¿QUE NOS DICE LA LEY DE POTENCIA SOBRE LAS REACCIONES SUPERFICALES DEL SnO2 INVOLUCRADAS EN EL SENSADO DE GASES REDUCTORES?

DESIMONE, M.; F. SCHIPANI; R. PROCACCINI; D. A. MIRABELLA; ALDAO, C. M.

Mar del Plata

Congreso; SAM CONAMET 2022; 2022

INTEMA

Lossemiconductores basados en óxidos metálicos policristalinos (MOXS) son losmateriales inorgánicos más comúnmente utilizados para el sensado químico degases inflamables y tóxicos. El mecanismo de sensado involucra procesosfísico-químicos complejos sobre la superficie del material. Estos dispositivosconvierten una señal química, como la concentración de un gas, en un señaleléctrica que proviene del cambio en la resistividad del material cuando seencuentra bajo la exposición al gas. A pesar de la gran cantidadde estudios teóricos y prácticos realizados para comprender estos procesos, losdetalles del mecanismo básico responsable del cambio en la resistencia del filmsensor aún son controversiales [1-3].    Elmodelo de ionosorción,considera que las partículas de gas se quimisorben sobre la superficie de losgranos atrapando o liberando portadores de carga desde o hacia el interior delos granos. Esto altera la densidadelectrónica cerca de la superficie formando una región llamada zona de deserción en granos de grantamaño, dando lugar a una barrera de potencial. En granos pequeños, las zonasde deserción se superponen de modo que no se forman barreras. El dióxido deestaño, SnO2, es el óxido metálico más utilizado como sensor degases. Este material es un semiconductor tipo n, ya que las vacancias de oxígeno constituyen el defectodominante de carácter donor. Generalmente se considera que el oxígeno se puedequimisorber sobre la superficie del SnO2 como O2- odisociado como O- o O2-[3-5]. Ciertos gases reductores reaccionan con el oxígeno adsorbidodisminuyendo su densidad superficial y, por lo tanto, la resistencia eléctrica.Se sabe empíricamente que la conductividad eléctrica (G)de los MOXS expuestos a un gas, obedecen una ley de potencia con respecto a lapresión del gas (p) de la forma: Gµ p-g dondeg determinala sensibilidad del sensor al gas. Varios estudios han reportado que esta leyde potencia puede ser deducida a partir de la ley de acción de masas teniendoen cuenta las reacciones que se llevan a cabo sobre la superficie del materialsensor.Scherrer se calculó un tamaño de grano promedio de 5.5 nm. Para las medidas eléctricas, se depositó elpolvo obtenido sobre un sustrato de alúmina con electrodos de Pt interdigitales. Luego se colocó la muestradentro de una celda de 0.1 l a 300°C bajo la exposición de un flujo continuo de distintos gases (N2, airesintético seco y H2).Basados en el modelo de ionosorción y al aplicar la ley de acción de masas a las reacciones superficialespropuestas, se obtuvieron las dependencias de la conductividad con las presiones del gas reductor (A) y deloxígeno gaseoso, lo que determinó cada uno de los exponentes de la ley de potencia (Tabla 1).La Figura 1 muestra la dependencia de la conductividad en función de la presión parcial de H2(manteniendo la presión parcial de aire constante) y en función de la presión parcial de aire seco (con lapresión de H2 constante). En el recuadro de la Figura 1(b) se muestra cómo la conductividad permanececonstante al mantener fija la relación entre las presiones parciales de aire e H2.