Модификация поверхности тонких оксидных пленок для селективного детектирования газов и биологических молекул

• Автор: Рыжиков, Андрей Сергеевич
• Шифр специальности: 02.00.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 170 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Газовые сенсоры на основе диоксида олова

1.1.1. Свойства диоксида олова

1.1.2. Свойства поверхности диоксида олова

1.1.3. Свойства поликристаллического диоксида олова

1.1.4. Механизмы взаимодействия молекул газовой фазы с поверхностью оксидов

1.1.5. Г азовые сенсоры на основе БпОг

1.1.6. Проблема селективности газовых сенсоров

1.1.7. Детектирование газоввосстановителей

1.1.8. Мультисенсорные системы электронный нос

1.1.9. Оптимизация температуры детектирования и температурного режима сенсора
1.1 Измерение проводимости газовых сенсоров на переменном токе
1.1 Модификация поверхности чувствительного элемента функциональными группами
1.1 Легирование полупроводниковых оксидов
1.1 Фильтры для газовых сенсоров
1 Пассивные фильтрующие мембраны
1 Активные фильтрующие мембраны
1 Фильтрующие мембраны на основе каталитических металлов
1 Мембраны на основе каталитических оксидов
1 Мембраны на основе каталитических металлов в керамической матрице
1.1 Оксид алюминия и мембраны для разделения газовых смесей на его основе
1 Свойства оксида алюминия
1 Мембраны на основе оксида алюминия
1.2. Г азовые сенсоры на основе МДПструктур
1.2.1. Структуры МетапДиэлектрикПолупроводник
1.2.2. Г азовые сенсоры на основе МДПструктур
1.3. Биочипы для определения ДНК
1.3.1. ДНК. Основные принципы
1.3.2. Биочипы для определения ДК
1.3.2.1. Оптическое детектирование гибридизации ДНК
1.3.2.2. Электрическое детектирование гибридизации ДНК
1.4. Выводы
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Синтез тонких пленок для газовых сенсоров и биочипов
2.1.1. Синтез тонких пленок методом пиролиза аэрозоля
2.1.2. Синтез тонких пленок БпОг для газовых сенсоров методом магнетронного распыления
2.1.3. Поверхностное легирование тонких пленок 8пОг платиной методом лазерной абляции
2.2. Методики изучения состава и микроструктуры полученных материалов
2.3. Методика изучения электрофизических и сенсорных свойств пленок и структур
2.3.1. Методика изучения электрофизических и сенсорных свойств чувствительных элементов резистивного типа
2.4. Методика изучения электрофизических и сенсорных свойств МДПструктур
2.5. Модификация поверхности оксидных пленок для детектирования ДНК
2.6. Детектирование гибридизации ДНК
3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
3.1. Характеризация образцов
3.1.1. Характеризация образцов методом рентгеновской дифракции
3.1.2. Определение толщины и показателя преломления пленок методом эллиисометрии
3.1.3. Определение концентрации легирующих металлов методом локального рентгеноспектрального анализа
3.1.4. Исследование микроструктуры пленок методом сканирующей электронной микроскопии
3.1.5. Исследование микроструктуры методом просвечивающей электронной микроскопии
3.1.6. Исследование морфологии поверхности методом атомносиловой микроскопии АСМ
3.1.6.1. Исследование морфологии поверхности легированных пленок БпОзСРс и структур А0зМ8пС2Рс
3.1.6.2. Исследование морфологии поверхности пленок чистого и легированного АЬОз для МДПструктур РгА0зМр
3.1.6.3. Исследование морфологии поверхности оксидных пленок для 1 биочипов
3.1.7. Выводы ЮЗ
3.2. Сенсорные свойства образцов
3.2.1. Изучение сенсорных свойств структур АЬОзЗпСЬСРс и
А0зМ8пРс
3.2.1.1. Изучение сенсорных свойств структур АЬОзЗпОгСРс и
АЬ0зМ8пРф в статическом режиме
3.2.1.2. Изучение сенсорных свойств структур А0з8пРс1 и 8 А0зМ8пРс1 по отношению к водороду
3.2.1.3. Изучение сенсорных свойств структур А0з8пРс1 и 1 А0зМ8пРс1 по отношению к СО
3.2.1.4. Изучение сенсорных свойств структур А0з8пРс1 и 3 А0зМ8пРс1 по отношению к углеводородам
3.2.1.5. Модель влияния мембран на чувствительность пленок 5пОгРс1 к 7 водороду и СО
3.2.1.6. Влияние мембран на сенсорные свойства пленок 8пРс1 к 9 углеводородам
3.2.1.7. Анализ газовой чувствительности структур Аз8пРс и 0 АзМ8пРс к газамвосстановителям
3.2.1.8. Изучение сенсорных свойств структур АЬОзЗпОгСРф и 1 А0зМ8пРс1 по отношению к смесям газоввосстановителей
3.2.1.9. Выводы
3.2.2. Исследование газовой чувствительности структур 8пР1
3.2.2.1. Исследование газовой чувствительности структур 8пР1 к 6 водороду
3.2.2.2. Исследование газовой чувствительности структур 8пР1 к СО
3.2.2.3. Конструкция и приготовление сенсора на основе пленок 8пО2Р0
3.2.2.4. Газовая чувствительность сенсора на основе 8пР1
3.2.3. Изучение газовой чувствительности МДПструктур РА0зр8 и 6 РАзМр8 к газамвосстановителям
3.2.3.1. Вольтфарадныс характеристики МДПструктур на воздухе
3.2.3.2. Вольтфарадные характеристики МДПструктур в присутствии 0 водорода
3.2.3.3. Вольтфарадные характеристики МДПструктур в присутствии СО
3.2.3.4. Вольтфарадные характеристики МДПструктур в присутствии 4 метана
3.2.3.5. Выводы
3.3. Оптическое детектирование ДНК на тонких оксидных пленках
3.3.1. Изучение гидрофильных свойств поверхности пленок в процессе 7 модифицирования
3.3.2. Оптическое детектирование реакции гибридизации ДНК
3.3.3. Изучение интенсивности флюоресценции в зависимости от толщины 0 пленок 8п и АЬОз
3.3.4. Выводы
4. ВЫВОДЫ
5. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Введение


Концентрация молекул и ионов кислорода, адсорбированных на поверхности впОг зависит от температуры давления и состояния поверхности. При комнатной температуре кислород находится на поверхности в форме Ог8, при повышении температуры происходит его диссоциация на ионы О и О2, последние из которых встраиваются в кристаллическую решетку 8пОг. Энергетическая диаграмма молекул и ионов кислорода представлена на рис. Таким образом, диоксид олова является широкозонным полупроводником птипа проводимости, проводимость, которого определяется отклонением состава от стехиометрии. Электрофизические свойства приповерхностного обедненного слоя БпОг определяются взаимодействием поверхности оксида с газовой фазой. Свойства поликристаллических материалов значительно отличаются от свойств монокристаллов. В поликристаллических полупроводниковых оксидах птипа проводимости каждое зерно необходимо рассматривать как замкнутый объем, приповерхностный слой которого обеднен электронами рис. Обедненный слой образуется в результате процессов хемосорбции кислорода из газовой фазы, сопровождающихся локализацией электронов из объема оксида с образованием иона О2. Рис. Электрофизические свойства иоликристаллических материалов существенно отличаются от свойств монокристаллов. Это обусловлено высокой долей поверхностных атомов, которые имеют меньшее число связей с соседями по сравнению с атомами в объеме и обладают иными свойствами. Реальная структура и размеры кристаллитов оказывают существенное влияние на интегральную проводимость материала. Особенно ярко проявляются различия в электрофизических свойствах моно и поликристаллических веществ при размерах кристаллитов в нанометровом диапазоне, где доля атомов на поверхности раздела достигает . Размеры нанокристаллитов сопоставимы с характеристической длиной многих процессов, так, например, размер ианочастиц сопоставим с дебаевской длиной экранирования и с боровским радиусом экситонов в полупроводниках . Это приводит к проявлению размерных эффектов в оптических, электрических и других свойствах. Проводимость поликристаллического диоксида олова будет определяться электронными свойствами объема кристаллитов и транспортом носителей через межзеренные барьеры. Механизм поверхностных ловушек. Проводимость определяется изменением концентрации носителей в обедненном слое. При этом межкрисгаллитные барьеры не вносят вклада в электропроводность. Этот механизм реализуется в случае поверхностной проводимости при адсорбции на монокристаллическом материале, либо при малых межкристаллитных барьерах. Основной характеристикой является толщина обедненного слоя. В этом случае носители движутся вдоль потенциального барьера. Механизм барьерной проводимости. Интегральная концентрация носителей принимается постоянной, а их подвижность изменяется. Этот случай характерен для любого поликристаллического материала при величине межкристаллитных барьеров больше величины кТ. Основной характеристикой, ответственной за электропроводность материала, является высота барьера на границе кристаллитов. В этом случае носители движутся через мсжкристаллитные барьеры. На рис. Ьо, где Ьо дебаевская длина экранирования системы нанокристаллитов с размерами зерен 1Ьо. Эквивалентная схема единичного кристаллита может быть представлена в виде двух параллельно подключенных сопротивлений, соответствующих сопротивлению объема кристаллита и сопротивлению приповерхностного обедненного слоя. В проводимость иоликристаллической системы с размером зерен 1Ьо могут вносить существенный вклад емкостные характеристики межзеренных границ, что отвечает механизму барьерной проводимости. Эквивалентная электрическая схема для нанокристаллической системы с размерами зерен с1Ьо наиболее проста. В этом случае электропроводность определяется концентрацией электронов в приповерхностном обедненном слое, что соответствует механизму поверхностных ловушек 8. Рис. Влияние размера кристаллитов па электрофизические свойства поликристаллических оксидов птипа проводимости 8. Уменьшение размера кристаллитов приводит к увеличению площади поверхности и вклада обедненного слоя в проводимость материала.