Электрические и газочувствительные характеристики полупроводниковых сенсоров на основе тонких пленок SnO2

• Автор: Анисимов, Олег Викторович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 181 с. : ил.

Глава 1. Физико-химические основы работы полупроводниковых газовых сенсоров и методы их получения (обзор литературы)
1.1. Механизмы адсорбционного отклика сенсоров на основе металлооксидных полупроводников на воздействие газовоздушных смесей

1.1.1. Хемосорбционное искривление энергетических зон полупроводника

1.1.2. Типы полупроводниковых адсорбентов

1.1.3. Механизмы электропроводности и адсорбционного отклика тонких пленок диоксида олова

1.1.3.1. Двухканальная модель проводимости

1.1.3.2. Физико-химические процессы на поверхности Бп02 при воздействии восстановительных газов

1.1.3.3. Адсорбционный отклик сопротивления (проводимости) тонких

пленок диоксида олова при воздействии восстановительных газов

1.1.3.4. Кинетика формирования отклика

1.2. Требования, предъявляемые к полупроводниковым газовым

сенсорам, и способы их обеспечения
1.2.1. Селективность по отношению к различным газам
1.2.1.1. Роль нанесенных катализаторов
1.2.1.2. Влияние примесей в объеме диоксида олова на свойства сенсоров
1.2.2. Стабильность параметров сенсоров при эксплуатации в реальных условиях
1.2.2.1. Влияние влажности на сопротивление и адсорбционный отклик
сенсоров

1.2.2.2. Механизмы деградации сенсоров при долговременных испытаниях
1.2.2.3. Использование режима термоциклирования и мультисенсорных систем для повышения селективности и стабильности параметров сенсоров
1.3. Основные методы нанесения пленок и влияние условий напыления диоксида олова на электрические и газочувствительные характеристики сенсоров
Заключение
Глава 2. Методы получения и исследования свойств тонкопленочных газовых сенсоров
2.1. Технология изготовления сенсоров
2.1.1. Технология катодного напыления полупроводниковых пленок
2.1.2. Технология ВЧ-магнетронного напыления
2.2. Методики измерения характеристик сенсоров
Глава 3. Влияние структуры и свойств тонких пленок БпСЬ на
их электические и газочувствительные характеристики
3.1. Зависимость свойств полупроводниковых пленок от условий напыления
3.2. Зависимость состава и свойств пленок диоксида олова от режимов термообработки
3.3. Влияние примесей в объеме диоксида олова и нанесенного П катализатора на электрические и газочувствительные свойства сенсоров
3.4. Обсуждение экспериментальных данных
Выводы к главе
Глава 4. Механизмы электропроводности и адсорбционного отклика
тонких пленок БпОг на воздействие восстановительных газов
4.1. Влияние адсорбции восстановительного газа на электрическую
проводимость сенсора

4.2. Экспериментальные данные для водорода и метана и обсуждение
4.2.1. Температурная зависимость проводимости сенсора
4.2.2. Зависимость отклика сенсора от концентрации Н2 и СН4
4.2.3. Зависимость отклика сенсора от температуры
4.2.4. Зависимость отклика сенсора от времени после начала действия Н2
и СН4
4.3. Особенности отклика тонких пленок Р1/8п02:8Ь на воздействие СО
4.4. Колебания проводимости тонкопленочных сенсоров при длительном воздействии СО
Выводы к главе
Глава 5. Механизмы деградации газочувствительных элементов при эксплуатации и поиск путей стабилизации параметров сенсоров
5.1. Влияние паров воды на электропроводность и отклик сенсора
5.2. Экспериментальные исследования влияния влажности и температуры окружающей среды на свойства тонких пленок Р1/8п02:8Ь в чистом воздухе и при воздействии газов
5.3. Особенности профилей проводимость - время сенсоров при термоциклировании
5.3.1. ППВ тонких пленок в чистом воздухе
5.3.2. Особенности ППВ сенсоров в зависимости от типа восстановительного газа
5.3.3. Влияние влажности и температуры окружающей среды на характеристики сенсоров при термоциклировании
5.3.4. Методы корректировки показаний сенсоров с учетом изменения влажности
5.4. Приборы на основе тонкопленочных полупроводниковых сенсоров
Выводы к главе
Заключение
Список использованной литературы

В монографии [2] рассмотрены процессы старения частично восстановленных пленок оксида цинка, используемых в качестве датчиков малых концентраций восстановительных газов в инертных средах. В присутствии кислорода воздуха происходит окисление сверхстехиометрических атомов цинка, являющихся донорами, сопротивление образцов растет. Кроме того, необратимо ухудшается чувствительность к воздействию газов, что связано с окислительными процессами, приводящими к структурным изменениям и даже к растрескиванию пленок.
Очевидно, что в практических разработках датчиков газов в атмосфере целесообразно использовать пленки, прошедшие стабилизирующие отжиги в окислительной среде (часто на воздухе), состав таких образцов близок к стехиометрическому. Часто используют легирование диоксида олова донорными примесями в концентрациях, необходимых для снижения и стабилизации сопротивления в рабочих режимах при высоких температурах (до 570-670 К). Например, толстопленочные сенсоры на основе Бп02 с добавками 2 ат.% сурьмы и одного из каталитических металлов (палладия, оксида магния, или силицида никеля) отличались высокой чувствительностью к Н2 и СО , а также повышенной стабильностью и долговечностью [74]. В случае тонких пленок диоксида олова с нанесенной каталитической платиной оптимальной признана концентрация сурьмы 0.5 ат.%, обеспечивающая стабильность параметров сенсоров СО при испытаниях до 60 суток [96].
Существенную роль в долговременных изменениях свойств тонкопленочных сенсоров могут играть процессы перестройки структуры, как самих пленок, так и нанесенных катализаторов [97]. Явления диффузии и коагуляции приводят к увеличению размеров кристаллитов полупроводника и снижению степени дисперсности катализатора. Происходит снижение плотности дефектов структуры, являющихся центрами адсорбции газовых молекул [2]. Со временем возможно загрязнение поверхности