Электрохимические свойства поверхности широкозонных полупроводников и разработка электрохимических преобразователей на их основе

• Автор: Симаков, Вячеслав Владимирович
• Шифр специальности: 02.00.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Саратов
• Количество страниц: 387 с. : ил.

Введение.
Глава 1. Физикохимические основы работы твердотельных химических газовых сенсоров на основе широкозонных полупроводниковых материалов .
1.1 Электрохимические процессы, протекающие на поверхности газочувствительных широкозонных материалов

1.1.1 Распределение потенциала в тонкой пленке при

адсорбции частиц газа на ее поверхности.

1.1.2 Образование поверхностного заряда

при электрохимической сорбции частиц газа на поверхности тонких пленок.

1.1.3 Адсорбционные свойства мелкодисперсных слоев широкозонных полупроводников 5 Ь

1.2 Газочувствительные свойства мелкодисперсных слоев широкозонных полупроводников к газамокислителям. 6 Г

1.2.1 Зависимость проводимости мелкодисперсных слоев от давления газаокислителя.

1.2.2 Влияние содержания легирующей добавки и

размера зерна на проводимость образцов и дифференциальную чувствительность.
1.2.3 Зависимость дифференциальной чувствительности от рабочей температуры
1.2.4 Дифференциальная чувствительность к различным газамокислителям
1.2.5 Чувствительность широкозонных полупроводников
к газамокислителям .
1.3 Химические сенсоры газоввосстановителей на основе мелкодисперсных слоев широкозонных полупроводников
1.3.1 Концентрационная зависимость чувствительности широкозонных полупроводников к газамвосстановителям
1.3.2 Влияние параметров материала и технологии формирования
на чувствительность
1.3.3 Температурная зависимость чувствительности.
Основные результаты и выводы
Глава 2. Методы получения и свойства тонких пленок
диоксида олова.
2.1 Материалы для изготовления активных слоев газочувствительных сенсорных структур.
2.2 Методы формирования газочувствительных слоев на основе
оксидов металлов
2.3 Получение тонких пленок диоксида олова с помощью ВЧмагнетронного распыления диэлектрической мишени.
2.4 Исследования химического состава, кристаллической
структуры и морфологии тонкопленочных слоев диоксида олова
2.4.1 Химический состав
2.4.2 Оптические свойства .
2.4.3 Кристаллическая структура
2.4.4 Текстура слоев.
2.4.5 Морфология слоев .
2.5 Электрофизические свойства тонкопленочных слоев
диоксида олова
2.5.1 Стабильность проводимости слоев при повышенных температурах в кислородосодержащей атмосфере
2.5.2 Зависимость проводимости от давления кислорода
2.5.3 Влияние температуры на проводимость в атмосфере
кислорода.
Основные результаты и выводы.
Глава 3. Газочувствительные свойства тонких пленок
диоксида олова
3.1 Приборы и техника экспериментальных исследований газочувствительных свойств тонких пленок диоксида олова
3.2 Зависимость чувствительности тонких пленок диоксида олова
от концентрации примесей различных газов.
3.2.1 Чувствительность к примеси угарного газа
3.2.2 Чувствительность к аммиаку
3.2.3 Чувствительность к примесям некоторых органических веществ в воздухе.
V 3.2.4 Чувствительность к оксидам азота 0 и
ХЗ.2.5 Температурные зависимости чувствительности
тонких пленок диоксида олова
3.3 Изменение проводимости сенсорных структур на основе тонких пленок диоксида олова при ступенчатом воздействии
газовой пробы
3.4 Применение мультисенсорных систем для распознавания сложных газовых смесей .
3.4.1 Методы обработки и анализа данных.
3.4.2 Этапы анализа данных и методики предварительной
обработки.
3.4.3. Распознавание газов мультисенсорными системами
типа электронный нос
Основные результаты и выводы .
Г лава 4. Электрофизические характеристики тонких пленок
диоксида олова.
4.1 Влияние поверхностного ионного транспорта на электрофизические характеристики газочувствительных тонких пленок широкозонных полупроводников
4.1.1. Влияние электрического поля на сопротивления, газочувствительных тонких пленок.
4.1.2. Динамика релаксации сопротивления тонкопленочных структур в сильных электрических полях.
4.1.3. Влияние примеси газавосстановителя на поверхностный ионный транспорт в тонкопленочных газочувствительных структурах.
4.2. Зависимость сопротивления газочувствительных структур на основе тонких пленок диоксида олова от приложенного напряжения и температуры.
4.3. Вольтамперные характеристики газочувствительных структур на основе тонких пленок диоксида олова
4.3.1. Влияние температуры на вольтамперные характеристики тонкопленочных газочувствительных структур.
4.3.2. Влияние примесей газоввосстановителей на вольтамперные характеристики тонкопленочных газочувствительных структур
Основные результаты и выводы
Глава 5. Электрохимические свойства систем прямого контакта
металлширокозонный полупроводник .
5.1. Электрохимическое поведение систем прямого контакта щелочной металлширокозонный полупроводник
5.2. Особенности транспорта заряда в электрохимических системах прямого контакта металлширокозонный
полупроводник .
5.3. Применение систем прямого контакта металлширокозонный полупроводник в электрохимических системах
5.3.1. Твердофазный электрохимический синтез ТЦХМ.
5.3.2. Химический преобразователь энергии.
Основные результаты и выводы
Заключение
Список литературы


Для того чтобы определить величину этих изменений, требуется знание распределения концентрации свободных носителей заряда в объеме, которое можно найти, решив уравнение Пуассона 6. При изменении состава окружающей среды, возможно изменение заполнения поверхностных состояний и изменение концентрации свободных носителей заряда в объеме полупроводника, а, следовательно, и электропроводности материала. Частицы газавосстановителя адсорбируются на поверхности полупроводника и выступают в роли поверхностных доноров электронов, которые инжектируются в объем полупроводника. Газвосстановитель может реагировать на поверхности полупроводника с хемосорбированным кислородом. При этом локализованный электрон на поверхностном акцепторном уровне кислорода возвращается в объем материала. В общем случае, хемосорбция газавосстановителя, как правило, ведет к понижению потенциального барьера на поверхности полупроводника типа и увеличению проводимости. Для полупроводниковых материалов ртипа проводимости адсорбция газавосстановителя приводит к уменьшению проводимости. Известны несколько основных механизмов влияния заряда поверхности полупроводника на его проводимость образование двойных барьеров Шоттки на межзеренных границах поликристаллических образцов изменение эффективного сечения проводящего канала между зернами 0, 1 модуляция концентрации свободных носителей заряда в объеме обедненного зерна 2. Для переноса заряда через структуру, свободные носители заряда должны преодолевать потенциальные барьеры, существующие между зернами. Поверхностная химическая реакция газавосстановителя с адсорбированным газомокислителем приводит к уменьшению заполнения поверхности акцепторными центрами и увеличению концентрации свободных носителей в объеме. При этом происходит сдвиг электрохимического потенциала на поверхности и понижение потенциальных барьеров между зернами 3. Проводимость слоя в целом возрастает. Для спеченных порошков характерно сращивание зерен и образование проводящих перешейков между зернами, которым способствует высокая температура спекания. Переход свободных носителей между зернами осуществляется по узким каналам, сечение которых контролируется ДЭС перешейков 0,1. Общим для этих моделей является предположение о существовании в зерне областей с более высокой проводимостью, чем проводимость межзеренных границ или поверхности зерна, то есть внутреннее сопротивление зерна пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением приповерхностной области. Вместе с тем, результаты измерения эффекта Холла для тонких пленок диоксида олова, не находят объяснения ни в рамках модели двойных барьеров Шоттки, ни в рамках модели перешейков 2. Увеличение проводимости материала при воздействии на слой горючего газа приводило к возрастанию концентрации свободных носителей заряда и незначительному изменению их подвижности. Поэтому была предложена модель полностью обедненного зерна, согласно которой в сверхтонком зерне отсутствует различие между внутренней частью зерна и приповерхностной областью. Результаты микроскопических исследований показали, что размер зерен не превышал нескольких десятков ангстрем. Длина экранирования определяется концентрацией доноров в объеме слоя. В работе 5 предложена модель, объединяющая различные механизмы контроля проводимости слоя поверхностным зарядом. Согласно этой модели, каждое зерно образовано в результате срастания нескольких более мелких зерен, перешейки располагаются внутри зерна, а зерна разделены между собой потенциальными барьерами. Преимущественное влияние того или иного механизма определяется соотношением между размерами зерна и шириной обедненной области. Следует отметить, что при контроле проводимости слоя межзеренными барьерами, температурная зависимость проводимости определяется высотой барьеров, при контроле перешейками энергией активации доноров, а при контроле обедненным зерном энергией ионизации поверхностных состояний 1. Тонкие пленки проявляют поведение, схожее с монокристаллическими слоями и изменения подвижности вследствие изменения высоты барьеров на границах зерен не играют в них такой значительной роли, как в спеченных порошках 6.