Date of Award

6-2019

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Materials Science and Engineering (MSMSE)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Nacir M. Tit

Abstract

The scope of this MSc thesis is to theoretically search for suitable materials and relevant factors (e.g., dopants and catalysts) to induce gas sensing (GS) selectivity towards harmful gases such as H2, H2S, and CO2, under ambient conditions. We chose as material 2D-ZnO Honeycomb in the form of nanoribbon (ZnO-NR), which is very promising in the gas sensing applications. We employed a state-of-the-art computational method, based on a combination of the density-functional theory (DFT) and the Non-Equilibrium Green’s Functions (NEGF) formalism, which both are incorporated in Atomistic Toolkit (ATK) package. This package is famous for its reliability in estimating the IV characteristics. The thesis consists of three phases: (1) Effect of dopants on gas sensing: Three organic-atoms (e.g., N, C, F) were initially attempted. But selectivity towards the detection of H2 was achieved only in N-doped ZnO-NR. Special trend, discovered about the secrete of such selectivity, was the existence of negative differential resistance (NDR) in the IV characteristics of ZnONR: N. (2) Origins of NDR: the previous results led us to search for the origins of NDR in N-doped ZnO-NRs. We have investigated the effect of placing the doping atom N in three different positions across ZnO-NR, with respect to the edges (i.e.(i) at the Oric hedge, (ii) at the center, and (iii) at the Zn-rich edge.) Results show a clear trend that NDR shifts to higher energies than Fermi level, as well as both NDR and the Topto-Valley-Current Ratio (TVCR), get reduced, when N-atom is moved from O-rich to Zn-rich edges. We concluded that the unpaired electron on N-atom when it gets charged, causes the localization/curdling of the wave function at Fermi-level and consequently causes backscattering and drawback of current (so named NDR). (3) Effect of catalysts on gas sensing: Five transition-metal atoms (Pt, Pd, Au, Ag, and Fe) were used as ad-atom decorating ZnO-NR aiming to induce selectivity towards gases of interest (H2, H2S, and CO2) in existence of other gases (e.g., O2, N2, and H2O) at room temperature (RT). Results show that both Pt and Pd have poor selectivity at RT. Whereas, Fe is found to yield high selectivity toward detecting CO2, while both Au and Ag have selectivity towards H2S, at RT. All our findings are in excellent agreement with experimental data.

Arabic Abstract

موضوع هذه الأطروحة هو دراسة نظرية للبحث عن المواد، مع تحديد العوامل المناسبة، لكشف واستشعار الغازات السامة مثل: الهيدروجين، ثاني هيدروجين الكبريت، وثاني أكسيد الكربون تحت الظروف الجوية النظامية. لقد قمنا باختيار مادة أكسيد الزنك المصنعة على هيئة سبائك رقيقة نانوية لأنها معروفة بأنها واعدة في صلاحية تطبيقاتها في مجال استشعار الغازات. من ناحية ثانية، قمنا باقتناء طريقة حسابية رباعية تعتمد على سطرين: نظرية دالة الكثافة مع طريقة جرين لحساب الناقلية الكهربائية. كلتا الطريقتين مدمجتين في برنامج محاكاة واحد. يقسم العمل في هذه الأطروحة إلى ثلاث مراحل: (1) دراسة تأثير الشوائب على كفاءة استشعار الغازات: قمنا بمحاولة دمج شوائب مثل ذرات النيتروجين، الكربون، والفوسفور ورؤية تأثيراتها على الحصول على استشعار انتقائي للغازات. كانت النتيجة أن النيتروجين هو الوحيد الذي يمتلك القدرة على إحداث استشعار انتقائي لغاز الهيدروجين. اكتشفنا أن السر وراء ذلك هو حصول ناقلية تفاضلية سالبة لسبائك الزنك المضيفة بذرة النيتروجين. (2) دراسة أسباب حدوث الناقلية التفاضلية السالبة في سبائك أكسيد الزنك المضيفة بعنصر النيتروجين: بات من المفروض أن نمر لدراسة أسباب حدوث الناقلية التفاضلية السالبة في سبائك الزنك المضيفة بالنيتروجين. لقد وضحت الدراسة أن ذرة النيتروجين تقل بالإلكترون واحد عن ذرة الأكسجين، هذا النقص بالإلكترون الواحد يحدث فراغاً في رابطة كيميائية واحدة، والتي بدورها تحدث انحصاراً كمياً للشحنة من حول ذرة النيتروجين. خلال جريان التيار الكهربائي تشحن ذرة النيتروجين سلباً وذلك ينفر الإلكترونات العابرة بل يجعل بعضها يعود من حيث أتى. تسبب هذه الظاهرة حدوث الناقلية التفاضلية السالبة. (3) دراسة تأثير المحفزات المعدنية على كفاءة استشعار الغازات: قمنا بتجربة خمس محفزات معدنية وهي: بلاتينيوم، بلاديوم، الحديد، الذهب الأصفر، والذهب الأبيض. تم وضع ذرة المحفز على سطح سبيكة أكسيد الزنك ثم القيام بتجربتها في استشعار الغازات.

نستطيع تلخيص النتائج للمراحل الثلاث كالآتي: لقد دلت النتائج أن لوجود الناقلية التفاضلية السالبة في سبائك الزنك المضيفة بالنيتروجين أهمية بالغة في الحصول على كفاءة استشعار عالية لغاز الهيدروجين. أما بالنسبة لتأثير المحفزات المعدنية، فقد دلت النتائج أن كل من البلاتينيوم والبلاديوم لا يمتلكان القدرة لإحداث استشعار انتقائي لأي غاز عند درجات حرارية نظامية. كما دلت النتائج أيضاً أن محفز الحديد يحدث استشعاراً انتقائياً لغاز ثاني أكسيد الكربون تحت درجات حرارية نظامية. في حين أن محفزي الذهب الأبيض والذهب الأصفر يحدثان استشعاراً انتقائياً لنفس الغاز وهو ثاني هيدروجين الكبريت تحت درجات حرارية نظامية. تجدر الإشارة بأن جميع النتائج النظرية المحصلة في هذه الأطروحة في تطابق وتوافق مع النتائج العملية التي نشرت والتي تم إجراؤها في مختبرات عالمية.

Arabic Comments

مفاهيم البحث الرئيسية: الحسابات الأولية، استشعار الغازات، الشوائب، ZnO.

Download

Share

COinS