Разработка и исследование газового сенсора на основе тонкопленочных материалов состава SiO2SnOxAgOy

• Автор: Назарова, Татьяна Николаевна
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Таганрог
• Количество страниц: 133 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГАЗОВОЙ СЕНСОРИКИ

1.1. Современные тонкопленочные материалы, обладающие газочувствительными свойствами

1.2. Критерии выбора газочувствительных материалов для

сенсоров газов

1.2.1. Микроструктура газочувствительных материалов

1.2.2. Электропроводность газочувствительных материалов

1.2.3. Химический состав газочувствительных материалов

1.3. Методы получения тонкопленочных оксидных материалов

1.3.1. Физические методы получения оксидных пленок

1.3.2. Химические методы получения оксидных пленок
1.3.3. Осаждение оксидных пленок из растворов гидролизующихся соединений
Выводы
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ,
2.1. Интерференционная микроскопия для измерения
толщины тонкопленочных материалов
2.2. Атомносиловая микроскопия АСМ для контроля морфологии поверхности тонкопленочных материалов
2.3. Спектроскопия поглощения видимого излучения для определения ширины запрещенной зоны тонкопленочных
материалов
2.4. Рентгеноструктурный анализ для определения фазового
состава тонкопленочных материалов
2.5. Оже электронная спектроскопия ОЭС и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия РФЭС для определения
элементного состава тонкопленочных материалов
Выводы
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ СОСТАВА 8ЮпОхАвОу
3.1. Выбор компонентов и составление рецептуры пленкообразующего раствора
3.2. Выбор метода нанесения тонкопленочного материала на подложку
3.3 Термическая обработка тонкопленочных материалов
Выводы
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ СОСТАВА 8ЮпОхАОу
4.1. Определение толщины тонкопленочных образцов
4.2. Исследование элементного и химического состава тонкопленочных образцов
4.3. Исследование морфологии поверхности и фазового
состава тонкопленочных образцов
4.4. Исследование электрофизических свойств
тонкопленочных образцов
Выводы
Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ СЕНСОРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ СОСТАВА 8ЮпОхАОу
5.1. Калибровка газовых сенсоров
5.2. Влияние состава и температуры отжига тонкопленочных образцов на их газовую чувствительность, время отклика и время восстановления с
5.3. Влияние температуры и влажности на газовую чувствительность тонкопленочного сенсора
5.4. Механизм газовой чувствительности сенсора к аммиаку
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


Показано, что пленки состава ЗЮгЗпОхАйОу обладают газочувствительностью к аммиаку при комнатной температуре. Показано, что максимальную газовую чувствительность имеют образцы пленок, обладающие пористым строением, относительным соотношением Sn/Ag=,, шириной запрещенной зоны порядка 0,2 эВ, размером кристаллитов оксидов серебра ,7 нм. Предложен механизм взаимодействия молекул аммиака с поверхностью пленок состава SiSn0xAg0Y. Практическая ценность заключается в разработке технологии получения тонкопленочного материала состава SiSn0xAg0Y и создании газового сенсора аммиака на его основе. Технология получения пленок состава 8ЮпОхА? Оу. Результаты исследования элементного, химического, фазового состава и морфологии поверхности газочувствительных пленок. Результаты исследования электрофизических свойств пленок состава SiSn0xAg0Y и газочувствительных характеристик сенсоров на их основе. Механизм взаимодействия молекул аммиака с газовым сенсором состава БЮпОхА§Оу. Апробация работы. Основные результаты работы доложены на: ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, студентов и аспирантов ТРТУ (Таганрог, -); 1-й международной научно-технической конференции. Сенсорная электроника и микросистемные технологии» (Украина, Одесса, ); -м международном конгрессе по тонким пленкам (Швеция, Стокгольм, ); международной конференции «Евросенсор XIX» (Испания, Барселона, ), V Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск ). Публикации. По материалам диссертационной работы опубликованы печатные работы, из них 5 статей и работ в сборниках трудов конференций. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из наименований. Общий объем диссертации составляет 9 страниц, включая рисунков, формулы и таблиц. Глава 1. Наиболее распространенными функциональными материалами, используемыми в качестве газочувствительных элементов химических сенсоров, являются одно- и двухкомпонентные металлоксидные полупроводниковые материалы (БпОг, ZnO, Мо, Сг2-хТ1хОз, РеКЮщ др. Среди изученных материалов нанокристаллический диоксид олова нашел наибольшее практическое применение (табл. Уникальность диоксида олова как материала для химических газовых сенсоров вызвана рядом его фундаментальных физических и химических свойств. Во-первых, он является широкозонным полупроводником (Е&=3,6 эВ) п-типа, вследствие чего электропроводность БпОг оказывается чрезвычайно чувствительной к состоянию поверхности в той области температур (7 - 7 °С), для которой на поверхности оксидов наблюдаются окислительновосстановительные реакции. Во-вторых, поверхность диоксида олова обладает высокими адсорбционными свойствами и реакционной способностью, которые обусловлены наличием свободных электронов в зоне проводимости полупроводника, поверхностных и объемных кислородных вакансий, а также активного хемосорбированного кислорода. Энергетический уровень двукратно ионизированных вакансий кислорода лежит на 0 мэВ ниже края зоны проводимости [1]. Диоксид олова имеет тетрагональную структуру рутила [1] (рис. СЬ-б, где ' < 6 <*3—величина отклонения состава от стехиометрии [1]. Двукратно ионизированные вакансии кислорода + являются основными собственными дефектами и определяют электрические свойства материала: электронный тип проводимости и концентрацию свободных носителей заряда п=[+]. Рис. Однако существенным недостатком химических сенсоров на основе БпОг является их низкая селективность, которая не позволяет выделить вклад данного типа молекул в газовой фазе в суммарный электрический сигнал. Одним из путей решения данной проблемы является введение в высокодисперсную оксидную систему легирующих добавок. В качестве легирующих примесей в диоксиде олова опробовано большое количество металлов и их оксидов. Так, введение Рі, Рс1 в 8п повышает селективность к СО, СИ», Н2 [5-9], введение Ag обусловливает газочувствительность к ИНз и Н [5, ], легирование Си позволяет получать сенсоры С2Н5ОН, Н, СО [1,] (табл. Л). Ю2:е1е ш.