หมึกพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์สําหรับการตรวจจับแก๊ส

Abstract

การเติบโตของเส้นใยนาโนคาร์บอนแบบเกลียวสามารถเกิดขึ้นบนฟิล์มอินโคเนล 600 ที่ได้จากการสปัตเตอริงลงบนแผ่นรองรับซิลิกอนตามด้วยกระบวนการตกสะสมไอเชิงเคมีด้วยความร้อนโดยใช้แก๊สอะเซทิลีนเป็นแหล่งกําเนิดคาร์บอนร่วมกับแก๊สซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์ เส้นใยนาโน คาร์บอนแบบเกลียวถูกใช้ในการเตรียมหมึกพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์สําหรับการประดิษฐ์แก๊สเซ็นเซอร์ แบบยืดหยุ่นและตรวจวัดได้ที่อุณหภูมิห้อง หมึกพิมพ์ในบทบาทชั้นฟิล์มตรวจจับแก๊สถูกเคลือบลงบนแผ่นรองรับพลาสติกที่มีขั้วไฟฟ้าเงินโดยวิธีการหยด ก่อนการหยดชั้นฟิล์ม เส้นใยนาโนคาร์บอนแบบ เกลียวถูกทําให้บริสุทธิ์โดยการปรับปรุงพื้นผิวด้วยความร้อนและกรด จากนั้นตัวอย่างถูกนําไปทําให้กระจายตัวในตัวทําละลายต่างๆ ได้แก่ น้ําไม่มีประจุ เอทานอล และไดเมททิลซัลฟอกไซด์ เพื่อทําการเปรียบเทียบประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ถูกวัดโดยสังเกตจากการตอบสนองต่อแก๊สแอมโมเนีย และสารประกอบอินทรีย์ระเหย ได้แก่ เอทานอล เมทานอล และไดเมทิลฟูมาเรท โดยใช้ความเข้มข้นเท่ากับ 1000 ppm ดําเนินการที่อุณหภูมิห้อง เนื่องจากเส้นฐานความต้านทานของเซ็นเซอร์อยู่ในช่วงการทํางาน (กิโลโอห์ม) ดังนั้น เส้นใยนาโนคาร์บอนแบบเกลียวที่เตรียมโดยใช้น้ําไม่มีประจุเป็น ตัวทําละลายจึงแสดงคุณสมบัติการเลือก และการตอบสนองต่อแก๊สแอมโมเนียได้ดีที่สุด กลไกการตรวจจับแก๊สของเซ็นเซอร์เส้นใยนาโนคาร์บอนแบบเกลียว ถูกกล่าวถึงว่าเป็นผลเนื่องมาจากกระบวนการจากปฏิกิริยารีดิวซ์ระหว่างโมเลกุลแอมโมเนียและออกซิเจนบนพื้นผิวของเส้นใยนาโนคาร์บอนแบบเกลียวที่ผ่านกระบวนการทําให้บริสุทธิ์ นอกจากนี้ ท่อนาโนคาร์บอนชนิดผนังหลายชั้นถูกสังเคราะห์บนฟิล์มบางทองคําโดยใช้กระบวนการตกสะสมไอเชิงเคมีด้วยความร้อน ฟิล์มบางทองคําถูกทําให้เปลี่ยนเป็นอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาขนาดนาโนเมตรโดยการใช้กระบวนการระดมยิง ด้วยไอออนของแก๊สอาร์กอนที่กําลังไฟฟ้ากระแสตรงเท่ากับ 216 วัตต์ การศึกษาลักษณะทางกายภาพของท่อนาโนคาร์บอนที่สังเคราะห์ได้ พบว่า อุณหภูมิในการสังเคราะห์ มีผลกับลักษณะทางกายภาพของท่อนาโนคาร์บอน จากนั้นท่อนาโนคาร์บอนถูกทําให้บริสุทธิ์โดยใช้การปรับปรุงพื้นผิวด้วยความร้อนและกรด ตัวอย่างถูกนําไปทําให้กระจายตัวในน้ําไม่มีประจุโดยใช้การสั่นด้วยความถี่เหนือเสียง ท่อนาโนคาร์บอนในรูปสารละลายถูกผสมกับพอลิเมอร์นําไฟฟ้า (PEDOT:PSS) เพื่อเตรียมเป็นหมึกพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์ หมึกพิมพ์ถูกเคลือบลงบนแผ่นรองรับพลาสติก พอลิเอทิลีนเทเรฟทาเลต ที่มีขั้วไฟฟ้าเงินโดยวิธีการเคลือบแบบหยดและแบบพิมพ์อิงค์เจ็ท เพื่อเปรียบเทียบการตรวจจับแก๊สแอมโมเนียและสารประกอบอินทรีย์ระเหย ที่อุณหภูมิห้อง จากผลการทดลอง พบว่า คุณสมบัติการตอบสนองต่อแก๊ส ความไว และการเลือกของเซ็นเซอร์ สําหรับการตรวจจับแก๊สแอมโมเนียถูกเพิ่มประสิทธิภาพได้โดยการใช้เทคนิคการพิมพ์แบบอิงค์เจ็ท กลไกการตรวจจับแก๊สแอมโมเนียของเซ็นเซอร์ ถูกกล่าวถึงว่าเป็นผลเนื่องมาจากพฤติกรรมการบวมของพอลิเมอร์ จากการแพร่ของโมเลกุลแอมโมเนียเข้าไปยังเมทริกซ์ของพอลิเมอร์ สําหรับท่อนาโนคาร์บอนชนิดผนังหลายชั้น ถูกกล่าวถึงว่าทําหน้าที่เป็นเส้นทางการนําเพื่อเพิ่มสัญญาณในการตรวจจับแก๊ส

Growth of helical carbon coils can be achieved by sputtered Inconel 600 films on silicon (Si) substrates followed by thermal chemical vapor deposition (CVD)using acetylene as a carbon source along with the injection of sulfur hexafluoride (SF6). The coils were used to prepare electronic ink for fabrication of flexible room temperature gas sensors. The ink as a sensing film was deposited onto silver-screenprinted plastic substrates by drop casting. Before dripping the sensing film, the coils were purified using oxidation and acid treatments. The purified coils were then dispersed in different solvents such as deionized water (DI water), ethanol and dimethyl sulfoxide (DMSO) for comparisons. The performance of sensors was investigated for its response to ammonia (NH3) and volatile organic compounds (VOCs) including ethanol, methanol, and dimethylformamide (DMF) in concentration of 1000 ppm at room temperature. Because the baseline resistance of sensor falls within the working range (i.e. kΩ), the coils dispersed in DI water are performed to show the highest selectivity and response to NH3. The sensing mechanism of helically coiled carbon gas sensors has been also discussed based on the reducingreaction process between NH3 and chemisorbed oxygen on the surface of purified carbon coils. Moreover, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) have been synthesized on thin gold (Au) films using thermal chemical vapor deposition (CVD). The films were evolved to catalytic Au nanoparticles (Au NPs) by plasma argon (Ar) ion bombardment with a direct current (DC) power of 216 W. The characteristics of the MWCNTs grown on Au catalysts are strongly dependent on the growth temperature in thermal CVD process. The MWCNTs were then purified by oxidation and acid treatments. After purifying the MWCNTs, they were dispersed in deionized water (DI water) under continuous sonication. The MWCNT solution was then ultrasonically dissolved in a conducting polymer mixture of poly(3,4- ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) to prepare for an electronic ink. The ink was deposited onto the flexible and transparent plastic substrates such as polyethylene terephthalate (PET) with fabricated silver interdigitated electrode using two methods such as drop casting and inkjet printing to compare in the detection of ammonia (NH3) and other volatile organic compounds (VOCs) at room temperature. Based on the results, the gas response, sensitivity and selectivity properties of MWCNT-PEDOT:PSS gas sensor for NH3 detection are significantly enhanced by using inkjet printing technique. The sensing mechanism of fabricated gas sensor exposed to NH3 has been also proposed based on the swelling behaviour of polymer due to the diffusion of NH3 molecules into the polymer matrix. For the MWCNTs, they were mentioned as the conductive pathways for the enhancement of gas sensing signals.