Análise teórica-experimental das propriedades elétricas de sensores de amônia à base de polianilina

Abstract

Nesse trabalho apresentamos o estudo das propriedades elétricas de sensores de amônia à base de polianilina, nomeadamente polianilina/poli(vinil sulfato de sódio) (PANI/PVS) e polianilina/pentóxido de vanádio (PANI/V2O5). São detalhadas as etapas de preparação dos dispositivos, desde a deposição dos filmes via técnica de automontagem layer-by-layer (PANI/PVS) e casting (PANI/V2O5), até a confecção dos eletrodos de tinta prata pela técnica silk-screen, o que gerou o baixo custo associado à fabricação dos sensores. Os sensores foram submetidos a diferentes concentrações de amônia e o comportamento da resposta elétrica foi avaliado por meio da técnica de espectroscopia de impedância (EI). Em nosso estudo, a EI foi utilizada como nova abordagem na caracterização de sensores de gás, que potencialmente pode ser estendida a outros dispositivos orgânicos como biossensores e línguas eletrônicas. A análise da EI permitiu também a identificação das contribuições condutivas e a ausência dos efeitos de eletrodos dos sensores, bem como estabelecer uma faixa ótima de frequência de operação. Foi observada que a estabilidade elétrica dos dispositivos aumentou cerca de 10% na faixa de frequência entre 10 Hz e 100 Hz em relação a medidas em corrente contínua. O tempo de resposta dos sensores submetidos à amônia foi menor quando comparado ao sensor comercial de referência, além de apresentarem boa reprodutibilidade e reversibilidade após algumas horas na ausência do gás. A impedância do sistema PANI/PVS medida em 100 Hz aumentou linearmente cerca de 300% quando a concentração de amônia variou de 0 a 30 ppm, enquanto para o sistema PANI/V2O5 o aumento foi de 120%. O estudo teórico-experimental da impedância complexa, ou do seu análogo em condutividade alternada e/ou admitância complexa, possibilitou a utilização do modelo fenomenológico Cole-Cole e dos modelos microscópicos RFEB e RFEB-G (distribuição discreta e não uniforme de barreiras de energia). Estes dois últimos modelos são baseados na teoria de salto dos portadores de carga e forneceram valores diferentes para o parâmetro de salto para cada um dos sistemas.

In this work it is presented the electrical properties of ammonia gas sensors based on polyaniline (PANI), particularly polyaniline/poly(vinyl sulfonic acid) (PANI/PVS) and polyaniline/vanadium pentoxide (PANI/V2O5). All the preparation steps of the devices are described, from the deposition of films via the layer-by-layer self- assembly (PANI/PVS) and casting (PANI/V2O5), to the fabrication of silver electrode structure via silk-screen technique. Note that these fabrication procedures led to the low cost of sensors. The sensors were submitted to different ammonia concentrations and the electrical response behavior was evaluated by impedance spectroscopy (IS) measurements. In this study, IS was used as a new approach to the gas sensors characterization and can potentially be employed by other organic devices such as biosensors and electronic tongues. The IS analysis also allowed to distinguish the conductive contributions and the absence of the electrode effects, as well as to establish an optimal frequency range of operation. We observed that in the frequency range 10 - 100 Hz the electric stability of the devices has increased in about 10% when compared to the direct current measurements. The response time of the PANI-based sensors was lower than the commercial reference sensor and exhibited good reproducibility and reversibility after few hours in ammonia gas absence. The measured impedance of system PANI/PVS at 100 Hz increased linearly about 300% when the ammonia concentration varied from 0 up to 30 ppm, while increased 120% for the system PANI/V2O5. The theoretical and experimental study of the alternating conductivity and the complex admittance of disordered solids allowed to use the Cole-Cole phenomenological approach, RFEB (Random Free Energy Barrier) and RFEB-G (discrete and non-uniform distributions of energy barriers) microscopic models. These two last models are based in the hopping charge carriers theory that provides different values of the parameter for each system.