Введение к работе
Актуальность темы. Прогресс человечества сопровождается непрерывным загрязнением окружающей среды, в том числе воздушной, использованием экологически опасных технологий и неизбежными техногенными катастрофами. Для мониторинга качества окружающей среды и различных сфер жизнедеятельности человека используются соответствующие научно-технические средства, в состав которых входят датчики физико-химических параметров контролируемых объектов, в том числе датчики для обнаружения токсичных и взрывоопасных газов в воздухе.
Твердотельные полупроводниковые металлооксидные сенсоры на основе SnC>2, ZnO, ТІО2 и другие реагируют на присутствие в атмосфере широкого спектра газов изменением электросопротивления [1]. Они обладают малым временем отклика на изменение концентрации газа при температуре несколько сотен градусов Цельсия и высокой чувствительностью, позволяющей определять присутствие большинства неорганических и органических газов при концентрациях всего несколько миллионных долей пропромилле (ррт) в воздухе. Недостатком существующих твердотельных сенсоров газов является их невысокая селективность при распознавании разных газов и необходимость работы при высоких температурах.
Решить указанные проблемы можно путем управляемой активации процессов взаимодействия контролируемых газов с системой поверхностных состояний полупроводниковой сенсорной пленки (например SnC^) за счет ее легирования примясями-катализаторами [2]. Имеются также сведения об оптической активации газовой чувствительности пленки SnC>2 [3]. В результате легирования или оптической активации поверхностных состояний может быть повышена газовая чувствительность датчика, улучшена его селективность в распознавании разных газов либо снижена температура максимальной газовой чувствительности.
Поэтому являются актуальными исследования возможностей активации поверхностных состояний пленок SnC>2 с помощью легирования и оптического облучения, приводящих к улучшению метрологических характеристик полупроводниковых датчиков газов. Выполненная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре, при поддержке международного гранта РФФИ 12-02-91373-СТа (№ г.р. 01201263655), Гос. задания 2.1288.204 «Разработка методов активации механизмов взаимодействия ионов газов с поверхностью металлооксидных полупроводников», программы «У.М.Н.И.К.».
Цель работы. Разработать методы улучшения метрологических характеристик датчиков газов за счет легирования сенсорных слоев и их оптического облучения.
Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:
-
Разработать методики контролируемого поверхностного легирования примесями Ag и Pd сенсорных слоев тестовых структур датчика газов с чувствительными элементами на основе пленки SnC>2.
-
Исследовать и сравнить газочувствительные характеристики поверхностно легированных примесями Ag и Pd и нелегированных пленок SnC>2 в парах различных газов в воздухе в интервале температур 20-400 С.
-
Исследовать воздействие маломощного светодиода с Х=400 нм на газочувствительные свойства полупроводниковых пленок и пленок SnC>2, поверхностно легированных Ag и Pd.
Объектами исследования являются образцы полупроводниковых датчиков газов на основе пленок SnC>2, изготовленных по микроэлектронной технологии и содержащих нагреватель и 2 чувствительных элемента.
Научная новизна полученных результатов:
В результате выполнения диссертации получены следующие новые научные и технические результаты:
-
Установлен интервал концентраций Ag и Pd, в котором наблюдается эффективная активация поверхностных состояний пленок SnC>2, приводящая к повышению газовой чувствительности и снижению рабочей температуры.
-
Впервые для датчика газов на основе пленки SnC>2 обнаружена газовая чувствительность к парам аммиака при комнатной температуре.
-
Показано, что поверхностное легирование приводит к снижению температур перехода ионов кислорода из одного зарядового состояния в другое.
-
Впервые выявлен эффект оптической активации сенсорных слоев Sn02, легированных Ag и Pd.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Методика контролируемого поверхностного легирования примесями Ag и Pd сенсорных пленок SnC>2 в составе датчика газов и определение наиболее эффективных значений концентраций наносимых растворов;
-
Экспериментальные данные о влиянии примеси Ag на увеличение газовой чувствительности и на снижение рабочей температуры легированных сенсорных слоев SnC>2. Данные о чувствительности поверхностно легированных серебром сенсоров к аммиаку при комнатной температуре;
-
Экспериментальные данные о влиянии примеси Pd на увеличение газовой чувствительности и снижение рабочей температуры легированных сенсорных слоев Sn02;
-
Влияние фиолетового света малой мощности на увеличение газовой чувствительности пленок SnC>2, поверхностно легированных Ag и Pd.
Научная и практическая значимость результатов работы:
1. Полученные результаты по активации поверхностных состояний
пленок SnC>2, легированных примесями Ag и Pd, могут быть использованы
для улучшения метрологических характеристик других датчиков на основе
пленок SnC>2, а также датчиков на основе иных металлооксидных полупро
водников.
-
Тестовые структуры микроэлектронных датчиков совместно с фиолетовым светодиодом могут применяться с целью энергосбережения и повышения эффективности в устройствах индикации и сигнализации наличия токсичных и взрывоопасных газов в воздухе.
-
Практическую ценность имеет методика длительного хранения датчиков газов в атмосфере, обеспечивающей минимальные изменения сопротивления чувствительных элементов в процессе хранения.
-
Разработан микроэлектронный индикатор газов и опробован при различных условиях эксплуатации.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: всероссийской научно - практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии и материалы» (Воронеж, 2011 г.); XI Международной научной конференции "Химия твёрдого тела: наноматериа-лы, нанотехнологии" (Ставрополь, 2012 г.); всероссийской научно-практической конференции «Проблемы безопасности при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций» (Воронеж, 2012 г.); V международной научно-технической конференции «Микро- и нанотехнологии в электронике» (Нальчик, 2012 г.); научно-методическом семинаре «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2013 г.); международной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» (Минск, 2013 г.); ежегодных научно-технических конференциях про-фессорско - преподавательского состава, аспирантов и студентов «ФГБОУ ВПО Воронежский Государственный Технический Университет» (Воронеж, 2010-2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. Все исследования, представленные в диссертации, проведены соискателем.
Личный вклад. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: исследование электрических параметров и газочувствительных свойств тестовых структур микроэлектронных датчиков газов [3 - 6, 8, 9], разработка методики микролегирования чувствительных элементов датчика газов [7, 10 - 14], исследование влияния микролегирования примесью AgNCb (и PdCb) и оптической активации на величину чувствительности датчика газов на основе пленки Sn02 при различных условиях проведения эксперимента [1, 2, 15 - 17], обработка и аппроксимация полученных зависимостей при помощи персонального компьютера (ПК).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 87 наименований. Основная часть работы изложена на 130 страницах, содержит 7 таблиц и 66 рисунков.
