Тонкие пленки и гетероструктуры на основе нанокристаллических оксидов металлов для газовых сенсоров

• Автор: Васильев, Роман Борисович
• Шифр специальности: 02.00.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 115 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Механизмы газовой чувствительности полупроводниковых материалов

1.1.1. Электронное состояние поверхности полупроводников

в условиях адсорбции.

1.1.2. Электропроводность полупроводниковых материалов

в условиях хемосорбции

1.2. Механизм газовой чувствительности систем с гетеропереходом

1.2.1 Структуры металлдиэлектрикполупроводник.

1.2.2. Структуры металлполупроводник.

1.2.3 Структуры полупроводникполупроводник.
2. МЕТОДИКИ ЭКСЕРИМЕНТА
2 1. Синтез нанокристаллических пленок БпОг, 1п3 и ЪпО.
2.2. Подготовка подложек.
2.3. Измерение толшины пленок
2.4. Элементный состав синтезированных пленок
2.5. Фазовый состав и микроструктура пленок Бп, 1п3 и ЪпО
2.6. Используемые контакты.
2.7. Синтез гетероструктур БпОгЫ и БпОгБЮгБ
2.8 Методики электрофизических измерений.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Синтез тонких пленок и исследование их состава и микроструктуры
3.1.1. Скорость роста
3.1.2. Анализ элементного состава
3.1.3. Анализ фазового состава.
3 .1.4. Размеры зерен и микроструктура образцов
3.1.5. Анализ состава и микроструктуры слоев БпСЬ, полученных методом пиролиза аэрозоля
3.1.6. Удельное сопротивление пленок оксидов на изолирующей подложке.
3.2. Электрофизические свойства гетероструктур БлОггияБ, БпОБ
и БпМерут5 в агмосфере осушенного азота.
3.3. ЭлеКТрофиЗИЧеСКИе СВОЙСТВа ГТрОСТруКТур 8пто8,
БпРуг8 и 8пМерут8 в условиях газовой адсорбции.
3.4. Элекгрофизичсскис свойства гетероструктур 8пруг88.
3.5. Модель взаимодействия исследованных гстероструктур с газовой фазой.
ВЫВОДЫ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Известно, что использование пористых нанокристаллических систем снимает ограничения для диффузии газовых молекул. Синтез и исследование гетеропереходов на основе нанокристаллических оксидов, обладающих высокой газовой чувствительностью, представляет исключительный интерес для создания новых материалов для газовых сенсоров. Однако гетероструктуры на основе нанокристаллических полупроводников в литературе не описаны, нет информации об условиях их синтеза, электрофизических и сенсорных свойствах. В связи с этим целью работы является синтез гетероструктур на основе нанокристаллических оксидов металлов и исследование их газовой чувствительности. Научная новизна. Впервые синтезированы гетероструктуры на основе нанокристаллического ВпОг и монокристаллического 81 и исследованы их электрофизические свойства и процессы взаимодействия с газовой фазой Предложена модель газовой чувствительности для гетероструктур ВпВ1, учитывающая изменение высоты барьера на гетерогранице и вклад поверхностных состояний. Впервые обнаружены эффекты долговременной задержки емкостного отклика в гетероструктурах эффект памяти, а также полевого воздействия на процессы релаксации, позволяющие реализовать дозиметрический режим работы сенсора. Практическая значимость. Исследованные гстероструктуры могут быть использованы для создания газовых сенсоров типа электронного носа, а также для создания дозиметрических газовых датчиков. Предложенные модели могут представлять интерес для более глубокого понимания процессов в полупроводниковых газовых сенсорах. Настоящая работа выполнена в Московском государственном университете им. М.В Ломоносова на Факультете наук о материалах и кафедре неорганической химии Химического факультета. Работа проведена в соответствии с приоритетным направлением фундаментальных исследований Неорганическая химия как фундаментальная основа для создания новых поколений функциональных материалов, по проектам Российского фонда фундаментальных исследований 8 Неоднородные системы на основе оксидов металлов в ультрадисперсном состоянии с высокой газовой чувствительностью и 3 Гетерограницы в нанокристаллических системах в условиях газовой адсорбции. В настоящем обзоре рассмотрены вопросы взаимодействия по1упроводниковых оксидов с газовой фазой. Приведены основные механизмы газовой чувствительности таких материалов. Рассмотрены основные типы систем с гетеропереходами и обсуждаются механизмы взаимодействия таких систем с газовой фазой. В газовых сенсорах резистивного типа используются материалы, которые характеризуются обратимым изменением величины электропроводности в зависимости от состава газовой фазы. Основные процессы, происходящие при этом, представлены на схеме рис. Можно выделить 2 группы процессов на поверхности полупроводникового материала и в его объеме. Первая из них включает адсорбцию газовых молекул, а также химические реакции на поверхности и приводит к изменению электронного состояния поверхности. Вторая связана с изменением концентрации свободных носителей заряда в приповерхностном слое в результате электронного обмена с поверхностью, а также включает диффузию атомов и изменение концентрации объемных дефектов. Все эти процессы в той или иной степени влияю на концентрацию носителей заряда п, р и их подвижность р. Изменение п, р и р вызывает изменение величины проводимости материала. Следует отметить, что изученные в настоящей диссертации оксиды являются широкозонными полупроводниками птипа проводимости с шириной запрещенной зоны 0К для 5п 3. В, 3. В и 1п2Оя 3. В. Преобладающими атомными дефектами в кристаллических 8п и 1п2СЬ являются двукратно ионизированные вакансии кислорода Уо2 в то время как для 7,пО предполагается два типа донорных атомных дефектов междоузельный атом цинка 2п и вакансии кислорода У0, степень ионизации которых однозначно не определена 58. Схема процессов взаимодействия полупроводникового материала с газовой фазой 4. С


. Чг
в. Рис. Зонная диаграмма полупроводника птипа при адсорбции акцепторных а, б и донорных в,г молекул, а и в начальное состояние, б и гконечное .