Введение к работе
Актуальность темы.
Развитие современной техники немыслимо без создания различных сенсорных устройств. Большое место в классе датчиков занимают газочувствительные элементы. Наиболее распространенным и дешевым классом газовых сенсоров являются резистивные элементы, меняющие свою проводимость в зависимости от газового состава окружающей среды. В качестве активного элемента в них используются оксиды металлов, которые являются широкозонными полупроводниками. Механизм изменения проводимости оксидных пленок основан на изменении поверхностной концентрации и подвижности носителей зарядов при хемосорбции активных газов на поверхности пленки или на межкристаллических границах. Степень изменения сопротивления при взаимодействии материала с газовой средой зависит от размера кристаллической структуры оксида. Увеличение площади межфазных границ, стабилизация нанокристаллической структуры являются приоритетными направлениями создания новых сенсорных пленок. Нанокомпозиты, где размер зерен составляет несколько нанометров, являются хорошими претендентами как новые материалы с высокими значениями газовой чувствительности. Очевидная практическая значимость синтеза новых сенсорных структур ограничена рядом физических проблем связанных с особенностью формирования гетерогенной структуры. Невыясненными вопросами являются возможность процессов самоорганизации структуры при ограниченном растворении атомов металлической и диэлектрической фаз друг в дуге, влияние энергии связи элементов оксидной матрицы с кислородом относительно этой связи с элементами металлической фазы, перераспределение кислорода при активном восстановлении одной фазы дугой. Исследование структурных особенностей композитов, полученных на основе широкозонных оксидных полупроводников, представленных в данной работе, имеют несомненную ценность с точки зрения выявления физических процессов и с практической стороны как создание новых перспективных сенсорных материалов.
Тематика данной работы соответствует "Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований", утвержденных президиумом РАН (раздел 1.2 - "Физика конденсированных состояний вещества", подраздел 1.2.10 - "Нанокристаллические материалы, фуллерены, атомные кластеры"). Работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по темам: ВП 1/09 «Влияние полей различной природы на нелинейные явления в гетерогенных системах с нано- и микроскопическим размером неоднородностей», ГЗ 7/12 «Влияние масштабного фактора на физико-механические свойства новых композитов функционального и конструкционного назначения», Государственный контракт
№ 14.740.11.0152 на выполнение научно-исследовательских работ в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы по теме: «Создание научных основ и моделирование процессов гидрогазодинамики и тепломассообмена в высокотемпературных водородных паротурбинных установках с вихревыми камерами сгорания для наземных космических систем, экспериментальная отработка эффективной модельной энергоустановки», Грант РФФИ р_центр_а№ 13-02-97512 «Электротранспортные свойства наногетерогенных систем на основе оксидных полупроводниковых соединений».
Цель работы. Целью работы являлось установление фундаментальных закономерностей формирования гетерогенной структуры в композитах
На ОСНОВе ШИрОКОЗОННЫХ ОКСИДНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ІП35^4)2Об0,3 и аП29йЦзОб6,7-
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Получить новые нано гранулированные композиты
Pd9(Cux(bi35,5Y4,206o,3)ioo-x)9i> (Со4іРез9В2о)х(Ьіз5^4,20бо,з)юо-х>
Сх(ІПз5^4,206о,з)іоо-х и Cx(Sn29Si4,3066,7)ioo-x в широком диапазоне изменения
концентраций полупроводниковой фазы.
2. Изучить влияние концентрации полупроводника, элементного со
става систем, термической обработки на структуру и фазовый состав гетеро
генных пленок.
3. Исследовать электрические свойства гетерогенных пленок
Pd9(CUx(bl35,5Y4,2O60,3)l00-x)9b (С04іРЄз9В2о)х(Іп35^4,20бО,з)іОО-Х>
Сх(ІПз5^4,206о,з)іоо-х и Cx(Sn29Si4,3066,7)ioo-x от состава и наличия реактивных газов в процессе получения.
-
Установить физические причины структурных особенностей формирования гетерогенных систем на основе широкозонных оксидных полупроводников.
-
Исследовать влияние концентрации полупроводника, элементного состава систем и термической обработки на газовую чувствительность пленок.
Научная новизна
1. Показано, ЧТО ПЛеНКИ Р(І9(Сих(ІПз5^4дО60)з)і00-х)9Ь
(CO4lFe39B20)x(bl35,5Y4,2O60,3)l00-X, Сх(ІПз5,5У4дО60,з)і00-Х И Cx(Sn29Si4,3O66)7)l00-X, ПОЛу-
ченные ионно-лучевым распылением составной мишени, имеют гетерофазную структуру.
2. Установлено, что низкая энергия связи In-O и незначительная раство
римость In в Fe, Со и С приводят к образованию наночастиц индия в композитах
(Co4iFe39B2o)x(bi35,5Y4,2060)3)100.x, Сх(Ьіз5Д4,2060,з)іоо-х, полученных в среде аргона.
3. Экспериментально установлено, что в композитах
РсІ9(Сих(ІПз5^4д06о)з)іоо-х)9ь подвергнутых предварительному нагреву до 600 С, в
концентрационном диапазоне от 37 до 62 ат.% меди меняется знак газовой чувствительности к водороду в зависимости от температуры измерения.
-
Предложено модельное представление о процессе формирования гетерогенной структуры композитов (Со4іРез9В2о)х(Ьіз5^4.20бо,з)іоо-х! основанное на ограниченном растворении атомов индия в металлических гранулах, низкой энергии диссоциации двухатомных молекул In-O и большом размере критического зародыша гранул индия.
-
Показана возможность присутствия в композитах Сх(1щ55У42О60)т_х высокоомной фазы на основе углерода.
-
Обнаружено, что композиты Сх(1п35)5У4дО60)3)100_х, полученные в атмосфере аргона с добавлением кислорода, при х от 5 до 17 ат.% и Cx(Sn29Si4)30667)10o-х, полученные в атмосфере Аг, при х от 3 до 9 ат.% имеют высокие значения газовой чувствительности к водороду.
Практическая значимость работы
-
Получены новые гетерогенные системы на основе широкозонных оксидных полупроводников ІП35)5Y4)2O60 з и Sn29Si430667.
-
Выявлены основные закономерности формирования структуры в композитах Pd9(Cux(In35)5Y4)2060)3)ioo-x)9b (Co41Fe39B20)x(In35)5Y4)2060)3)ioo-x!
Cx(bl35,5Y4)2O60)3)l00-X И Cx(Sn29Sl4)3O66)7)l00-X-
3. Обнаружены высокие значения газовой чувствительности к водороду в
композитах Cx(In35)5Y4)2060)3)ioo-x, полученных в атмосфере аргона с добавлением
кислорода, при х от 5 до 17 ат.%) и Cx(Sn29Si43O667)100.x, полученных в атмосфере
Аг, при х от 3 до 9 ат.%о.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
1. Получены новые гетерогенные пленки Pd9(Cux(In35)5Y42O60)3)l00-x)9b
(Co41Fe39B2o)X(In35,5Y4)20603)100.x, Сх(ІП35)5У4дО603)100.х и Cx(Sn29Si4)3O667)100.x.
2. Наличие в композитах (Co41Fe39B2o)x(bi35,5Y4)206o)3)ioo-x,
Cx(In35)5Y42060)3)ioo-x гранул кристаллического In связано с низкой энергией связи
In-O, незначительной растворимостью In в Fe, Со и С, а также отсутствием между
индием и этими элементами устойчивых высокотемпературных соединений.
-
Предложено модельное представление о процессе роста гетерогенной структуры (Co41Fe39B2o)x(bi35.5Y42060)3)ioo-x, основанное на возможности ограниченного растворения атомов индия в металлических гранулах, низкой энергии диссоциации двухатомных молекул In-O и большом размере критического зародыша гранул индия.
-
Обосновано предположение о наличие высокоомной фазы на основе углерода в композитах Cx(In35)5Y4)2060)3)ioo-x-
-
Экспериментальный факт наличия высоких значений газовой чувствительности к водороду в композитах Cx(In355Y42O603)100.х, полученных в атмосфере аргона с добавлением кислорода, при х от 5 до 17 ат.%> и Cx(Sn29Si430667)ioo-x, полученных в атмосфере Аг, при х от 3 до 9 ат.%>.
Апробация работы Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV международной научно-технической конференции «Современные методы и технологии создания и обработки материалов» (Минск, 2009); международной научной конференции «Акту-
альные проблемы физики твердого тела» (Минск, 2009); IX Международной конференции «Химия твердого тела: монокристаллы, наноматериалы, нанотехноло-гии» (Кисловодск, 2009); 49-й, 52-й, 53-й отчетной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов, секция «Физика твердого тела» (Воронеж, 2009, 2012, 2013, соответственно); VI всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Волгоград, 2010); IV Международной конференции и VI Международной школы молодых ученых и специалистов IHISM 10 (Воронеж, 2010); международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» (Минск, 2011); III Международной конференции «Наноструктурные материалы -2012: Россия - Украина - Беларусь» (Санкт-Петербург, 2012); 7 (12) Международном семинаре по физике сегнетоэлектриков (Воронеж, 2012); XI-й международной, научно-практической конференции «Актуальные проблемы профессионального образования: подходы и перспективы» (Воронеж, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 научные работы, в том числе 7 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1-22] - планирование и постановка эксперимента; [1-22] - обработка экспериментальных данных; [1-22] - участие в обсуждении полученных результатов.
Личный вклад автора. Состоит в разработке методики проведения экспериментов, непосредственном проведении экспериментов, обсуждении результатов и их оформлении в виде научных публикаций. Часть результатов получена в результате совместных исследований с лабораторией электронной микроскопии ВГТУ и Белгородским государственным национальным исследовательским университетом. Автор всем искренне благодарен, в особенности всему коллективу кафедры физики твердого тела ВГТУ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы из 114 наименований. Основная часть работы изложена на 168 страницах, содержит 71 рисунок и 6 таблиц.
