Многокомпонентные нанокомпозиты на основе SnO2:Y2O3,SnO2:SiO2 и их электрофизические и газочувствительные свойства Русских, Елена Алексеевна

Введение к работе

Актуальность темы. Нанокомпозиты на основе диоксида олова являются перспективными материалами газочувствительной сенсорики, их можно использовать в качестве сенсорных элементов датчиков газов для мониторинга окружающей среды, обнаружения токсичных и взрывоопасных газов, в медицине и других областях обеспечения безопасной жизнедеятельности человека. Принцип работы таких сенсоров основан на чувствительности электрофизических свойств поверхности полупроводника к составу окружающей атмосферы. Для исследования окружающей среды чаще всего используются относительно дешевые, малогабаритные, но при этом обладающие высокой чувствительностью полупроводниковые датчики газов. Мировые производители (Rilken Keiki, Nippon Monitors, Figaro, Taguchi и др.) занимаются исследованиями, разработкой и производством сенсоров такого типа. Серийно выпускаемые в мире сенсоры изготавливают в основном по толстопленочной технологии на основе керамики. Недостатками таких датчиков являются: необходимость нагрева до высоких температур порядка 500 ^оС при определении газовой чувствительности и для десорбции газов; недостаточная селективность к различным газам; дрейф электрических параметров сенсорных слоев при длительном хранении на воздухе - это ограничивает их использование для контроля легковоспламеняющихся и взрывоопасных газов.

Известно, что величиной газовой чувствительности можно управлять за счет изменений размеров зерен поликристалла и исходной электропроводности пленок. Уменьшение размеров зерен приводит к тому, что увеличивается вклад поверхности поликристаллов в общую электропроводность образца. Кроме того, повышение поверхностной активности наноразмерных поликристаллов может привести не только к увеличению их газовой чувствительности, но и к снижению энергетического порога реакции ионов газов с поверхностными состояниями, то есть к уменьшению температуры максимальной чувствительности пленки к различным газам в воздухе.

Для повышения селективности в состав полупроводникового чувствительного элемента вводят легирующий материал - металл, полупроводник, диэлектрик или их соединения. При этом легирующий материал обеспечивает увеличение концентрации групп ионов, более активно взаимодействующих с контролируемым газом. Улучшение газочувствительных свойств полупроводниковых тонких пленок и использование их в качестве чувствительных слоев для датчиков газа и является на сегодняшний день актуальным направлением в исследовании материалов.

В работе рассмотрены условия получения новых перспективных нанокомпозитов на основе газочувствительных металлооксид- ных элементов SnO₂ и Y₂O₃, которые не образуют между собой химических соединений. Оксид иттрия будет препятствовать росту больших зерен SnO₂ при термообработке. Нанокомпозиты SnO₂ : Y₂O₃ могут проявлять повышенную активность поверхностных состояний, что улучшит газочувствительные свойства пленок. Ранее было установлено, что у нанокомпозитов SnO₂ : SiO₂ с 1 ат.% Si улучшаются газочувствительные свойства SnO₂, поэтому для работы были выбраны тестовые структуры датчиков газа на их основе, удобные для исследования вольт-амперных характеристик (В АХ).

Цель работы заключалась в синтезе и исследовании пленок- нанокомпозитов на основе SnO₂ с оксидами иттрия и кремния для получения материалов с наименьшим размером зерна и исследовании газочувствительных свойств тестовых структур датчиков газов с использованием вольт-амперных характеристик.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. выбрать методику изготовления пленок-композитов с различным содержанием SnO₂ и Y₂O₃;

2. определить состав и структуру тонких пленок на основе диоксида олова методами рентгеновского микроанализа, атомно- силовой микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии;

3. исследовать влияние температурной обработки тонких пленок-композитов SnO₂ : Y₂O₃ на их структуру и стабилизацию электрических параметров, исследовать электрофизические свойства пленок с различным содержанием примеси иттрия;

4. исследовать газовую чувствительность пленок-композитов SnO2 : Y2O3 с различным содержанием иттрия к парам различных газов в воздухе;

5. исследовать механизмы протекания тока и реакционную способность чувствительных слоев тестовых структур микроэлектронных датчиков газа на основе SnO₂ : SiO₂ с использованием вольт-амперных характеристик;

6) исследовать газовую чувствительность тестовых структур микроэлектронных датчиков газа с использованием вольт-амперных характеристик.

Объектами исследований служили тонкие пленки SnO₂ : Y₂O₃ с содержанием примеси иттрия до 6 ат.%, изготовленные методом ионно-лучевого распыления, а также тестовые структуры микроэлектронных датчиков газов на основе SnO₂ : SiO₂ (1 % Si), изготовленные методом реактивного магнетронного распыления олова на постоянном токе.

Научная новизна работы

5. 1. Установлены режимы изотермического отжига, необходимые для образования нанокристаллов с размером зерен от 5 до 10 нм в пленках-композитах на основе SnO2 с добавками оксида иттрия (Т = 400 С, t > 2 ч.).

   2. Определены состав и морфология пленок-композитов SnO₂ : Y₂O₃ с различным содержанием примеси иттрия, изготовленных методом реактивного ионно-лучевого распыления. Установлено, что с увеличением примеси иттрия от 0,36 ат.% до 6 ат.% в композите SnO₂ : Y₂O₃ размер зерна уменьшается от 40 нм до 5 нм соответственно.

   3. Уменьшение размера зерна в композите SnO₂ : Y₂O₃ приводит к снижению температуры максимальной газовой чувствительности к парам этанола, ацетона, формальдегида и изопропилового спирта на несколько десятков градусов Цельсия.

   4. Определен характер температурных зависимостей газовой чувствительности тестовых структур датчиков газа на основе SnO₂ : SiO₂ с помощью вольт-амперных характеристик. Показано, что максимальная газовая чувствительность к парам этанола наблюдается при температуре 150 ^оС. Эта температура на 200 ^оС меньше, чем температура максимальной газовой чувствительности датчика, определенная по измерению сопротивления чувствительного элемента в парах исследуемого газа.

   Практическая значимость работы

   1. Новые данные об электрофизических и газочувствительных свойствах пленок-композитов на основе диоксида олова в зависимости от их состава могут быть использованы для улучшения газочувствительных параметров датчиков газов и снижения их потребляемой мощности.

   2. Предложена методика определения газовой чувствительности по измерению вольт-амперных характеристик тестовых структур датчиков газа SnO₂ : SiO₂ с Pt-контактами.

   Основные положения, выносимые на защиту

   5. 4. 1. В нанокомпозите на основе диоксида олова с добавкой оксида иттрия в количестве до 6 ат. % размер зерна уменьшается от 40 до 5 нм с ростом концентрации иттрия.

         2. Температура максимальной газовой чувствительности у пленок-нанокомпозитов SnO₂ : Y₂O₃ к парам этанола, ацетона, изо- пропилового спирта и формальдегида в воздухе по сравнению с нелегированной пленкой SnO₂ уменьшается на несколько десятков градусов Цельсия.

         3. Механизм газовой чувствительности пленок-композитов SnO2 : Y2O3 при взаимодействии с этанолом, ацетоном, формальдегидом и изопропиловым спиртом в воздухе описывается моделью ультрамалых частиц для пленок-композитов с размером зерна меньшим, чем удвоенная дебаевская длина экранирования.

         4. Из измерений ВАХ тестовых структур датчиков газа на основе SnO₂ : SiO₂ с Pt-контактами установлено, что температура максимальной газовой чувствительности к парам этанола на 200 ⁰С ниже, чем температура максимальной газовой чувствительности тестовых структур датчиков газа, определенная по измерению сопротивления чувствительного элемента.

         Апробация работы

         Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: ежегодных научно- технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2006 - 2009); 37 Международном научно - методическом семинаре "Шумовые и де- градационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 2006); VI Всероссийской школе-конференции «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы) (Воронеж, 2007, 2008); VII, VIII, IX Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2007 - 2009); Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» (Минск, 2007 - 2009); VII Международной научно-практической конференции «Технические средства противодействия террористическим и криминальным взрывам» (Санкт- Петербург, 2011); II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы» (Воронеж, 2011); Международной научно- практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности - 2012» (Москва, 2012); III Все- росийской научно-практической интернет-конференции курсантов, слушателей, студентов и молодых ученых с международным участием (Воронеж, 2012).

         Публикации

         По материалам диссертации опубликованы 30 научные работы, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателем выполнены: [3, 5 - 11, 13, 14, 16, 17, 19, 20] исследования электрофизических и газочувствительных свойств нанокомпозитов SnO2 : Y2O3, морфологии и размера зерна пленок, обработка и аппроксимация результатов измерений при помощи персонального компьютера (ПК); [23 - 28, 30] исследования электрофизических и газочувствительных свойств тестовых структур датчика газа с использованием вольт-амперных характеристик.

         Структура и объем работы

         Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 104 наименований. Основная часть работы изложена на 137 страницах, содержит 4 таблицы и 64 рисунка.

         Работа выполнялась по плану работ ГБ 2004.34 «Исследование полупроводниковых материалов (Si, А³В⁵, A⁴B⁶₂), приборов и технологии их изготовления» (№ г.р. 0120.0412888) и РФФИ 07-0292102 ГФЕН_а «Синтез и влияние структуры поверхности на газочувствительные свойства тонкопленочных нанокомпозитов на основе SnO2» (№ г. р. 0120.0851343), РФФИ 08-02-99005-р_офи «Микроэлектронный датчик и индикатор токсичных и взрывоопасных газов на его основе» (№ г. р. 0120,0851345), РФФИ 12-02-91373- СТ_а «Физические свойства нанокомпозитных порошков и тонких пленок (SnO₂)x(ZnO)_1-x (x=0-1), синтезированных различными методами» (№ г.р. 0120.1263655).

         Похожие диссертации на Многокомпонентные нанокомпозиты на основе SnO2:Y2O3,SnO2:SiO2 и их электрофизические и газочувствительные свойства

         

         Электрофизические свойства нанокомпозитов на основе SnO2: ZrO2 и SnO2 с добавлением многостенных углеродных нанотрубокШматова, Юлия Васильевна

         Теплофизические свойства микросистем на основе структур "карбид кремния на изоляторе"Никитин Илья Владимирович

         

         Сверхвысокочастотные свойства композитов на основе диэлектрических матриц с включениями в виде углеродных нанотрубок, частиц мелкодисперсного графита и ферритовых микрочастицРоманов, Андрей Вячеславович

         

         Люминесцентные свойства систем на основе оксидов с ионно-синтезированными нанокристаллами кремнияМихайлов Алексей Николаевич

         

         Люминесцентные свойства структур на основе кремния в области длин волн 1,5-1,6 мкм Крыжков Денис Игоревич

         

         Однослойные углеродные нанотрубки и некоторые композиты на их основе : строение и электронные свойстваПрокофьева Елена Васильевна

         Электрические и фотоэлектрические свойства диодных структур на основе полупроводниковых соединений А3 В5Фетисова Валентина Михайловна

         

         Формирование и исследование электрофизических свойств планарных структур на основе углеродных нанотрубок Бобринецкий Иван Иванович

         

         Формирование и электрические свойства планарных элементов на основе металлических и углеродных пленок наноразмерных толщинБулатов Андрей Николаевич

         

         Углеродные и неуглеродные наноматериалы и композитные структуры на их основе: строение и электронные свойства. Полуэмпирические исследованияЗапороцкова Ирина Владимировна