قسم الفيزياء يناقش اطروحة دكتوراه تبحث في استخدام الترذيذ بالتردد الراديوي في  دراسة التركيب النانوي لـ (TiO2)

ناقش قسم علوم الفيزياء في كلية التربية للعلوم الصرفة (ابن الهيثم) اطروحة الدكتوراه الموسومة ( تحضير  ودراسة التركيب النانوي لـ (TiO2)النقي والمطعم باستخدام الترذيذ بالتردد الراديوي لتطبيقات التحسس الغازي) للطالبة (سهام حسن سلمان) التي انجزتها باشراف كل من التدريسية في القسم (أ.د. علية عبدالمحسن شهاب) و (رئيس الباحثين د. عبدالحسين خضير الطيف) من وزارة العلوم و التكنولوجيا.

ونوقشت الاطروحة من قبل لجنة المناقشة المدرجة اسمائهم فيما يلي :

أ.د. سميـــر عطـــــا مكــــــــــي                    رئيسا

أ.د. سلمى محمد حسين                               عضوا

أ.م.د. حسين خزعل رشيد                             عضوا

أ.م.د. علاء جبار غزاي                                    عضوا

أ.م.د. بشرى هاشم حسين                          عضوا

 

ويهدف البحث  الى تصنيع متحسس للغازات من اغشية رقيقة ذات تركيب نانوي من مادة ثنائي اوكسيد التيتانيوم (TiO2) النقي والمطعم بالمنغنيز بنسب تطعيم مختلفة (3،5،7%) وعلى قواعد مختلفة (الزجاج، السيليكون، ITO) باستخدام طريقة الترذيذ المغناطيسي ذي التردد الراديوي (R.F.Magnetron Sputtering Technique) اذ تم دراسة الخصائص التركيبية، البصرية، المورفولوجية، الكهربائية والتحسسية للكشف عن غازي الهيدروجين وثنائي اوكسيد الكاربون .

 تم في هذا البحث  تحضير أغشية  ثنائي اوكسيد التيتانيوم (TiO2) بطريقة الترذيذ المغناطيسي بالموجات الراديوية على قواعد مختلفة (الزجاج ,ITO والسليكون) وبسمك (nm250 ±10) ودرجة حرارة القاعدةoC  (100 ).  وهذه الأغشية تم تطعيمها بالمنغنيز (Mn) بنسب (3, 5, 7)%  وتلدينها بدرجة حرارة  oC(500 ,600) ولمدة ساعة في فرن مفرغ من الهواء. وتمت دراسة خواصها التركيبية والبصرية والكهربائية والتحسسية , كذلك تمت دراسة الخواص التركيبية  من خلال فحوصات XRD و SEM و AFM ,أظهرت نتائج قياسات (XRD) أن جميـع الأغشية المحضّرة  قبل التلدين  كانت ذات تركيب عشوائي  و الأغشية بعد التلدين بدرجة حرارة   oC(600)، اصبحت ذات تركيب متعدد التبلور ومن النوع الرباعي مع هيمنة النمو بالإتجاه (101) للأغشيـة المحضّرة كافة، وكان معدل الحجم البلوري للأغشية المرسبة على الزجاج  اقل من المعدل الحجم البلوري الاغشية المرسبة على كل من قاعدتي (ITO) و(Si) مع تناقص معـدل الحجم البلوري بزيادة نسبة التطعيم للقواعد كافة.

فضلا عن نتائج XRD، أظهرت نتائج مجهر القوة الذرية (AFM) ان جميع الاغشية المحضرة تمتلك توزيعا متجانسا للحبيبات و تزداد خشونة السطح مع زيادة نسب التطعيم و تناقص الحجم الحبيبي. أوضحت قياسات الخواص البصرية بان الانتقالات البصرية كانت مباشرة مسموحة  وان قيم النفاذية تقل مع زيادة نسبة التطعيم  بالمنغنيز ,وبالتالي سوف تزداد الامتصاصية، وان فجوة الطاقة البصرية لكل الاغشية تقل بزيادة  التطعيم, وأن قيمة فجوة الطاقة البصرية  كانت بحدود 3.6) eV) للاغشية النقية ويمكن التحكم بها عن طريق نسبة التطعيم. كذلك تم حساب معامل الامتصاص ومعامل الخمود كدالة لطاقة الفوتون.

     تضمنت دراسة الخصائص الكهربائية للأغشية المحضرة التوصيلية المستمرة وتأثير هول. وأظهرت نتائج التوصيلية حدوث آليتين للانتقال الالكتروني، أي طاقـتي تنشيط. وبينت نتائج تأثير هول أن الأغشية كافة هي من النوع (P-type)، وان تركيز الحاملات والتحركية  يزداد كل منهما بزيادة التطعيم وان اضافة المنغنيزلها قلل من تركيز الحاملات.

لقد وجدنا ان تحسسية الاغشية  للغازين (CO2,H2) تختلف باختلاف نوع القاعدة ونسب التطعيم, وقد وجد ان الاغشية تمتلك تحسسية عالية لغاز الهيدروجين في درجة حرارة الغرفة .اما غاز ثنائي اوكسيد الكاربون فقد كانت تحسسية الاغشية له قليلة في درجة حرارة الغرفة ولذلك تتحسن تحسسية الاغشية لغاز ثنائي اوكسيد الكاربون بوجود الحرارة (100°C).

---

Synthesis and Study Pure and Doped TiO2 Nano structure Using R.F Sputtering for Gas Sensing Application

By Seham Hassan Salman

Supervised by Alia AbdulMouhsen Shihab

The Abstract

 In this research, the titanium dioxide (TiO2) thin films have been prepared by RF sputtering on glass, ITO and Si substrates, with thicknesses (250±10) nm at 100°C substrate temperature. The films had doped with manganese (Mn) with different doping ratios (3,5,7) % and annealing range () for an hour of time under vacuum. The structural, optical, electrical, and gas sensing properties of (TiO2) have been studied. The structural properties of the deposited films were made using XRD, SEM and AFM.

The results of the XRD measurements showed that all the prepared thin films were amorphouse before annealing and after annealing at a temperature of 600 ° C became polycrystalline structure with a preferred orientation along (101) plane for entire prepared thin films .The crystalline size of thin films on the glass was less than the average crystalline size of the thin films on both the ITO and Si substrates, with the decrease in the crystalline size by increasing the rate of doping for all substrate

In addition to XRD results, the results of the Atomic Force Microscopy (AFM) showed that all the prepared thin films have a homogeneous distribution of grains. The surface roughness increases with increased the doping increased the particle size decreased

The optical properties measurements showed that the optical transitions were directly allowed. The transmittance values decreased with the increase in the percentage of manganese inoculation and thus, the absorption increased 

The optical energy gap for all the thin films decreased with the addition of the doping. The value of the optical gap energy is (3.65 eV) for the pure thin film and can be controlled by the ratio of doping. The absorption coefficient and Extinction coefficient ware also calculated as a function of photon energy 

The study included the study of the electrical properties of the DC conductivity of thin films and the Hall Effect. The  results of the conductivity showed two mechanisms for electronic transitions; two activation energies. The results of the Hall Effect showed that the whole films were P-type. And the mobility increased with the increase of concentration of manganese. Moreover, the addition of manganese reduced the resistivity of thin films

We found that the sensitivity of the thin films (TiO2) to the gases (CO2, H2) varies according to the type of substrate and the rates of doping. The thin films were found to have high sensitivity to hydrogen gas at room temperature. Carbon dioxide gas was very low sensitive to the thin films at room temperature and improved the sensitivity of the thin films to gas Carbon dioxide with heat (100) °C