ناقش قسم الفيزياء في كلية التربية للعلوم الصرفة (ابن الهيثم ) بحث رسالة ماجستير في قسم الفيزياء يبحث تصنيع وتوصيف أغشية رقيقة هجينة من Cr₂O₃:TiO₂/PSi بهدف توظيفها في تطبيقات المتحسس الغازي، ولا سيما للكشف عن غازي ثاني أكسيد النتروجين (NO₂) وكبريتيد الهيدروجين (H₂S)، لما يمثله هذان الغازان من مخاطر على صحة الإنسان والبيئة عند التعرض لمستويات مرتفعة منهما.
وحملت الرسالة عنوان «تصنيع وتوصيف الأغشية الرقيقة Cr₂O₃:TiO₂/PSi لتطبيقات المتحسس الغازي»، وأُنجزت من قبل طالبة الماجستير نهاد خالد علي رحيم، بإشراف الأستاذ المساعد الدكتور إخلاص هميم شلال.
هدفت الدراسة إلى تصنيع متحسسات غازية قائمة على المفرق الهجين (Al/Cr₂O₃/PSi/Si/Al) و**(Al/Cr₂O₃:TiO₂/PSi/Si/Al)**، بالاعتماد على أغشية أوكسيد الكروم الثلاثي (Cr₂O₃) النقية والمشوبة بثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) بنسب مختلفة بلغت 2% و4% و6% و8%، بهدف دراسة تأثير التشويب في الخصائص الفيزيائية والتحسسية للأغشية المصنعة.
وتضمنت الدراسة تحضير الجسيمات النانوية باستخدام تقنية الاستئصال بالليزر النبضي في السوائل (Pulsed Laser Ablation in Liquid – PLAL)، ومن ثم ترسيب المحاليل المحضرة على قواعد من السليكون المسامي (PSi) عند درجة حرارة 400 درجة مئوية باستخدام طريقة الصب بالقطرة، تمهيداً لتصنيع البنى الهجينة المستخدمة في المتحسسات الغازية.
كما ركزت الدراسة على توصيف الأغشية المصنعة ودراسة خصائصها التحسسية عند درجات حرارة تشغيل مختلفة، شملت درجة حرارة الغرفة (RT)، و100 و150 درجة مئوية، بهدف تحديد ظروف التشغيل المثلى والحصول على متحسسات غازية ذات استجابة جيدة وخصائص مناسبة للكشف عن الغازات السامة.
وتكتسب الدراسة أهمية تطبيقية من تركيزها على تطوير تقنيات حديثة للكشف عن ثاني أكسيد النتروجين (NO₂) وكبريتيد الهيدروجين (H₂S)، وهما من الغازات التي قد تشكل خطراً صحياً وبيئياً عند وجودها بتراكيز مرتفعة. ومن شأن تطوير متحسسات غازية حساسة وفعالة أن يسهم في دعم أنظمة الرصد والمراقبة البيئية والصناعية، وتعزيز القدرة على الكشف المبكر عن الملوثات الغازية.
وتنسجم أهداف الدراسة بصورة مباشرة مع الهدف الثالث من أهداف التنمية المستدامة (SDG 3): الصحة الجيدة والرفاه، من خلال الإسهام في تطوير تقنيات تساعد على الكشف عن الغازات السامة التي قد تؤثر في صحة الإنسان. كما ترتبط الدراسة بـ الهدف التاسع (SDG 9): الصناعة والابتكار والهياكل الأساسية، لما تتضمنه من توظيف لتقنيات النانو، والاستئصال بالليزر النبضي، والأغشية الرقيقة في تطوير أجهزة استشعار ذات تطبيقات عملية. كذلك تدعم الدراسة الهدف الحادي عشر (SDG 11): مدن ومجتمعات محلية مستدامة، من خلال إمكانية توظيف المتحسسات الغازية المطورة في مراقبة جودة الهواء والملوثات في البيئات الحضرية والصناعية.
وتألفت لجنة المناقشة من الأستاذ الدكتور بشرى كاظم حسون رئيساً، وعضوية كل من الأستاذ المساعد الدكتور هناء إبراهيم محمد والأستاذ المساعد الدكتور وديان كاظم عبد.
وتعكس الرسالة توجه البحث العلمي في مجال الفيزياء التطبيقية وعلوم المواد نحو توظيف تقنيات النانو والأغشية الرقيقة والمواد الهجينة في تطوير متحسسات غازية متقدمة، بما يعزز الابتكار العلمي ويفتح آفاقاً لتطوير أجهزة أكثر كفاءة في مجال الكشف عن الملوثات والغازات الخطرة.
في هذه الدراسة استخدمت اشباه الموصلات من اكاسيد المعادن لترسيب اغشية Cr2O3 النقية والمشوبة بثاني اوكسيد التيتانيوم (TiO2) بالنسب ( 2 , 4 , 6 , 8 )% و بسمك 200nm).
تم استئصال الجسيمات النانوية للاوكسيدين في الماء اللا ايوني بوساطة تقنية الاستئصال بالليزر النبضي في السائل (PLAL) ، وترسيب اغشية Cr2O3 النقية والمشوبة بعد مزج النسب المقترحة لغرض التشويب على قواعد الزجاج والسليكون المسامي بدرجة حرارة°C 400 بطريقة الصب بالقطرة.
اظهرت نتائج فحص حيود الاشعة السينية (XRD) ان جميع اغشية Cr2O3 النقية والمشوبة متعددة التبلور ذات بنية بلورية معينية بالاتجاه السائد (012) والذي يمثل الطور الرئيس وان الحجم البلوري في الاغشية المشوبة يقل مع زيادة نسبة التشويب بشكل عام .
تم توظيف مجهر القوة الذرية (AFM) لمعرفة طبيعة التضاريس السطحية للغشاء وحجم الحبيبات وخشونة السطح حيث اظهرت الصور ان للاغشية تجانساً سطحياً ملحوظاً ، واظهرت العينة 2%TiO2 زيادة في الحجم البلوري بمقدار 77.10nm ومعدل خشونة السطح ، ونقصان في معدل خشونة السطح والحجم الحبيبي في النسبة % TiO2 (6 ، 4) ، كما اظهرت العينة المشوبة بنسبة 6%TiO2 اقل معدل حجم حبيبي يبلغ (42.78nm) ، وكشفت صور المجهر الالكتروني الماسح ذي انبعاث المجال (FE-SEM) عن البنية المسامية للاغشية وان الجسيمات ذات بنية كروية تقريباً موزعة توزيعاً حجمياً بمستوى النانو يتغير وفقا لتغير نسبة الشوائب المضافة.
اضافةً الى ذلك تمت دراسة الخصائص البصرية للاغشية المرسبة من خلال طيف الاشعة UV-Vi-NIR بالطول الموجي nm(300-1100) ، حيث يظهر بأن جميع الاغشية تمتلك امتصاصاً عالياً في منطقة الاشعة فوق البنفسجية ونقصان فجوة الطاقة للانتقال المباشر المسموح بقيم تتراوح eV(3.95-3.71) مع زيادة نسبة تركيز الشائبة.
تم اجراء قياسات تأثير هول لأغشية Cr2O3 النقية والمشوبة ، وأسفرت النتائج عن ان جميع الاغشية ذات توصيلية كهربائية من النوع الموجب (p-type) ، وان قيم التحركية وتركيز حاملات الشحنة تتغير مع تغير نسبة الشوائب في العينات.
تمت دراسة الخصائص التحسسية للمتحسس الغازي ذي المفارق الهجينة (Al/Cr2O3 /PSi/Si/Al) و(Al/Cr2O3:TiO2/PSi/Si/Al) المشوبة بنسب مختلفة من TiO2 ، وقد تضمنت الخصائص على النسبة المئوية للتحسسية وزمني الاستجابة والاسترداد عند التعرض لغازي NO2 المؤكسد و H2S المختزل بتركيز 400ppm وبدرجات حرارة التشغيل°C (RT, 100, 150) ، وقد اظهرت التحسسية تحسناً مع زيادة نسبة التشويب لتسجل قيم تحسسية عالية للعينة المشوبة بنسبة 2%TiO2 بمقدار67% عند التعرض لغاز NO2 بدرجة حرارة الغرفة ، وعند درجة حرارة 150°C سجلت العينة نفسها تحسسية لغاز NO2مقدارها 72.99% ، والعينة المشوبة بنسبة 4% من TiO2سجلت تحسسية مقدارها 158.80% و 120.67% عند التعرض للغازين NO2 و H2S على التوالي بدرجة حرارة الغرفة ، والتي تعتبر افضل عينة للكشف عن الغازين بدرجة حرارة الغرفة (RT) ، كما سجلت اعلى قيمة للتحسسية عند التعرض لغاز NO2 بمقدار 475.11% عند درجة حرارة التشغيل 100°C للعينة المشوبة بنسبة 6% من TiO2 و سجلت العينة نفسها اعلى قيمة للتحسسية عند التعرض لغاز H2S بمقدار166.24% لدرجة حرارة التشغيل نفسها ، وان العينتين المشوبتين بالنسب 4% و8% من TiO2 اظهرتا تحسناً في زمن الاسترداد والاستجابة لتسجلان اقل القيم عند التعرض لغاز NO2 و H2S على التوالي بدرجة حرارة 150°C.
جميع القياسات بينت ان المفرق الهجيني الذي تم تحضيره في هذا العمل ذو استجابة تحسسية عالية مما يجعله مرشحاً جيداً في صناعة اجهزة المتحسس الغازي.
وفي ضل النتائج المتحصلة من هذا البحث خلص الطالب الى التوصيات الاتية :
- دراسة تأثير تغيير طاقة الليزر النبضي وعدد الضربات في تقنية الاستئصال بالليزر النبضي خلال السائل على الخصائص التركيبية والبصرية والتحسسية لغشاء Cr2O3 النقي والمشوب بنسب مختلفة من TiO2 .
- دراسة تأثير التشويب بأنواع مختلفة لأشباه الموصلات من اكاسيد المعادن على خصائص اغشية Cr2O3 والمحضرة بتقنية PLAL والترسيب بطريقة الصب بالقطرة.
- اعتماد التلدين بدرجات حرارة مختلفة للأغشية المحضرة ودراسة تأثيره على خصائص الغشاء.
- اختبار المتحسس الغازي عند تعريضه لأنواع أخرى من الغازات بنفس التركيز او خليط من الغازات لمعرفة قابلية المتحسس في انتقاء وتمييز غاز معين من مزيج من الغازات.
- دراسة أداء المتحسس الغازي عند التعرض الى غازات بتراكيز منخفضة.
- استثمار أغشية Cr₂O₃ النقية والمشوبة بـ TiO₂ في التطبيقات الضوئية مثل الخلايا الشمسية وأجهزة الاستشعار الضوئية.
