In-depth properties analysis of ZnAl2O4/ZnO micro-nanostructures

Abstract

This manuscript presents characterization of ZnAl2O4/ZnO micro-nanostructures of their morphological, chemical, structural and sensing properties. The ZnO micro-nanostructures obtained using flame transport synthesis were covered with ZnAl2O4 nanodots by chemical approach. Morphological, chemical and structural properties have been investigated using SEM, EDX and XRD, respectively. Scanning electron microscopy investigation shows the formation of micro-nanostructures of different morphologies, namely tetrapods and nanowires, covered with nanodots. The EDX study revealed the chemical composition of the micro-nanostructures, confirming the presence of Al on the micro-nanostructures’ surfaces too. The XRD pattern of the studied micro-nanostructures shows the presence of ZnO and ZnAl2O4 crystalline phases in the grown material. A single ZnAl2O4/ZnO nanostructure was integrated into a device by FIB/SEM and tested to a series of gases at different operating temperatures, demonstrating selectivity to 100 ppm hydrogen gas and response value of ~1.2 up to ~3.65 at 20 °C and 150 °C, respectively. A sensing mechanism to hydrogen gas was proposed, involving free electrical charge transfer between ZnO wire and ZnAl2O4 nanodots. Based on the knowledge gained, optimization of hydrogen gas sensors using the methods and nanomaterials presented herein is envisioned.

În această lucrare sunt prezentate proprietățile morfologice, chimice, structurale și senzoriale ale micro-nanostructurilor ZnAl2O4/ZnO. Micro-nanostructurile de ZnO obținute prin metoda sintezei prin transport de flacără au fost acoperite cu nanopuncte de ZnAl2O4 prin metoda chimică. Proprietățile morfologice, chimice și structurale au fost investigate utilizând SEM, EDX și XRD. Investigația prin microscopie electronică de scanare arată formarea de micro-nanostructuri de diferite morfologii, și anume tetrapozi și nanofire, acoperite cu nanopuncte. Studiul EDX a relevat compoziția chimică a micro-nanostructurilor, confirmând prezența Al și pe suprafețele micro-nanostructurilor. Difractograma XRD a micro-nanostructurilor studiate arată prezența fazelor cristaline ZnO și ZnAl2O4 în materialul obținut. Prin intermediul FIB/SEM a fost integrată o singură nanostructură ZnAl2O4/ZnO într-un dispozitiv și testată la o serie de gaze la diferite temperaturi de operare, demonstrând selectivitate la 100 ppm hidrogen cu valoarea răspunsului de ~1.2 la 20 °C până la ~3.65 la 150 °C. A fost propus un mecanism de detecție a hidrogenului, care implică transferal sarcinilor electrice libere dintre firul de ZnO și nanopunctele de ZnAl2O4. Pe baza rezultatelor obținute, se preconizează optimizarea senzorilor de hidrogen utilizând metodele și nanomaterialele prezentate.