Введение к работе
Актуальность работы. Известно, что на фоне интенсивного рос тії промышленного производства происходит росі количества «рсдиых для человека выбросов и окружающую среду. В связи с этим остро истает вопрос разработки эффективных и, и то же ирсмя дешевых но техническому исполнению н простых и эксплуатации систем газового мониторинга производственных процессов и окружающей среды. Наиболее перспективными объектами в сфере указанных прикладных проблем являются приборы па основе полупроводниковых сенсоров, о чем повеем мире свидетельствует .значительное увеличение за последние десятилетия объемов мирового финансирования данного направления на государственном уровне. При этом некоторые мировые гиганты-производители газовых датчиков (Непал Hanwei Electronics, Rilken Keiki, Figaro и др) уже имеют в своих каталогах подобную продукцию, выпускаемую но керамической и толстопленочной технологиям. Главный недостаток данных технологий заключается в сложности получения сенсорного слоя е воспроизводимыми электрофизическими параметрами, что нажно для серийного производства. Исследования широкою спектра оксидных полупроводников для резистивпых газовых датчиков показали, что с точки зрения наибольшего практического применения использу-егся диоксида олова (SnOz). Это связано с высокой чувствительностью его электропроводности к состоянию контактирующей с газовой фазой поверхности в относительно низкой области рабочих температур 200 - 500 С.
Использование для этих целей наносірукчурных топких пленок типа (Snt^CIiijOj)^ теоретически должно улучшил, метрологические характеристики сенсорных слои». В то же время прозрачные проводящие пленки (ППП) на основе 1в2Оз, легированного Sn02) используются как прозрачные электроды для солнечных батарей. Поэтому получение пленок (SnC^xCInzO})»-., во всем концентрационном ряду позволит определить влияние степени легирования пленок на их электрофизические и оптические свойства, что но достаточно освещено в мировой литературе. Применение в данном случае новейших тонкоплепочных технологий можег позволить достигнут воспроизводимых параметров и снижения себестоимости готового продутая. При этом возможно получение газочувствительных пленок оксидов металлов в напокриеталлическом состоянии с размером зерен от единиц до десятков нанометров, что должно позволить значительно увеличить чувствительность сенсорного слоя. Данное предположение обусловлено тем, что такие пленки будут обладать большим соотношением поверхности и объема, а процессы, определяющие изменение электрофизических свойств оксидов при изменении состава окружающей среды, происходят' па их поверхности.
Среди методов получении тонких газочувствительиых пленок диоксида олова и ППП наиболее эффективным и перспективным методом, янляогся высокочастотное мапістроішос (ВЧ-машстронное) распыление оксидных мишеней (см. гл. 1 диссертации). Несмотря па то, что данный метод получения тонких пленок стал применяться сравнительно давно, в настоящее время нет единого мнения о механизме образования металлооксидных пленок и
влияния технологических параметров распыления на физические характеристики напыляемых слоев.
Таким образом, попроси разработки методики ВЧ-мапиетроиного распыления оксидных мишеней для изготовления наноегруктуриого сенсорного элемента газового датчика и 1ШП для оптических преобразователей энергии являются актуальными.
В связи с эгим целью диссертационной работы являлось установление влияния технологических параметров синтеза методом ВЧ-магиетропного распыления пленок Sn-O-In на их оптические и электрофизические свойства для применения в газовой сенсорике и онгоэлекгропике.
В соответствии с целью исследований были поставлены следующие задачи:
напылить серии образцов пленок Sn- O-In методом ВЧ-мапісгрошіого распыления при различных расстояниях мишень-подложка, мощностях распыления, температурах подложки и составах мишени (Вп02)л(ІП20з)і.х (х-О-* 1);
определить влияние технологических параметров ВЧ-машстроиного распыления (мощность : распыления, температура подложки) и расстояния до мишени (SuOj)XIniO^)i-x на морфологию поверхности, фазовый состап и оптические свойства пленок Sn-O-In;
исследовать влияние состава мишени (8пОг)я(1п2Оз)|.х на фазовый состав, оптиче-сісис, электрофизические и газочувствптельпые свойства пленок;
разработать методики получения топкопленочных наноструктур состава Siv-0-In методом ВЧ магнетронного распыления для применения в газовой сенсорике и онтозкек-троникс.
Научнаи шнітна работы:
впервые методом ВЧ-машетронного распыления изготовлены тонкопленочные наноструктуры из мишеней состава (Sn02)j(liijQj)i.x в интерпале значений хЮ+!, применительно к газовой сенсорике и опгаэлектропике;
впервые исследованы морфология поверхности, фазовый состав и оптические свойства пленок, полученных методом ВЧ-машетронного распыления мишеней состава
(SnO^GnAta ири.х-0»-!;
- показано влияние технологических параметров ВЧ-магнетронного распыления на кинетику осаждения и свойства пленок Sn-O-In;
впервые установлены и оптимизированы технологические параметры ВЧ-магнетронного распыления, для получения тонконленочпых наноструктур состава Sn-O-in с диаметром кристаллитов 5-5-60 им;
впервые установлен характер влияния технологических параметров и состава мишени (Sb02)x(Ib203),.x (х=0Ч) при ВЧ-машетронном распылении на электрофизические и газочуветви тельные свойства пленок Sn-O-In.
Практическая значимость работы:
- методика и режимы ВЧ-магнетронного распыления для получения электроста-
Сильных юикопденочпых наноструктур сосгниа Sn -O-In e контролируемым диаметром кристаллитов 5*60 нм, не требующие добавлення кислорода и камеру при напылении и бе» дополнигельної о высокотемпературного отжига на воздухе;
установлены технологические параметры ІЗЧ--магнетронного распыления, для получения пленок Sn- O-In обладающих максимальной газовой чувствительностью к парам этилового спирта4*6 оги. ед.',
получены пленки, обладающие преминем отклика на пары этанола (концентрация 200+1500 ррт) от 4 до 17 с, что не менее чем и 6 раз меньше ирсмепи отклика серийно выпускаемого образца газового сенсора MQ-3;
установлены технологические параметры БЧ магнетронного распыления пленок состаиа Sn-O-In, обладающих коэффициентом пропускания п видимом диапазоне 7--95 % при удельном сопротивлении />~-6х 10" Омм, концентрацией носителей заряда А'ь"9х)0~1 см' и хо.тловской подвижностью /7=81 см7(Вхе).
На защиту ныноапел:
характер влияния технологических параметров 134-магнетронного распыления и состава мишени (Sn02)x(IibOj)i.x при х--0; І па фазовым состав, оптический, электрофизические и газочупетви тельные свойства тонкої] леночных наносі рутстур состава Sri О In;
методика и режимы ЇЗЧ- магнетронного распыления для получения элскт|>оета-бильпых юикоплепочных наноструктур состаиа Sn-O-ln е развитой поверхностью, не требующие добавления кислорода п камер}1 при напылении и без дополнительного высокотемпературного отжига на воздухе;
статические, динамические и температурные газочувствит елыше характеристики топкоплепочиых наноструктур состава (SnC)2)x(ln2Oj),.x при х~ 1+0,9. ,
Апробация работы. По результатам исследований были сделаны доклады па научно-технических конференциях по результатам работы профессорско-преподавательского состаиа, аспиратой и студентов Северо-Кавказского государе шейного технического университета (Ставрополь, 2006, 2008 гг.), международных научных конференциях «Химия твердого тела и современные микро- и панотсхнологии» (Кисловодск, 2005, 2007, 2008 г.г.); региональной научно-технической конференции «Вузовская паука - Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2007г.); международной научной студенческой конференции «Научный потенциал студенчества - будущему России» (Ставрополь, 20О7г.).
Достоверность полученных резулыатш» обусловлена непротиворечивостью и соответствием полученных резулыагоп современным научным представлениям и эмпирическим данным. Применением в проведенных экспериментах стандартной измерительной аппаратуры, комплексным и корректным использованием в экспериментальных исследованиях общепризнанных методик, метрологическим обеспечением измерительной аппаратуры, согласованностью полученных результатов с результатами других исследователей, практической реализацией результатов исследований.
Публикации. Оспошіьіе результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, «том числе в 3 статьях и 9 тезисах докладов на международных, российских и региональных научно-технических конференциях и семинарах,
Структура и объем работы. Диссергация состоит из «ведения, 4 глап, основных результате/) и выводов но работе. Содержит 124 страницы машинописного текста, включая 8 таблиц, 40 рисункон и список литературы в количестве 104 наименований.
