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Sensores sensíveis e seletivos fabricados com nanofios de óxido de Ni e Zn

Processo: 14/23546-1
Linha de fomento:Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
Vigência (Início): 01 de janeiro de 2016
Vigência (Término): 01 de janeiro de 2020
Área do conhecimento:Ciências Exatas e da Terra - Física - Física da Matéria Condensada
Pesquisador responsável:Osvaldo Novais de Oliveira Junior
Beneficiário:Niravkumar Jitendrabhai Joshi
Instituição-sede: Instituto de Física de São Carlos (IFSC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
Vinculado ao auxílio:13/14262-7 - Filmes nanoestruturados de materiais de interesse biológico, AP.TEM
Bolsa(s) vinculada(s):16/23474-6 - Nanomateriais baseados em heterostruturas: síntese e suas propriedades de detecção de gás, BE.EP.PD
Assunto(s):Espectroscopia de impedância   Materiais nanoestruturados   Sensores

Resumo

Nanomateriais obtidos com óxidos metálicos têm sido usados no desenvolvimento de dispositivos com diversas funcionalidades. Nanofios, por exemplo, são usados em sensores de gás de última geração, com várias vantagens, incluindo alta razão área/volume, transferência de elétrons eficiente e dimensões comparáveis à extensão da região de carga numa interface. Com isso, pode-se obter alta sensibilidade, tempos de resposta curtos e operação à temperatura ambiente. Mencione-se, também, que os métodos de preparação são relativamente simples, permitindo a produção em larga escala e baixo consumo de energia. Os nanofios de ZnO, em particular, são facilmente sintetizados através de processos físicos ou químicos, podendo exibir grande gap de energia, estabilidade térmica, e fácil controle sobre a morfologia. Elas são muitas vezes modificados com sensibilizadores e têm sido utilizados em sensores eficazes para gases como CO, C2H5OH, e H2S. Esses sensores de óxidos são compatíveis com processamento de microeletrônica, mas têm a desvantagem de falta de seletividade, além de tempo de resposta longo e instabilidade. Para ultrapassar estas limitações, a matriz é normalmente modificada com sensibilizadores de metais, tais como Pd, Pt, Ag, Au, Fe e Cu, ou com outros óxidos metálicos, viz. NiO, CuO, SnO2, para obter sensores seletivos. Este projeto visa a fabricar nanojunções pn entre NiO tipo p e ZnO tipo n, para obter sensores seletivos para os gases H2S, NH3, C2H5OH e CO. Para alcançar este objetivo principal, serão realizadas as seguintes tarefas: i.) Desenvolver sensores de baixo custo, portáteis, altamente seletivos e operáveis à temperatura ambiente. ii) Preparar nanofios de óxido de metal, tais como ZnO, NiO, In2O3 e WO3 por diferentes técnicas químicas, incluindo sol-gel, hidrotérmica e rotas Pechini e deposição de filmes finos por evaporação térmica, pulverização catódica, eletro fiação, deposição química a vapor e spray pirólise. iii) estudo das interfaces de nanofios NiO / ZnO; iv) projeto do sensor e fabricação para comercialização. Os sensores de gás serão obtidos com óxidos de metal e polímeros condutores. Diferentes técnicas de caracterização serão utilizadas para investigar as propriedades dos materiais, e otimizar os sensores. Estas incluem microscopia eletrônica de varredura (SEM), microscopia eletrônica de transmissão (TEM), microscopia de força atômica (AFM), difração de raios X (DRX), espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) e espectroscopia Raman. A formação de junções p-n causa depleção de cargas nos nanofios, que dependem da interação com analitos. Esta interação leva ao colapso da barreira de potencial entre o NiO tipo p e o ZnO tipo n, causando assim uma alteração drástica da resistência do sensor. Também será investigado o óxido YMn2O5 como material de detecção.

Publicações científicas (6)
(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)
WU, YICHUAN; HUANG, QIYANG; NIE, JING; LIANG, JIAMING; JOSHI, NIRAV; HAYASAKA, TAKESHI; ZHAO, SHILONG; ZHANG, MIN; WANG, XIAOHAO; LIN, LIWEI. All-Carbon Based Flexible Humidity Sensor. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, v. 19, n. 8, p. 5310-5316, AUG 2019. Citações Web of Science: 0.
JOSHI, NIRAV; DA SILVA, LUIS F.; SHIMIZU, FLAVIO M.; MASTELARO, VALMOR R.; M'PEKO, JEAN-CLAUDE; LIN, LIWEI; OLIVEIRA, JR., OSVALDO N. UV-assisted chemiresistors made with gold-modified ZnO nanorods to detect ozone gas at room temperature. Microchimica Acta, v. 186, n. 7 JUL 2019. Citações Web of Science: 1.
NIE, JING; WU, YICHUAN; HUANG, QIYANG; JOSHI, NIRAV; LI, NING; MENG, XIAOFENG; ZHENG, SUNXIANG; ZHANG, MIN; MI, BAOXIA; LIN, LIWEI. Dew Point Measurement Using a Carbon-Based Capacitive Sensor with Active Temperature Control. ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES, v. 11, n. 1, p. 1699-1705, JAN 9 2019. Citações Web of Science: 3.
JOSHI, NIRAV; HAYASAKA, TAKESHI; LIU, YUMENG; LIU, HUILIANG; OLIVEIRA, JR., OSVALDO N.; LIN, LIWEI. A review on chemiresistive room temperature gas sensors based on metal oxide nanostructures, graphene and 2D transition metal dichalcogenides. Microchimica Acta, v. 185, n. 4 APR 2018. Citações Web of Science: 81.
JOSHI, NIRAV; DA SILVA, LUIS F.; JADHAV, HARSHARAJ S.; SHIMIZU, FLAVIO M.; SUMAN, PEDRO H.; M'PEKO, JEAN-CLAUDE; ORLANDI, MARCELO ORNAGHI; SEO, JEONG GIL; MASTELARO, VALMOR R.; OLIVEIRA, JR., OSVALDO N. Yolk-shelled ZnCo2O4 microspheres: Surface properties and gas sensing application. SENSORS AND ACTUATORS B-CHEMICAL, v. 257, p. 906-915, MAR 2018. Citações Web of Science: 56.
JOSHI, NIRAV; DA SILVA, LUIS F.; JADHAV, HARSHARAJ; M'PEKO, JEAN-CLAUDE; MILLAN TORRES, BRUNO BASSI; AGUIR, KHALIFA; MASTELARO, VALMOR R.; OLIVEIRA, JR., OSVALDO N. One-step approach for preparing ozone gas sensors based on hierarchical NiCo2O4 structures. RSC ADVANCES, v. 6, n. 95, p. 92655-92662, 2016. Citações Web of Science: 38.

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