Синтез нанокристаллического диоксида олова для газовых сенсоров

• Автор: Кудрявцева, Светлана Михайловна
• Шифр специальности: 02.00.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 144 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1. Методы получения наноматериалов
1.1. Закономерности гидролиза и поликонденсации
неорганических аквакомплексов
1.2. Синтез наночастиц из коллоидных растворов
1.2.1. Золь-гель метод
1.2.2. Криозоль-метод
2. Физико-химические свойства поликристаллического диоксида олова
2.1. Кристаллическое строение БпОз
2.2. Электрофизические свойства диоксида олова
3. Полупроводниковые газовые сенсоры на основе 8п02
3.1. Принцип действия сенсорного элемента на основе БпС
3.2. Влияние состава и реальной структуры материала на его
сенсорные свойства
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
1. Синтез порошков нанокристалличекого диоксида олова
1.1. Гидролиз хлорида олова водным раствором аммиака
1.2. Криозоль-метод
1.3. Гидролиз изопропилата олова
1.4. Изготовление таблеток и толстых пленок
2. Исследование состава, структуры и адсорбционных свойств синтезированных порошков Бп02
2.1. Состав полученных порошков диоксида олова
2.2. Микроструктура полученного материала
2.3 Реальная структура синтезированного материала
2.4. Адсорбционные свойства порошков Ьп02
3. Электрофизические свойства материала
4. Изучение газовой чувствительности материала
4.1. Сенсорные свойства керамики на основе БпОДСиО)
4.2. Сенсорные свойства толстых пленок на основе
БпОДСиО)
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
1. Термическая стабильность нанокристаллического
диоксида олова
2. Формирование двумерной структуры агломератов
при использовании криозоль-технологии
3. Влияние микроструктуры на сенсорные свойства материала
4. Влияние меди на функциональные свойства материала
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
В последнее десятилетие в неорганическом материаловедении сформировалось новое направление — исследование нанокристаллических систем, которым уделяется особое внимание среди большого числа низкоразмерных и высокодисперсных систем [1,2]. Особенно большой интерес вызывают полупроводниковые нанокристаллические материалы, в которых при уменьшении размера кристаллитов начинает проявляться целый комплекс квантоворазмерных эффектов. Влияние этих эффектов становится особенно заметным в условиях, когда размеры частиц сравниваются с характерными длинами (де-бройлевской длиной волны, боровским радиусом экситона), и проявляется в оптических, магнитных и электрических свойствах таких материалов.
При уменьшении размеров полупроводниковых частиц происходит смещение энергетических уровней в зонной структуре. Этот случай реализуется для материалов со сравнительно низкой эффективной массой носителей заряда и большим радиусом боровской орбиты, таких как Сс18, Cd.Se, СсГГе и т.д [3]. Увеличение ширины запрещенной зоны при уменьшении размеров частиц в этих материалах приводит к таким явлениям, как смещение края полосы поглощения в сторону больших длин волн [4,5]. Ярким примером этого эффекта является “голубой” сдвиг экситонной полосы поглощения полупроводникового кристалла при уменьшении его размера (например, для С68 такой сдвиг наблюдается начиная с размеров 5-6 нм). Можно отметить также влияние размерного фактора на магнитные свойства материалов: зависимость магнитной восприимчивости и времени релаксации остаточной намагниченности от размера частиц [6,7].
Уменьшение размеров кристаллитов приводит к резкому возрастанию вклада поверхностной энергии в общую свободную энергию системы. В условиях, когда доля поверхностных атомов сравнима с долей атомов, занимающих регулярные узлы в кристаллической решетке, состояние поверхности вносит заметный вклад в термодинамические

кислород из окружающей атмосферы. При этом концентрация свободных вакансий в приповерхностном слое понижается по сравнению с объемом кристалла. Расчеты [86] показывают, что если оказываются занятыми кислородные вакансии на толщине одного атомного монослоя, система теряет существенную часть заряда ((5-10)-1012 Кл/см2). Таким образом, вблизи поверхности кристалла 8п02 образуется обедненный слой, концентрация электронов в котором меньше, чем в объеме (рис. 12). Протяженность этого слоя Ь определяется дебаевской длиной экранирования в данном материале Т0 [87] и высотой поверхностного барьера Шоттки У5 [88,89]:
Ь = (еукТ) , где (19)
е - заряд электрона, к - константа Больцмана, Т - абсолютная температура. Дебаевская длина экранирования в данном материале определяется уравнением
Ь0 = (екТ/е2п), где (20)
е - диэлектрическая проницаемость материала, п - концентрация носителей заряда.
Величина поверхностного барьера, в свою очередь, определяется зарядом поверхности
V, = д82/2££0еп. (21)
Концентрация молекул и ионов кислорода, адсорбированных на поверхности 8п02, зависят от температуры, парциального давления кислорода и состояния поверхности. При комнатной температуре кислород локализован на поверхности 8п02 в виде адсорбированных молекул 025 При нагревании выше 450 К происходит диссоциация молекул кислорода на ионы О' и О2'. При этом ионы О" остаются на поверхности, а О2-проникают в кристаллическую решетку 8п02. В работе [90] предложена энергетическая диаграмма для различных молекул и ионов кислорода в газовой фазе, на поверхности и в кристаллической решетке 8п02. Показано, что ионы О2-, встроившиеся в кристаллическую решетку, являются наиболее стабильными (рис. 13), однако, энергетические барьеры перехода из одного состояния в другое не учтены.