Developing of ion sensitve field effect transistor to lead detection

Autor: Rodrigo Reigota César
Přispěvatelé: Swart, Jacobus Willibrordus, 1950, Barros, Angélica Denardi de, 1982, Seabra, Antonio Carlos, Diniz, José Alexandre, Panepucci, Roberto Ricardo, Alves, Oswaldo Luiz, Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Rok vydání: 2014
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
instacron:UNICAMP
Popis: Orientadores: Jacobus Willibordus Swart, Angélica Denardi de Barros Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Com a escassez de água potável e com a sua contaminação frequente, a monitoração da mesma tornou-se importante. Dentre os muitos contaminantes, temos o chumbo (Pb). Este no passado foi muito utilizado em encanamentos residenciais, causando a contaminação da água. O chumbo pode causar danos á saúde humana desencadeando desde disfunções nos rins, aborto até alguns tipos de câncer. Dessa forma a criação de um dispositivo do tipo ISFET (Transistor de Efeito de Campo Sensível a Íon), que detecta a presença de cátions e ânions em água, está sendo desenvolvido para a detecção específica do chumbo. Para tal fim, foram utilizados filmes finos de óxido de titânio (TiO2) como dielétrico de porta e foi utilizado fosfato de cério fibroso (CeP) como membrana seletiva (material desenvolvidos no Laboratório de Química do Estado Solido - LQES[1]). Os filmes finos de TiO2 foram obtidos por dois métodos: i) deposição de titânio metálico por sputtering seguido pelo processo de oxidação térmica rápida (rapid thermal process - RTP); ii) deposição do óxido de titânio por sputtering. Foi escolhido o dióxido de titânio (TiO2) devido as suas características como: alta constante dielétrica, capacidade de formar pontes de hidrogênio e estabilidade química. Os filmes de TiO2, foram caracterizados estruturalmente por espectroscopia Raman; apresentando picos relacionados à estrutura cristalina rutilo, o que foi através do índice de refração igual a 2.4 encontrado na elipsometria. A microscopia de força atômica (AFM) e microscópio óptico mostraram a uniformidade do filme de CeP, dessa maneira sendo possível determinar qual é o melhor método de deposição da solução de CeP. Para testar qual método de deposição que resultou no melhor filme fino de TiO2, foram desenvolvidos capacitores com estrutura Si/TiO2e Si/SiO2/TiO2 no CCS (Centro de Componentes Semicondutores). Dessa maneira foram realizadas as medidas capacitância por tensão (CxV) e corrente por tensão (IxV) para vários tempos de recozimento. Levando-se em consideração o menor valor de densidade de carga, tensão de banda plana próximo ou igual a -0,9 V e o maior valor da constante dielétrica foi possível determinar que para ambos os métodos de deposição a melhor estrutura é a de Si/TiO2, com 10 minutos de recozimento para o filme obtido por RTP e com 15 minutos para o filme obtido por sputtering. Com a melhor condição elétrica de funcionamento dos capacitores foi desenvolvido o Eletrólito-Isolante-Semicondutor (EIS). A partir da curva CxV dos dispositivos EIS sem a membrana de CeP e com o óxido de Ti obtido por RTP, foi possível determinar a sensibilidade de 45mV/pH para soluções com diferentes valores de pH e sensibilidade igual a 42mV/100ppm para soluções com diferentes concentrações de chumbo. Com a membrana seletiva o dispositivo mostrou sensibilidade de 40mV/100ppm para soluções com concentrações diferentes de chumbo. O dispositivo EIS com óxido obtido por sputtering teve sensibilidade de 96mV/pH na detecção de pH, sendo está sensibilidade maior que a obtida pelo EIS obtido por RTP. Ao testar soluções com diferentes concentrações de chumbo, o dispositivo sem a membrana seletiva mostrou uma sensibilidade de 30mV/100ppm. Neste caso, o EIS com membrana seletiva mostrou uma sensibilidade de 20mV/100ppm Abstract: With the shortage of drinking water and with their frequent contamination, monitoring the same became important. Among the many contaminants, we have lead (Pb). This in the past it was widely used in residential plumbing, one of the ways that caused water contamination. Lead can cause damage to human health from kidney dysfunction, causing abortion and even some types of cancer. In this way the creation of a device of type ISFET (Sensitive Field Effect Transistor for ion), which detects the presence of cations and anions in water, is being developed for the specific detection of lead. For this purpose, we used thin titanium dioxide (TiO2) films as dielectric and fibrous cerium phosphate (CeP) was used as selective membrane (material developed in the laboratory of Solid State Chemistry-LQES[1]). The TiO2 thin films were obtained by two methods: 1) metallic titanium was deposited by sputtering then was oxidized by rapid thermal oxidation process (RTP); 2) Consist in titanium oxide deposition by sputtering. Titanium dioxide was chosen due to it quality was dielectric constant, ability to form hydrogen bonds and chemical stability. TiO2 thin films were structurally characterized by Raman Spectroscopy showing peaks related to rutile crystal structure, which has been proven through the refractive index equal to 2.4 found on elipsometria. The atomic force microscopy (AFM) and optical microscope showed the uniformity of the CeP film, thus being able to determine what the best method of deposition of CeP solution. To test which method has the best TiO2 thin film capacitors were developed with Si/TiO2 and Si/SiO2/TiO2 structure on CCS (Centre of Semiconductor Components). In this way were carried out the measures capacitance of versus voltage (CxV) and current versus tension (IxV) for various annealing times. Taking into consideration the smallest value of charge density, flat-band voltage near -0.9V and the greatest value of dielectric constant, it was possible to determine that for both methods of deposition the best structure is the Si/TiO2, with 10 minutes of annealing for the film obtained by RTP and with 15 minutes to the film obtained by sputtering. With the best electrical capacitors operating condition was developed the Electrolyte-Insulator-Semiconductor (EIS). From the curves CxV without the membrane of CeP and the titanium oxide obtained by RTP, it was possible to determine the sensitivity of 45mV/pH for pH detection and sensitivity of 42mV/100ppm for lead detection. With the selective membrane the EIS showed a sensitivity of 40mV/100ppm for lead detection. The EIS device with TiO2 obtained by sputtering showed a sensitivity of 96mV/pH for pH detection and sensitivity of 30mV/100ppm for lead detection. The EIS with selective membrane showed a sensitivity of 20mV/100 ppm for lead detection Mestrado Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica Mestre em Engenharia Elétrica
Databáze: OpenAIRE
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