sensibil și selectiv, bazat pe dispozitive SAW, pentru detectarea NO2, un poluant atmosferic dăunător eliberat prin procesele de combustie.
Sensibilitatea ridicată a senzorului va fi asigurată atât prin utilizarea dispozitivelor SAW, care au avantajul energiei acustice reținute la suprafața de detectare, rezultând o sensibilitate mai mare la perturbațiile de suprafață, cât și prin depunerea de filme de detectare din grafit nanocristalin, cu pereți aranjați vertical, care măresc aria suprafeței specifice și contribuie la o creștere a sensibilității senzorului.
Selectivitatea senzorilor dezvoltați va fi conferită de Nanoperetii de Grafit GNW, alcătuiți din unități grafice cu densitate electronică crescută la nivelul suprafeței, care pot interacționa favorabil cu moleculele de NO2 înzestrate cu efecte de atragere a electronilor, permițând un proces eficient de adsorbție pe suprafața senzorului.
Etapa 1/2025
În cadrul acestei etape s-a realizat proiectarea măștilor fotolitografice și fabricarea dispozitivelor SAW pe substrat de cuarț, folosind tehnicile fotolitografice. S-au obținut structuri SAW cu traductori interdigitați din Au cu dimensiunea elemenților de 10 µm, aranjati în configurația de linie acustică de întârziere, cu o frecvență de operare de aproximativ 79 MHz.
Straturile sensibile la NO2 pe bază de grafit nanocristalin au fost depuse pe zona de detecție a dispozitivelor SAW, folosind tehnica PECVD. S-au testat mai multe rețete, iar în final, filmele obținute au fost depuse folosind rețeta optimizată. S-au ales pentru testare trei filme cu morfologii diferite, diferența dintre ele constând în temperatura diferită de depunere (650°C, 700°C și 750°C). După depunerea filmelor GNW s-a realizat configurarea acestora, folosind masca numărul 2. Corodarea selectivă a filmelor sensibile la NO2 s-a efectuat în plasmă de O2, folosind o mască fizică.
Filmele GNW au fost caracterizate morfo-structural, folosind următoarele tehnici: SEM, AFM, Raman și XRD. Investigațiile SEM au pus în evidență structuri de grafit aliniate vertical, care formează o rețea auto-susținută, constituită din pereți grafitici cu grosimi de ordinul nanometrilor. Grosimile filmelor GNW, depuse la temperaturi diferite, au variat în intervalul 700-970 nm. Caracterizările AFM au confirmat morfologia lor unică, caracterizată de planuri grafenice orientate perpendicular pe substrat și a pus în evidență rugozități cuprinse în intervalul 76.6-82.3 nm. Cea mai mare arie activă a fost obținută pentru filmul GNW depus la temperatura de 650°C. Analiza XRD a confirmat structura cristalină similară a grafitului pentru toate filmele GNW, cu o dimensiune medie de cristalit de aprox. 2.3 nm. Spectrele Raman ale filmelor carbonice au prezentat semnale specifice unei structuri grafitice, împreună cu benzi asociate defectelor apărute în structură în timpul procesului de depunere.
Dispozitivele au fost ulterior asamblate pe un suport (ambază) de tip circuit imprimat realizat pe material FR-4 prevăzut cu două straturi metalice subţiri (din Cu) pentru realizarea conexiunilor electrice între (i) cele patru terminale (câte două pentru fiecare dintre porturile de semnal) şi (ii) padurile corespunzătoare ale structurilor de senzor SAW propriu-zis. S-a efectuat apoi evaluarea lor electrică, avându-se în vedere doar analiza parametrilor de repartiție (sau matricea [S]) măsurați cu analizorul vectorial de rețele (LibreVNA 100kHz - 6GHz USB based full 2-port vector network analyzer).