Исследование влияния фотовозбуждения и адсорбции молекул на электронные свойства нанокристаллических слоев оксида олова

• Автор: Журбина, Ирина Александровна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 110 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Структурные, электронные и оптические свойства нанокристаллов оксида олова и их применение в газовой сенсорике (обзор литературы)

1.1. Структурные свойства оксида олова

1.2. Электронная структура оксида олова

1.3. Оптические свойства нанокристаллических слоев оксида олова

1.4. Электрофизические и фотоэлектрические свойства оксида олова

1.5. Влияние адсорбции молекул на электронные свойства оксида олова

1.5.1. Адсорбция и химические реакции на поверхности диоксида олова

1.5.2. Особенности адсорбционных явлений в нанокристаллических слоях оксида олова

1.5.3. Зависимость от температуры

1.5.4. Влияние фотовозбуждения
1.6. Выводы из обзора литературы и постановка задачи
Глава 2. Методика эксперимента
2.1 .Исследуемые образцы
2.2.Измерение спектров оптического пропускания в УФ- и видимом

диапазонах
2.3.Измерения спектров пропускания и отражения методом ИК-спектроскопии
2.4.Регистрация спектров комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции
2.5.Измерения контактной разности потенциалов методом Кельвина
2.6. Измерения поверхностной фото-ЭДС методом импульсного фотонапряжения
2.7.Измерения электропроводности

Глава 3, Исследование структуры и состава нанокристаллических слоев
оксида олова, приготовленных различными методами
3.1. Исследование поверхностного покрытия наноструктур оксида олова методами оптической спектроскопии
3.2. Определение среднего размера наночастиц диоксида олова с
помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света
3.3. Влияние температуры отжига на состав нанокристаллических
слоев оксида олова
3.4.Выводы из главы 3 63 Глава 4. Исследование процессов генерации, разделения и захвата заряда
в слоях нанокристаллов оксида олова при фотовозбуждении
4.1 .Исследование фотоэлектрических свойств нанокристаллов оксида олова методами Кельвина и импульсного напряжения
4.2. Исследование фотовозбужденных носителей заряда в нанокристаллах оксида олова методом ИК-спектроскопии
4.3.Расчет концентрации фотовозбужденных носителей заряда
4.4 Выводы из главы
Глава 5. Влияние адсорбции молекул на электронные свойства нанокристаллов оксида олова в условиях фотовозбуждения
5.1 Влияние фотовозбуждения на электропроводность слоев нанокристаллов оксида олова
5.2 Изменение электропроводности слоев нанокристаллов оксида олова при адсорбции молекул
5.3 Выводы из главы
Заключение и выводы
Список литературы

Введение
Актуальность работы.
Для детектирования взрывоопасных и токсичных газов, защиты окружающей среды, управления технологическими процессами, а также для контроля физиологического состояния человека, качества продуктов питания и т.п., необходимы компактные и высокочувствительные газовые сенсоры. Устройства резистивного типа, принцип действия которых основан на изменении электрической проводимости при адсорбции молекул газов, представляются наиболее перспективным классом газочувствительных приборов. Они просты в эксплуатации, экономичны, имеют малые габариты и низкую стоимость. На сегодняшний день основная часть коммерческих газовых сенсоров производится на основе полупроводниковых оксидов металлов, таких как БпОг, ZnO, ¥03 и 1п203.
Газовые сенсоры на основе диоксида олова (БпОг) обладают рядом преимуществ, а именно, высокой чувствительностью и быстродействием, стабильностью характеристик. Однако, низкая селективность и необходимость нагрева 8п02 до температур 100-500°С (для активации сенсорных свойств и достижения максимальной чувствительности) являются определенными недостатками данного материала. В частности, необходимость нагрева ограничивает область применения сенсоров при детектировании взрывоопасных газов и биологических молекул. Известно, что химическое модифицирование оксида олова различными примесями (Р1:, Си, №, Рс1 и др.), а также использование нанокристаллов БпОг, позволяет повысить чувствительность и селективность сенсоров к определенным типам молекул и уменьшить температуру нагрева. Тем не менее, разработка новых сенсоров на основе оксида олова, в том числе, нанокристаллов БпОг, для работы при температурах близких к комнатной остается актуальной задачей. Для существенного снижения рабочей температуры сенсора на основе 8п02 предлагаются различные подходы, например, фотовозбуждение, которое могло бы обеспечить высокую чувствительность даже при комнатных

приводит к фотогенерации электрон-дырочных пар и увеличению скорости ионизации адсорбированного на поверхности кислорода.
1.6 Выводы из обзора литературы и постановка задачи
Из анализа полученных данных следует, что в настоящее время накоплена обширная информация о структурных, оптических и электронных свойствах наноструктур оксида олова. Детально изучен механизм изменения электронных свойств при адсорбции молекул газов и накоплено большое количество экспериментальных данных о нахождении оптимальных параметров (легирующая примесь, температура) для достижения максимального сенсорного отклика. Однако, существующий на данный момент режим работы газовых сенсоров требует нагрева чувствительного элемента до довольно высоких температур для активации сенсорных свойств, что обладает рядом недостатков. Например, известно, что чувствительность зависит от структурных свойств. Максимальной чувствительностью обладают нанокристаллические структуру с большой удельной поверхностью, а, следовательно, малым размером зерен, однако термический нагрев может приводить к увеличению размером нанокристаллов, что может негативно сказаться на стабильности сенсора. Для решения данной проблемы был предложен альтернативный способ увеличения сенсорного сигнала путем освещения чувствительного элемента УФ излучением. Авторами ряда работ удалось успешно продемонстрировать усиление влияния адсорбции на изменение электронных свойств металлоксидов в условиях фотовозбуждения. Однако на данный момент не было проведено систематических исследований по одновременному влиянию фотовозбуждения и адсорбции активных молекул газов на электронные свойства наноструктур БиОг. Поэтому целью данной работы является изучение электронных свойств нанокристаллических слоев оксида олова с различным составом поверхностного покрытия нанокристаллов в темповых условиях и при фотовозбуждении для нахождения условий максимальной чувствительности к адсорбции активных молекул.