авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Влияние оптического излучения на свойства газовых сенсоров на основе нанокристаллических пленок оксида олова

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Ле Ван Ван

ВЛИЯНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА СВОЙСТВА ГАЗОВЫХ СЕНСОРОВ НА ОСНОВЕ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК

ОКСИДА ОЛОВА

Специальность 01.04.10 – физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре «Полупроводниковая электроника»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Гуляев Александр Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Васильев Алексей Андреевич

кандидат технических наук,

Кукоев Игорь Юрьевич

Ведущая организация ФГУП «НИФХИ им. Л. Я. Карпова»

Защита диссертации состоится «18» января 2011 г. в аудитории К-102 в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.06 при Московском энергетическом институте (техническом университете)по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

С текстом автореферата можно ознакомиться на официальном сайте Московского энергетического института.

Автореферат разослан «14» декабря 2010 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу 111250 Москва ул. Красноказарменная, д 14, Ученый совет МЭИ.

Ученый секретарь
диссертационного совета Д212.157.06,
Доктор технических наук, профессор И. Н. Мирошникова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цели и задачи диссертации. Сформулирована научная новизна, практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту, а также достоверность результатов, их публикация.

В первой главе описывается история и тенденции развития газовых сенсоров, проблемы, связанные с переходом от пороговых сенсоров к сенсорам, предназначенным для применения в устройствах «Электронный нос». Анализируются физико-химические основы работы металлооксидных сенсоров и характер гетерогенных процессов на их поверхности при взаимодействии с реагентами. Показана перспективность использования диоксида олова в качестве материала для газовых сенсоров и проводится сравнение с другими материалами. Рассматриваются вопросы выбора и роли аддитивов и каталитических покрытий в газовых сенсорах. Приводятся данные по принципам работы устройств «Электронный нос» и современное состояние указанной проблемы. Приводятся результаты по исследованиям влияния оптического облучения на свойства оксида олова. На основании проведенного анализа литературы сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе приводится конструкция и характеристики разработанной и созданной установки, позволяющей измерять в полуавтоматическом режиме реакцию сопротивления сенсоров на воздействия реагентов.

Благодаря возможному выбору измерительной камеры (объем 3,7 л или 170 л) возможно измерение реакции сенсоров в интервале концентраций реагентов от десятков ppb до сотен ppm. В камере предусмотрена смена воздуха с его подогревом (при необходимости) и контролем температуры и влажности воздуха в камере. Полуавтоматический режим измерения обеспечивается созданными электронными устройствами согласования сенсоров с АЦП L-Card и далее с компьютером при последующей обработке сигналов с использованием разработанной программы на Labview.

Третья глава посвящена технологии изготовления сенсоров с аддитивами W и Gd и исследованию их параметров. Сенсоры на подложках шероховатого кварца имели размеры 5х5х0,3 мм с активной областью 2х2 мм.

Нагреватели и контакты на противоположной стороне подложки изготавливались магнетронным напылением Pt с подслоем Mo через трафареты. Пленка SnO толщиной около 100 нм получалась реактивным магнетронным напылением в атмосфере 90 % Ar и 10 % О2. Аддитивы вводились методом составной мишени. Поверхностный каталитический слой Pt, Pd, Au наносился магнетронным напылением. На рис.1 приведено изображение поверхности спутника-пленки (на гладкой поверхности кварца), полученное на сканирующем силовом микроскопе в контактной моде. Как в этом случае, так и в случае других аддитивов и подложек сапфира для изображений характерным является четко выраженный характер с неровностями порядка 10 – 30 нм.

 а б Рисунок изображения-0 а б
Рис. 1. Рисунок изображения поверхности пленки SnO:WSb/Pt на кварцевой подложке 2х2 мкм, полученный АСМ – (а) и его обработка – (б)




После нанесений пленки подвергались отжигу с контролем сопротивления при медленном нагреве, выдержке и остывании. На рис. 2 в качестве примера приведены указанные зависимости сопротивления для сенсора с составом SnO:GdSb/Pt. Для разработанных сенсоров со всеми аддитивами характерно на зависимостях наличие минимума, положение которого варьируется от 140 до 180 оС.

 Зависимость сопротивления сенсора-2 Рис. 2. Зависимость сопротивления сенсора с составом SnO:GdSb /Pt от температуры при первом и втором нагреве

Правая ветвь зависимости соответствует ионизации донорных центров с энергией ионизации от 0,08 эВ (GdSb) до 0,53 эВ(W/Pd), левая ветвь связана с активацией сенсоров при адсорбции кислорода с энергией активации, лежащей от 0,19 эВ (GdSb) до 0,57 эВ (W/Pt). На рис. 3 приведены результаты измерения относительной чувствительности S=(Ro-R)/Ro, где Ro – сопротивление сенсора на воздухе,

 Зависимость относительной-3
Рис. 3. Зависимость относительной чувствительности сенсоров от дозы этилового спирта при рабочей температуре 240 оС

R – при введении реагента ( изопропилового спирта) для ряда сенсоров с аддитивами W, WSb и каталитическими покрытиями, а на рис. 4 температурные зависимости абсолютной чувствительности к этиловому спирту. На рис. 5 приводятся временные зависимости реакции сенсора с аддитивом W на минимальные дозы этилового спирта.

Следует отметить четко выраженные два участка относительной чувствительности сенсоров и отсутствие насыщения на рис. 3. Максимальной чувствительностью обладают сенсоры с каталитическими покрытиями. Указанные зависимости для остальных трех реагентов имеют аналогичный характер, но при этом во всех случаях максимальная чувствительность достигается для сенсоров с каталитическим покрытием Pt, а для ацетона Au.

 Значения абсолютной-4  Значения абсолютной-5
Рис. 4. Значения абсолютной чувствительности сенсоров при различных рабочих температурах для этилового спирта Рис. 5. Временное изменение сопротивления сенсора SnO2:W при введении разных доз этилового спирта: 1 – 0,086, 2 – 0,172, 3 – 0,43 и 4 – 0,86 ррm

Отметим, что все сенсоры обладают чувствительностью при рабочей температуре 100 оС.

Рис. 6. Зависимости относительной чувствительности сенсора SnO:Gd к (И) – 3 ppm изопропиловому спирту; (А) – 17 ppm ацетону; (Э) – 4 ppm этиловому спирту от рабочей температуры сенсора Рис. 7. Зависимость относительной чувствительности сенсоров с составом: 1 – SnO2:GdSb/Pt; 2 – SnO2:Gd; 3 – SnO2:W; 4 – SnO2:WSb/Pt. при введении 3 ppm этилового спирта от рабочей температуры

Из рис. 6 видно, что даже при 350 оС не происходит явный переход к насыщению, хотя величины относительной чувствительности весьма велики и сенсоры с Gd превосходят по чувствительности сенсоры с W. Подтверждением этого являются температурные зависимости относительной чувствительности сенсоров, приведенные на рис. 7. Указанные данные являются скорее предварительными, т. к, очевидно необходимо уточнять свойства приборов по стабильности и чувствительности к другим реагентам, а также к влажности. В литературе нам не встречались сообщения о таких комбинациях аддитивов и каталитических покрытий в приборах на основе SnO.

Глава четвертая посвящена описанию исследований непосредственно определивших название работы. Измерения проводились в кварцевом колпаке (3,7 л) и в камере (170 л).

Табл. 1. Состав и параметры сенсоров
Тип rнаг.(Ом) Ro(кОм) ТРаб.(оС)
1 SnO:W 21 1233 250
2 SnO:InSb 63 375 130
3 SnO:Sb/Pt 80 11350 170
4 SnO:In/Pt 50 154 160
5 SnO:In 68 114 140
6 SnO:Sb/Pt 16 190 244
7 SnO:Sb/Pd 38 43000 190
8 SnO:In/Pt 35 41 160
9 SnO:Sb/Pt 34 17300 180

В таблице 1 приведены параметры исследованных сенсоров и их рабочие температуры, а в таблице 2 их абсолютная чувствительность к реагентам (И – изопропиловый спирт; Э – этиловый спирт; А – ацетон).

Табл. 2. Абсолютные чувствительности сенсоров
Тип И (%/0,1ppm) Э (%/0,1ppm) А (%/0,1ppm)
1 SnO:W 3,13 1,77 1,88
2 SnO:InSb 5,34 1,79 2,66
5 SnO:In 10,74 15,56 25,06
6 SnO:Sb/Pt 11,57 20,71 12,63


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.