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Previous issue date: 2018-05-21 === O gás natural é um hidrocarboneto proveniente da decomposição da matéria orgânica pela ação de bactérias anaeróbicas a grandes profundidades e altas temperaturas. É responsável por 20% da geração de energia mundial atualmente, o que prova a sua importância para o setor energético. O gás metano é o principal constituinte do gás natural, podendo chegar a representar até 97% da sua composição. Por ser um grande poluente e um dos gases que mais contribuem para o efeito estufa no planeta, o gás metano tem sido o assunto de muitos debates que envolvem riscos ao meio ambiente. Muitos desses riscos são relacionados às emissões fugitivas em gasodutos, os quais são tubulações que realizam o transporte de gás natural que parte da indústria petrolífera e chega aos clientes residenciais e industriais finais. Tais emissões caracterizam o principal tipo de emissão de gás natural gerada pela indústria petrolífera. Como o metano é um gás altamente inflamável, as emissões fugitivas de gás natural colocam em risco a vida das pessoas que trabalham na indústria do petróleo e que moram em regiões atravessadas pelos gasodutos. Por isso, nos últimos anos, a demanda por sensores de gás que consigam operar de forma mais eficiente, confiável e com menos custos para detectar emissões fugitivas de gás natural em gasodutos aumentou significativamente. Óxidos semicondutores de estanho atuam como uma importante e atraente base para classes de sensores de gás. Com isso, muitas pesquisas recentes têm abordado temas relacionados à melhoria de desempenho de sensores desse tipo, tais como: propriedades dos óxidos semicondutores, redução ao tamanho nanométrico dos óxidos semicondutores, dopagem de óxidos semicondutores com elementos químicos específicos, entres outros. A partir disso, neste trabalho, foram confeccionados cinco filmes finos de dióxido de estanho dopados com o elemento ferro em cinco diferentes concentrações estequiométricas e um filme fino de dióxido de estanho sem dopagem. O objetivo da confecção dos filmes finos foi aplicá-los como nanosensores do gás metano. Todos esses filmes finos foram depositados durante duas horas sobre substratos de vidro através do uso da técnica de pulverização catódica. Para a produção de cada um desses filmes, primeiramente, foram feitas seis ligas metálicas de Sn e Sn/Fe, usando um forno de arco. A liga composta somente por estanho foi utilizada para a fabricação do filme de SnO2 não dopado, enquanto que as outras cinco ligas compostas por estanho e ferro foram usadas para a produção dos filmes de SnO2 dopados com ferro. Além disso, foram realizadas caracterizações estruturais, óticas, morfológicas e magnéticas dos filmes através dos métodos de Difratometria de Raios-X, Espetrofotometria no Ultravioleta e Visível, Microscopia Eletrônica de Varredura, Microscopia de Força Atômica e Medições Magnéticas. Tais métodos possibilitaram o estudo das propriedades dos filmes finos. Em seguida, foram feitos testes de sensores para o gás metano no interior de uma câmara fechada a uma temperatura de 200°C. Tais testes permitiram a medição da resistência elétrica de cada filme aplicado como nanosensor em função do tempo, na presença de uma mistura gasosa contendo gás metano e na presença do ar atmosférico. As caracterizações morfológicas evidenciaram a presença dos filmes finos depositados sobre os substratos de vidro. As caracterizações estruturais mostraram a formação de uma única fase correspondente à estrutura cristalina do dióxido de estanho. As caracterizações óticas permitiram encontrar o valor do gap de energia de cada filme fino, sendo que cada valor encontrado se aproximou do respectivo valor encontrado na literatura para o sólido cristalino de dióxido de estanho. As medições magnéticas mostraram a coexistência dos comportamentos paramagnéticos e ferromagnéticos nos filmes finos com dopagem de ferro. Os testes de sensores de gás permitiram verificar a influência da dopagem do ferro no desempenho dos nanosensores de dióxido de estanho. Os resultados dos testes indicaram que o filme fino de SnO2 dopado com 5% de ferro teve uma melhora significativa na resposta como nanosensor do gás metano, em comparação aos outros filmes finos de SnO2 produzidos, não dopados e dopados com ferro. Logo, é possível concluir que a dopagem com ferro a partir dessa concentração tem importante influência na melhoria do desempenho dos filmes finos de SnO2 como nanosensores do gás metano. === Natural gas is a hydrocarbon derived from the decomposition of organic matter by the action of anaerobic bacteria at great depths and high temperatures. It accounts for 20% of the global energy generation nowadays, a fact which proves its importance to the world's energy sector. Methane gas is the main constituent of natural gas and accounts for up to 97% of its composition. It has been the subject of many debates that involve risks to the environment because it is a major pollutant and one of the gases that most contribute to the greenhouse effect on the planet. Many of those risks are related to fugitive emissions from gas pipelines. These pipelines transport natural gas from the oil industry to residential and industrial final customers. Fugitive emissions of natural gas endanger the people’s life who work in the oil industry and people who live in the regions crossed by pipelines. That is why the demand for gas sensors that can operate efficiently, reliably and with less cost to detect fugitive emissions from gas pipelines has significantly increased in the last years. Tin oxide semiconductors act as an important and attractive base for gas sensors. Then, many recent researches has been devoted to topics related to the performance improvement of this type of sensors such as: the semiconducting oxides properties, size reduction of semiconducting oxide to a nanometric scale, doping of semiconducting oxides with specific chemical elements, etc. In this work, six thin films of tin dioxide were deposited to test the methane gas sensing response. Five of these films were doped with iron at five different stoichiometric concentrations. The sixth film was an undoped sample. All these thin films were deposited on glass substrates during two hours using the sputtering technique. The purpose of making thin films was to apply them as methane gas nanosensors. The targets used for the films deposition were alloys of Sn/Fe with specific stoichiometry previously fabricated in an arc furnace. Pure tin was used for the fabrication of the undoped SnO2 (intrinsic) film while the other five Sn/Fe alloys were used for the production of iron doped SnO2 film. In addition, the structural, optical, morphological and magnetic characterization of the films were carried out using the following methods: X-ray Diffraction, Ultraviolet and Visible Spectrophotometry, Scanning Electron Microscopy, Atomic Force Microscopy and Magnetic Measurements. The study of thin films properties was based on the results of these methods. Subsequently, tests were performed using methane gas and thin films inside a closed chamber at a temperature of 200°C. These tests consist in measuring the electrical resistance of each film as a function of time in the presence of atmospheric air and the methane gas. The morphological characterization evidenced the presence of the films deposited on the glass substrates. The structural characterization showed the formation of a single phase corresponding to the tin dioxide crystalline structure. The optical characterization indicated the energy gap value of each thin film. These values found experimentally are close to the theoretical values for the tin dioxide crystalline solid. Magnetic measurements showed the coexistence of paramagnetic and ferromagnetic behavior in iron doped films. The gas sensor tests verified the influence of iron doping on tin dioxide nanosensors performance. The general results indicated the SnO2 film doped with 5% iron had a significant improvement in the response to the methane gas in comparison to films with other Fe concentration (0% to 4%). Therefore, it is possible to conclude the 5% iron doping has an important influence on the performance of SnO2 thin films as methane gas nanosensors.
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