Введение к работе
Актуальность работы
Для детектирования взрывоопасных и токсичных газов, защиты окружающей среды, управления технологическими процессами, а также для контроля физиологического состояния человека, качества продуктов питания и т.п., необходимы компактные и высокочувствительные газовые сенсоры. Устройства резистивно-го типа, принцип действия которых основан на изменении электрической проводимости при адсорбции молекул газов, представляются наиболее перспективным классом газочувствительных приборов. Они просты в эксплуатации, экономичны, имеют малые габариты и низкую стоимость. На сегодняшний день основная часть коммерческих газовых сенсоров производится на основе полупроводниковых оксидов металлов, таких как Sn02, ZnO, WOj и In203.
Газовые сенсоры на основе диоксида олова (Sn02) обладают рядом преимуществ, а именно, высокой чувствительностью и быстродействием, стабильностью характеристик. Однако, низкая селективность и необходимость нагрева Sn02 до температур 100-500С (для активации сенсорных свойств и достижения максимальной чувствительности) являются определенными недостатками данного материала. В частности, необходимость нагрева ограничивает область применения сенсоров при детектировании взрывоопасных газов и биологических молекул. Известно, что химическое модифицирование оксида олова различными примесями (Рт, Си, Ni, Pd и др.), а также использование нанокристаллов Sn02, позволяет повысить чувствительность и селективность сенсоров к определенным типам молекул и уменьшить температуру нагрева [1]. Тем не менее, разработка новых сенсоров на основе оксида олова, в том числе, нанокристаллов Sn02, для работы при температурах близких к комнатной остается актуальной задачей. Для существенного снижения рабочей температуры сенсора на основе Sn02 предлагаются различные подходы, например, фотовозбуждение, которое могло бы обеспечить высокую чувствительность даже при комнатных температурах [2]. К моменту постановки данного диссертационного исследования систематического изучения влияния фотовозбуждения на электронные свойства папокристаллических структур Sn02 в условиях адсорбции молекул газов не проводилось. В то же время, такие экспериментальные исследования необходимы как для создания новых типов газовых сенсоров, так и для лучшего понимания фундаментальных закономерностей поведения носителей
заряда в полупроводниковых нанокристаллах. Все это обуславливает актуальность темы данной работы.
Цель и задачи работы
Цель работы состоит в исследовании влияния фотовозбуждения и адсорбции молекул на электронные свойства нанокристаллических слоев оксида олова, приготовленных различными методами и содержащих нанокристаллы различного среднего размера и состава поверхностного покрытия .
Для достижения данной цели решались следующие задачи:
-
Исследовать структурные свойства, такие как средние размеры и фазовый состав, паночастиц оксида олова, приготовленных различными методами.
-
Изучить зависимость оптических свойств нанокристаллических слоев оксида олова от их структурных свойств.
-
Провести количественный анализ процессов генерации, разделения и захвата фотовозбужденных носителей заряда в нанокристаллических слоях оксида олова.
-
Исследовать изменение электропроводности нанокристаллических слоев оксида олова при фотовозбуждении в условиях адсорбции молекул.
Объекты и методы исследования
Для решения поставленных задач были выбраны объекты исследования в виде нанокристаллических слоев оксида олова с размером частиц в диапазоне от 3 до 100 им. Эксперименты проводились с использованием следующих методов:
спектроскопия пропускания в ультрафиолетовом (УФ), видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах спектра;
спектроскопия комбинационного рассеяния света (КРС);
фотолюминесцентная (ФЛ) спектроскопия;
измерение контактной разности потенциалов (КРП) при фотовозбуждении;
измерение импульсного фотонапряжения;
измерение электропроводности.
Научная новизна
Научная новизна может быть сформулирована в виде следующих положений, выносимых на защиту:
-
Установлено, что фотовозбуждение слоев оксида олова, состоящих из нанокристаллов с размерами 4-100 им, с энергией квантов 3-5 эВ приводит к преимущественному накопленшо положительного заряда на поверхности исследуемых образцов, что может быть объяснено захватом дырок на поверхности нанокристаллов и диффузией фотовозбужденных электронов вглубь слоя.
-
Установлено, что основной вклад в изменение электропроводности слоев оксида олова при фотовозбуждении связан с увеличением концентрации неравновесных электронов, которая при комнатной температуре достигает значений порядка 10 9см" и сохраняется в течение длительного времени (более 10 минут) после окончания фотовозбуждения.
-
Фотовозбуждение иапокристаллических слоев Sn02 с энергией квантов меньше ширины запрещенной зоны позволяет повысить на порядок сенсорный сигнал, определяемый как относительное изменение электропроводности, при адсорбции донорных и акцепторных молекул.
Практическая значимость работы
В диссертациошюй работе получены новые результаты, характеризующие зависимость структурных, оптических и электрических свойств нанокристаяличе-ских слоев оксида олова от условий их формирования. Особую практическую значимость имеет проведенный количественный анализ влияния фотовозбуждения на электрофизические свойства нанокристаллических слоев оксида олова. Такого рода информация может быть полезна для увеличения чувствительности газовых сенсоров при рабочих температурах близких к комнатной.
Основная часть экспериментальных исследований выполнена на оборудовании Центра коллективного пользования Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова. Частично работы по адсорбционным измерениям были проведены в Лаборатории химии и физики полупроводниковых и сенсорных материалов кафедры неорганической химии Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. Измерения контактной разности потенциалов методами Кельвина и
импульсного фотонапряжения проводились в Центре Гельмгольца (HZB), Берлин, Германия в рамках программы DAAD.
Личный вклад автора
В основу диссертации легли результаты исследований, проведешше автором в период 2008-2011 годов на кафедре общей физики и молекулярной электроники Физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова. Личный вклад автора в настоящую работу состоит в проведении экспериментов, обработке и анализе полученных результатов. Часть эксперимента проведена в рамках выполнения магистерских диссертаций студентов физического факультета МГУ О.И.Цетлина и Ю.Юевеня, соруководителем которых являлся соискатель.
Публикации и апробация работы
Результаты работы представлены в 4 статьях в реферируемых зарубежных и российском журналах, а также в 10 тезисах докладов на всероссийских и международных конференциях: 6-ой Курчатовской молодежной научной школе, Москва, Россия, 2008; I Всероссийской научно-технической конференции FTANMS-2008, Рязань, Россия, 2008; IV Московско-баварской школе MB-JASS-2009, Зеленоград, Москва, Россия, 2009; Международной научной конференции "Ломоносов-2009" ,Москва, Россия, 2009 (2 доклада); II Международном симпозиуме ТРВ-2009, Нижний Новгород, Россия, 2009; XI Международном симпозиуме ISAM-2009, Исламабад, Пакистан; 2009; II Всероссийской научно-технической конференции FTANMS-2009, Рязань, Россия, 2009; IX Международной конференции SLONANO-2010, Любляна, Словения, 2010; IV Международной конференции Micro&Nano-2010, Афины, Греция, 2010.
Объем и структура работы
Диссертационная работа изложена на 110 страницах машинописного текста, иллюстрирована 75 рисунками, содержит 9 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 105 ссылок. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, содержащего основные результаты и выводы, и списка литературы.
