Введение к работе
Актуальность темы. Вопросы распознавания запахов, создания “Электронного носа” являются актуальными и, очевидно, сохранят надолго свою актуальность. Одним из основных направлений в этой области исследований и разработок является совершенствование металлооксидных полупроводниковых сенсоров. Простота реализации, малогабаритность, удобство электропитания, достаточно высокая чувствительность делают их перспективными, как основы для определенных вариантов “Электронного носа”.
Вековыми вопросами совершенствования газовых сенсоров являются повышение их чувствительности, избирательности, стабильности во времени и как одной из основ этого процесса углубление понимания физико-химических аспектов их работы.
В последние года достаточно заметно расширился круг металлооксидных материалов, использующихся для изготовления сенсоров. Начали использоваться кроме традиционных ZnO, SnO2 также W2O3, NiO2, TiO2 и их сочетания. Интенсифицировались работы области газовых сенсоров на органических пленках.
Однако, преимущество в области исследования пока принадлежит сенсорам на основе пленок SnO (SnO2-X) благодаря их наименьшей рабочей температуре, требующей минимальной затраты энергии на нагрев, достаточно высокой чувствительности, большой вариации методов получения. Проблема их избирательности решается с помощью введении аддитивов (примесных добавок) и каталитических покрытий. Интерес представляют исследования использования двойных аддитивов (промоутеров). Остаются проблемы с пониманием их взаимодействия с различными реагентами и физики влияния на их свойства различных внешних факторов.
Целью работы являлось исследование возможности повышения чувствительности и избирательности сенсоров на основе SnO с помощью оптического излучения. При этом ставилась задача провести исследование как на ранее полученных сенсорах с аддитивами Sb, In, InSb так и на новых приборах с аддитивами W и Gd в сочетании с набором каталитических покрытий Pt, Pd, Au.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:
1. Создать полуавтоматическую измерительную установку на основе ПК и АЦП (L-Card), предусматривающую возможность облучения сенсоров оптическим излучением различного спектрального состава, включая ультрафиолетовую область, и обеспечивающую возможность измерения сверх малых концентраций реагентов. Отработать методику измерения.
2. Исследовать газовые сенсоры с указанными выше новыми аддитивами, включая анализ поверхности оксидных пленок с помощью сканирующего силового микроскопа.
3. Исследовать влияние облучения сенсоров светодиодами (СД) с излучением в видимом диапазоне, а также ультрафиолетовым излучением (СД) и лампой ПРК на их параметры.
Научной новизной обладают следующие результаты:
1. Впервые исследованы газовые сенсоры на основе SnO с аддитивами W, WSb, Gd, GdSb с различными каталитическими покрытиями.
2. Впервые показана возможность изменения и увеличения чувствительности SnO сенсоров с помощью облучения их СД.
3. Впервые показано влияние спектрального состава излучения СД на свойства сенсоров.
4. Впервые показана связь влияния излучения СД на сенсоры SnO с конкрет-ными аддитивами в составе оксидной пленки.
5. Впервые показана зависимость характера увеличения чувствительности сенсоров на SnO от выбора каталитического покрытия.
Практическая значимость работы:
1. Показана полезность и целесообразность использования оптического излучения СД для корректировки и увеличения чувствительности сенсоров на основе SnO с различными аддитивами, предназначенными для устройств типа «Электронный нос».
2. Показана высокая чувствительность созданных сенсоров с аддитивами W, WSb, Gd , GdSb.
3. Созданы экспериментальные установки для исследования сверхмалых концентраций реагентов в полуавтоматическом режиме. Разработаны программные продукты для обработки измерения чувствительности сенсоров с использование полуавтоматической установки на основе ПК и L-Card, позволяющие использовать сенсоры с сопротивлением более 10 МОм и исследовать их чувствительность при концентрации реагентов (спирты, ацетон, бензол) десятки ppb.
4. Показана возможность и целесообразность использования разработанных сенсоров для анализа молочных продуктов.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Оптическое излучение в области более длинноволновой, чем собственное поглощение SnO2-X, оказывает существенное влияние на процессы гетерогенного физико-химического взаимодействия ряда реагентов с адсорбированными ионами кислорода на поверхности металлоксидных пленок.
2. Освещение СД поверхности сенсоров на основе пленок SnO с различными аддитивами и каталитическими покрытиями позволяет в ряде случаев на порядок повысить их чувствительность к целому ряду реагентов.
3. Характер зависимость усиления чувствительности сенсоров от интенсивности излучения зависит от выбора Pt или Pd в качестве каталитического покрытия их поверхности.
4. В случае облучения синим и ультрафиолетовым светодиодами наблюдается четко выраженный фотоэффект и уменьшение чувствительности к реагентам.
5. Ультрафиолетовое излучение лампой ПРК приводит к медленному (в течение часа) уменьшению сопротивления сенсоров с рабочей температурой 180 оС и изменению чувствительности. При рабочей температуре 220 оС то же излучение приводит к небольшому уменьшению сопротивления, сменяющееся ростом сопротивления и увеличением чувствительности.
Достоверность результатов обеспечена применением воспроизводимой методики изготовления образцов, стандартной измерительной аппаратурой, внутренней непротиворечивостью результатов измерений.
Результаты работы использованы при выполнении Госбюджетной работы
№ 1029095.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Международной конференции ХVI Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел РЭМ, 2009 г.; XVI Международной научно-технической конференции “Высокие технологии в промышленности России ” – XXIII Международного симпозиума “Тонкие пленки в электронике”, Москва, ОАО “ЦНИТИ Техномаш”, 2010 г.; международных семинарах «Флуктуационные и деградационные явления в полупроводниковых приборах» № 38, 39, 40 М.: МНТОРЭС. 2008, 2009, 2010 г.; Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: № 14, 15, 16, Москва 2008, 2009, 2010 г.
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 8 статьях, две из которых в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, и 4 тезисах докладов на научных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, приложения и списка литературы, включающего 73 наименований. Основная часть работы изложена на 110 страницах машинописного текста. Работа содержит 64 рисунков, 9 таблиц и 2 приложения.
