Réalisation d'un capteur de gaz MOX

I.5.3.4.5 Rôle d'état de surface dans les oxydes métalliques

Les états de surface sont les forces localisées dans la bande interdite. Des électrons libres du film peuvent être emprisonnés sur les surfaces des joints de grains ou des grains dans deux genres d'état de surface ; intrinsèque et extrinsèque.

a) Etat intrinsèque

Des états intrinsèques se composent d'états qui sont crées par l'existence de la surface elle-même, résultante des états rompus de surface.

b) Etat extrinsèque

Des états extrinsèque se composent d'états qui sont crées par les impuretés extérieurs, et dopage. Les états extrinsèques sont crées par les atomes ou les molécules adsorbés sur la surface.

L'existence des états extérieurs provoque des procédés électroniques de piégeage. Si l'électron est emprisonné dans un atome ou une molécule adsorbé (états extrinsèque) créant un ion, ce procédé s'appelle ionisation. En d'autres termes le piégeage des électrons et l'ionisation de l'oxygène est le méme phénomène.

L'oxygène chimisorbe dissociativement sur la surface des oxydes métalliques résistifs dans des températures de fonctionnement typique d'environ 300 ~ 400 °C, l'ion d'oxygène O^- est l'espèce dominante sur la surface.

I.5.3.5 Rôle de l'oxygène et principe de détection

L'oxygène joue un rôle primordial dans la détection des gaz par les oxydes métalliques. Les molécules d'oxygène peuvent être adsorbées à la surface d'un oxyde métallique lorsque celui-ci est mis en contact avec l'oxygène selon les réactions suivantes L1]:

Adsorption physique de l'oxygène :

O2 (gaz) = O2 (adsorbé) (1.34)

Adsorption chimique de l'oxygène :

O2 (adsorbé) + e^- = (1.35)

Dissociation de l'oxygène :

+ e^-= 2 O^- (1.36)

O- + e-= O^2- (1.37)

L'adsorption chimique de l'oxygène à la surface du ZnO conduit à un transfert des électrons libres du réseau vers les molécules adsorbées. Il résulte donc une diminution de la conductivité électrique.

Quand le ZnO est exposé à des gaz autres que l'oxygène présent dans l'air, il peut y avoir une
réaction chimique avec les espèces préadsorbées, notamment les espèces oxygénées. Les

réactions qui ont lieu sont essentiellement des réactions d'oxydoréduction. Par exemple, pour un gaz réducteur comme l'éthanol que nous avons traité dans ce mémoire, la réaction chimique suivante se produit :

1/ selon les travaux mené par : D R Patil, L A Patil et D P Amalnerkar [15] où ils décrivent la réaction d'adsorption de l'éthanol sur la surface du ZnO.

C2H5OH(gaz) + 6O^2- _(surface) - _2CO2(gaz) + _3H2O(gaz) + 12^e- (band cond) (1.38)

2/ aussi selon les travaux mené par : N Hongsith, S Choopun, P Mangkorntong et N Mangkorntong [16].

2C2H5OH + - 2CH3CHO + 2H2O + 2 e (1.39)

2C2H5OH + - 2CH3CHO + 2H2O + 1 e (1.40)

Dans ce cas, le nombre des porteurs majoritaires augmente, ce qui conduit à une augmentation de la conductivité électrique. Inversement, pour un gaz oxydant comme O3, la réaction suivante se produit :

O3 (gaz) + e^- = + O2 (gaz) (1.41)

Le nombre de porteurs majoritaires diminue ce qui conduit à une diminution de la conductivité électrique.

La variation de la résistance du capteur à base d'oxyde métallique en fonction de la concentration de gaz est décrite par la formule suivante :

R = K.[C]^á (1.42)

Où K et á sont des constantes et [C] la concentration d'un gaz dans l'air. Selon la nature du matériau de la couche sensible, de sa structure et du gaz, la valeur de á est comprise entre 0,2 et 0,8.