Микроструктура и свойства тонких пленок SnO2, предназначенных для создания сенсоров восстановительных газов

• Автор: Сергейченко, Надежда Владимировна
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 119 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ

1 Современные представления о структуре и свойствах тонких пленок металлооксидных полупроводников
1.1 Физико-химические модели резистивных сенсоров 13 восстановительных газов
1.2 Методы управления метрологическими параметрами
сенсоров
1.2.1 Роль катализаторов, нанесенных на поверхность и 20 введенных в объем диоксида олова
1.2.2 Влияние технологических условий получения на 27 характеристики тонких пленок диоксида олова
1.2.3 Использование режима термоциклирования для 30 управления характеристиками сенсоров
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
2 Методика эксперимента
2.1 Технология изготовления тонких пленок диоксида олова
2.2 Использование АСМ для изучения толщины и
микроструктуры тонких пленок диоксида олова
2.3 Методы исследования электрических и 40 газочувствительных характеристик сенсоров
2.4 Оценка погрешностей измерений
3 Влияние добавок Рт Рф Аи на поверхности и в объеме тонких 47 пленок диоксида олова на электрические и газочувствительные свойства
3.1 Микроморфология пленок диоксида олова
3.2 Характеристики пленок диоксида олова с различными
добавками в зависимости от рабочей температуры и концентрации газов

3.3 Механизмы проводимости сенсоров при воздействии различных газов
3.3.1 Влияние различных газов на канальную составляющую проводимости тонких пленок БпОг
3.3.2 Механизмы проводимости тонких пленок 8п02 при воздействии водорода
3.4 Механизмы влияния добавок Рь Реї и Аи на свойства тонких пленок диоксида олова
3.5Влияние паров воды на электрические и газочувствительные свойства тонкопленочных сенсоров на основе диоксида олова Выводы
4 Особенности профилей проводимость-время (ППВ) сенсоров на основе 8п02 с различными добавками в режиме
термоциклирования
4.1 Зависимость ППВ сенсоров от температуры и
длительности циклов нагрева и охлаждения, типа
восстановительного газа
4.2 Стабильность характеристик сенсоров в зависимости от длительности испытаний
4.3 Влияние влажности на параметры сенсоров в режиме термоциклирования
4.4 Характеристики пожарных извещателей в режимах постоянного и импульсного нагрева
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Наиболее перспективным методом
детектирования загрязняющих газов в воздухе является применение полупроводниковых газовых сенсоров на основе металлооксидных полупроводников. Полупроводниковые сенсоры обладают высокой
чувствительностью к токсичным газам (на уровне не менее 0.1 ПДК),
характеризуются большим сроком службы, низкой себестоимостью, способностью работать в непрерывном режиме и при этом отличаются высоким быстродействием (единицы, десятки секунд). Важное значение имеет обнаружение нижних концентрационных пределов взрываемости (НКПВ) водорода, метана, природного газа, других углеводородов на предприятиях угле- и нефтедобывающего комплексов.
Препятствием для широкого применения полупроводниковых газовых сенсоров для задач мониторинга атмосферы является сравнительно невысокая селективность детектирования различных газов. При этом до настоящего времени недостаточно изученными остаются процессы
химического взаимодействия молекул газов с поверхностью полупроводников в присутствии активных катализаторов, а также механизмы формирования электрического сигнала [1-7].
Анализ литературных данных показал, что газочувствительными характеристиками сенсоров на основе нанокристаллических металлооксидных полупроводников можно управлять путем введения в объем и нанесения на поверхность каталитических добавок. Исследования выполнены, главным образом, на пленках диоксида олова с толщиной > (500-1000 нм), полученных методами толстопленочной технологии, которые к настоящему времени более развиты, как в России, так и за рубежом [5-11]. Полученные данные свидетельствуют о том, что добавки благородных металлов Рй Рб, Аи могут модифицировать микроструктуру, контролировать механизм роста кристаллитов, вводить донорные и акцепторные уровни,

Для повышения значений отклика и селективности сенсоров по отношению к различным газам в ряде работ предлагается использование режима термоциклирования. Показано, что импульсный нагрев может быть реализован в простых и экономичных измерительных системах. Вместе с тем вид профилей проводимость-время существенно зависит от целого ряда факторов, включающих условия измерения (скорость потока газа, относительная влажность), тип и толщину слоев металлооксидов, тип и концентрацию газов, температуру и длительность термоциклов. Сложность обработки экспериментально измеренных ППВ затрудняет практическую реализацию режима термоциклирования сенсоров в газоанализаторах.
В СФТИ с целью разработки физико-химических основ микроэлектронной технологии резистивных газовых сенсоров к 2007 г. были выполнены исследования, направленные на установление механизмов проводимости и адсорбционного отклика тонкопленочных структур на основе диоксида олова в зависимости от условий изготовления и эксплуатации. Созданы оригинальные тонкопленочные датчики ряда восстановительных газов, изучены особенности их характеристик при эксплуатации в реальных условиях при изменении температуры и влажности в диапазоне от 210 до 320 К и от 0 до 100 %, соответственно, а также в режиме термоциклирования. Предложена физическая модель резистивного тонкопленочного сенсора, основанная на предположении о наличии в диоксиде олова мостиков проводимости из того же материала. Созданы прототипы сенсоров СО, Н2, СН4, а также пожарных извещателей для раннего обнаружения очагов тления различных материалов.
Оставались не решенными проблемы, связанные с селективностью детектирования различных газов, а также с недостаточной стабильностью параметров сенсоров при эксплуатации в условиях меняющейся влажности. Представлялось целесообразным продолжить эти работы, сосредоточив основное внимание на исследовании влияния добавок благородных металлов в объеме и различных нанесенных катализаторов на микроструктуру и