Разработка и исследование технологических основ формирования наноструктурированных пленок ZnO методом импульсного лазерного осаждения для чувствительных элементов газовых сенсоров

• Автор: Замбург, Евгений Геннадьевич
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Таганрог
• Количество страниц: 167 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПЛЕНОК ОКСИДА ЦИНКА В УСТРОЙСТВАХ ГАЗОВОЙ СЕНСОРИКИ
1.1 Свойства оксида цинка
1.2 Применение пленок ZnO в чувствительных элементах газовых сенсоров
1.3 Методы формирования пленок ХпО
1.4 Выводы и постановка задачи
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОСАЖДЕНИЯ И СВОЙСТВ ОКСИДА ЦИНКА
2.1 Исследование параметров факела при импульсном лазерном осаждении наноструктурированных пленок Zx
2.2 Моделирование электрофизических свойств ЪпО
2.3 Моделирование газочувствительных свойств ZnO
2.4 Выводы по главе
Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПЛЕНОК ZnO МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОСАЖДЕНИЯ
3.1 Влияние технологических режимов импульсного лазерного осаждения на электрофизические параметры наноструктурированных пленок ZnO
3.2 Влияние температуры отжига на электрофизические параметры нанокристаллических пленок ZnO
3.3 Влияние режимов ионной стимуляции при импульсном лазерном осаждении на электрофизические параметры наноструктурированных пленок 2п0
3.4 Исследование стабильности зависимости удельного сопротивления наноструктурированных пленок ZnO от температуры при термоциклировании.
3.5 Выводы по главе

Глава 4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ГАЗОВОГО СЕНСОРА
4 Л Разработка чувствительного элемента порогового газового сенсора на основе наноструктурированных пленок 2пО
4.2 Исследование чувствительного элемента порогового газового сенсора
4.3 Разработка конструкции и технологического маршрута изготовления чувствительного элемента газового сенсора на основе наноструктурированных пленок гпО
4.4 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ А - Акты о внедрении и использовании результатов диссертационной работы

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность диссертационной работы
В настоящее время для детектирования и анализа опасных, токсичных газов в системах экологического мониторинга, жизнеобеспечения, раннего обнаружения и предотвращения пожара широко используются полупроводниковые газовые сенсоры резистивного типа [1, 2]. За последние 10 лет публикационная активность в представлении результатов исследований по разработке таких сенсоров возросла с 1044 публикаций (2004 г) до 2215 (2014 г) [3]. Анализ публикаций показывает, что в большинстве случаев для создания чувствительных элементов газовых сенсоров используются оксиды различных металлов, среди которых наиболее перспективным является ZnO[4-8].
Для повышения газочувствительности пленок оксидных материалов в последнее время активно используются технологии наноструктурирования поверхности: нанопрофилирование, создание нанопор и наноразмерных зерен [1]. На существующем этапе развития технологии актуальной задачей является формирование наноструктурированных материалов с контролируемыми свойствами. Размер зерна и удельное сопротивление являются важнейшими параметрами наноструктурированных пленок при применении в качестве чувствительных элементов газовых сенсоров и зависят от метода и режимов формирования [9, 10]. Одним из перспективных методов формирования
наноструктурированных пленок ZnO является импульсное лазерное осаждение (ИЛО), которое позволяет управлять большим количеством технологических параметров, что обеспечивает возможность в широких пределах влиять на электрофизические, физико-химические, механические и структурные параметры пленок ZnO [9-13]. При этом комплексные исследования влияния режимов ИЛО на электрофизические свойства пленок ZnO не проводились.
Начальной фазой ИЛО является лазерная абляция. Этот высокотемпературный процесс, протекающий при воздействии лазерного

В последние годы активно развивается метод импульсного лазерного осаждения (ИЛО). Лазерный луч (обычно используют мощные лазеры с частотой следования импульсов от 10 до 100 Гц, работающие на переходах между электронными уровнями эксимерных молекул, существующих только в электронно-возбужденных состояниях) фокусируется на мишени, испаряющиеся атомы которой переносятся на подложку, где растет пленка [126].
Для абляции чаще всего используют КгБ (248 нм) и АгБ (193 нм) лазеры, или Ис1:УАО лазер (355 нм), поскольку ультрафиолет поглощается почти всеми материалами. Плотность энергии лазерного излучения, давление газа в камере и температура подложки оказывают значительное влияние на свойства осажденной пленки [127]. Уникальной особенностью метода импульсного лазерного осаждения является высокая кинетическая энергия испаренных частиц, которая сильно зависит от длины волны и плотности мощности излучения. Анализ времени пролета свидетельствует о том, что кинетическая энергия испаренных частиц превышает 100 эВ, даже при относительно небольшой плотности энергии (~2 Дж/см2) [13]. Благодаря наличию газа, например, аргона или кислорода, во время абляции происходит расширение факела, вследствие взаимодействия испаренных частиц (факела) и молекул газа. В этом случае действие газа замедляет снижение энергии испаренных частиц. Импульсное лазерное осаждение имеет следующие преимущества по сравнению с другими методами [13, 127-132]:
- испаренные частицы (атомы и ионы) обладают более высокой кинетической энергией. Следовательно, наноструктуры с высокой поверхностной адгезией и кристаллическим совершенством могут быть получены на подложках при сравнительно низкой температуре;
- материалы со сложной стехиометрией могут быть получены в одном процессе, поскольку при взаимодействии «лазер - мишень» происходит одновременное испарение частиц с поверхности мишени (конгруэнтная абляция). Однако из-за дефицита более легких и подвижных элементов (таких как кислород) может происходить нестехиометрическое осаждение.