Электрические и газочувствительные характеристики полупроводниковых сенсоров диоксида азота на основе тонких пленок WO3

• Автор: Рудов, Фёдор Валентинович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 107 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1 Физико-химические основы работы сенсоров окислительных газов на основе тонких пленок металлооксидных полупроводников
1.1 Микроструктура типичных поликристаллических пленок металлооксидных полупроводников
1.2 Электропроводность поликристаллических пленок металлооксидных полупроводников в газовых смесях, содержащих окислительные газы
1.3 Результаты экспериментальных исследований сенсоров диоксида азота на основе триоксида вольфрама
1.3.1 Влияние технологических условий получения нанокристаллических пленок УОз на их структуру и свойства
1.3.2 Влияние примесей в объеме пленок \Ю3 и нанесенных катализаторов
1.3.3 Влияние рабочей температуры и влажности на характеристики сенсоров
Заключение
Глава 2 Методы получения и исследования свойств тонкопленочных газовых сенсоров
2.1 Технология изготовления сенсоров методами магнетронного напыления
2.2 Методики измерения микроструктуры пленок АЛГО3 и характеристик сенсоров на их основе
2.3 Оценка погрешностей измерений
Глава 3 Влияние условий получения тонких пленок ¥03 на их структуру и свойства
3.1 Зависимость микроструктуры и свойств пленок триоксида вольфрама от режимов стабилизирующего отжига
3.2 Зависимость свойств тонких пленок ¥03 от количества добавки

золота
3.3 Влияние режимов магнетронного распыления металлических и 54 оксидных мишеней на фазовый состав и микроструктуру пленок ’\Ю3:Аи
Выводы
Г лава 4 Электрические и газочувствительные характеристики пленок
триоксида вольфрама, модифицированных золотом. Физическая модель сенсоров диоксида азота
4.1 Температурные, концентрационные и временные зависимости 63 проводимости сенсоров диоксида азота
4.2 Физические основы работы сенсоров N02 на основе тонких 68 пленок триоксида вольфрама
4.3 Обсуждение электрических и газочувствительных 72 характеристик сенсоров N02 на основе нанокристаллических пленок триоксида вольфрама, модифицированных золотом
4.4 Влияние влажности на свойства пленок триоксида вольфрама и
диоксида олова, модифицированных золотом
4.5 Исследование селективности и стабильности характеристик
сенсоров N02 в процессе долговременных испытаний
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Приложение

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. В настоящее время возрос интерес к обнаружению следовых концентраций диоксида азота, который является одним из главных загрязняющих токсичных газов в атмосфере [1-5]. Уровень предельно допустимых концентраций NO2 в рабочей зоне соответствует ПДКмакс=1.08 ppm. Оксиды азота содержатся, как правило, в парах взрывчатых веществ, детектирование которых требует обнаружения NOx на уровне единиц ppb и даже десятков ppt. Поэтому необходимо создание высокочувствительных и высокоселективных систем детектирования на основе полупроводниковых сенсоров, что позволит повысить безопасность и обеспечить контроль стратегически важных объектов и объектов с массовым скоплением людей. Разработка резистивных сенсоров позволит значительно повысить технические характеристики систем, сделает возможным в режиме постоянного мониторинга обеспечить контроль содержания опасных веществ в атмосфере промышленных предприятий и жилой зоны.
В связи с этим актуальной задачей является разработка миниатюрных химических сенсоров на основе металлооксидных полупроводников Sn02, 1п20з, Ti02, WO3 и др. [6-10], отличающихся низким энергопотреблением, высоким быстродействием, дешевизной. Из литературных данных [11-20], известно, что для создания сенсоров следовых концентраций N02 целесообразно использование сенсоров на основе триоксида вольфрама. К началу выполнения настоящей работы (2007г.) были наиболее изучены газочувствительные свойства резистивных элементов, полученных, главным образом, методами керамической и толстопленочной технологии. Изучено влияние условий изготовления пленок и легирования различными элементами (Pt, Pd, Au, Ru, Bi, Sb и др.) на микроструктуру и газочувствительные свойства W03 [1-9]. Вместе с тем результаты,
полученные разными авторами, часто не согласуются между собой. Не ясны механизмы влияния примесей в объеме триоксида вольфрама и нанесенных

газочувствительные свойства пленок W03 толщиной 450 нм, полученных золь-гель методом, при воздействии N02.
Показано, что в сухом воздухе время отклика сенсора на 50 ppb N02 составляет 30-40 мин, а время восстановления больше 30 мин. При переходе к влажной атмосфере наблюдается снижение величины отклика, но резко улучшается быстродействие сенсоров: при RH=90 % tx=30-60 с, а время восстановления еще короче. Механизмы этих явлений не ясны, но авторы предполагают, что диффузия NCb в микропоры пленок, замедляющая отклик, предотвращается за счет конденсации в этих порах паров воды.
Наиболее детально влияние влажности на газочувствительные свойства толстопленочных сенсоров на основе W03 изучено в работе [73] другой группы исследователей. Пасту для трафаретной печати на подложках из поликора готовили на основе порошков W03, которые прошли термический отжиг при 673, либо 973 К в течение 5 час. Анализировали отклик на 1 ppm NCb и 5 ppm H2S в потоке газовоздушной смеси при скорости потока 200 мл*мин"' при 7=473 (H2S) и 498 (N02) К, обеспечивающих компромисс между величиной отклика и временем восстановления. На рисунке 1.10 представлены зависимости откликов от влажности. На рисунке 1.11 показаны концентрационные зависимости откликов при различных уровнях влажности.
Показано, что значения отклика на N02, а также Сткл и /[ЮСст не зависят от влажности, а в случае H2S отклик снижается во влажном воздухе, в особенности для сенсоров с Готж=973 К. В дальнейшем для NCb использовали слои с Готж=973 К, для H2S - слои с Готж=673 К.