Highly sensitive tellurium based sensors for the detection of nitrogen dioxide

Abstract

A simple and stable NO2 gas sensor device with rapid response / recovery time and low operating temperature has been developed using polycrystalline tellurium alloys. The effect of thickness of the sample and temperature to sensitivity against NO2 is presented. The sensitivity strongly increases with thickness of the film decrease, especially at thickness less than 100 nm. Increasing of operating temperature above 80 oC result in decrease of sensitivity to NO2, while it strongly improve the response and recovery times. By conditions of best compromise between the main sensing parameters, achieved at operating temperature 50 oC there are no noticeable drift of baseline or of gas induced current. The sensing mechanism is explained by interaction of adsorbed species with lone - pair electrons, which form the upper part of the valence band of solid. Design and specification of a multi - canalled NO2 gas sensor are given.

Prezenţa lucrare este dedicată elaborării unor senzori de NO2 în baza aliajelor de telur policristalin ce funcţionează la temperaturi moderate şi care posedă durate mici de răspuns – recuperare. Sunt prezentate rezultatele studiului influenţii grosimii stratului de calcogen şi a temperaturii asupra sensitivităţii câtre NO2. Sensitivitatea creşte brusc cu micşorarea grosimii peliculei , îndeosebi la grosimi mai mici de 100 nm. Cresterea temperaturii mai sus de 80 oC aduce la scăderea sensitivitaţii, însă concomitent şi la descreşterea duratelor de răspuns – recuperare. Cel mai bun compromis între parametrii de sesizare se obţine la aproximativ 50 oC, temperatură la care driftul curentului indus de gaz este neglijabil. Este prezentat designul şi parametrii operaţionali ai unui traductor de bioxid de azot cu mai multe canale.

Nous avons présenté les résultats de l’élaboration d’un capteur de NO2, simple et sûr, qui est basé sur les alliages polycristalins de tellurium. Le capteur travaille à un régime de températures relativement basses et a des temps de réponse, et de l’hystérésis réduits. Nous avons aussi présenté les résultats de l’étude sur l’influence des températures et l’épaisseur de la couche active sur la sensibilité du capteur NO2. La sensibilité augmente rapidement lorsque l’épaisseur de la couche active diminue, surtout avec une épaisseur inférieure à 100 nm. La sensibilité diminue lorsque la température est supérieure à 80°С mais les temps de réponse de l’hystérésis réduits diminuent. La meilleure température est 50°С. Le mécanisme du procès est expliqué par l’adsorption et l’action des molécules du gaz avec les électrons libres. Nous avons présenté le schéma et les caractéristiques du capteur NO2 multi canal.

Представлены результаты разработки простого и надежного газового детектора на основе поликристаллических сплавов теллура. Детектор работает при относительно низких температурах и обладает малыми временами ответа и релаксации. Приведены результаты исследования влияния толщины активного слоя и температуры на чувствительность к NO2. Чувствительность резко возрастает с уменьшением толщины этого слоя, особенно при толщине менее 100 нм, Увеличение температуры выше 80°С приводит к спаду чувствительности, однако времена ответа - релаксации существенно сокращаются. Оптимальные параметры детектирования газа достигаются при 50°С. Механизм детектирования объясняется взаимодействием адсорбированных молекул газа с неподеленной парой электронов, которые заполняют верхнюю часть валентной зоны халькогенидного полупроводника. Представлен дизайн и функциональные параметры многоканального детектора.