Влияние оптического излучения на свойства газовых сенсоров на основе нанокристаллических пленок оксида олова тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат технических наук Ле Ван Ван

• Ле Ван Ван
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ле Ван Ван

ВВЕДЕНИЕ.

1. ГАЗОВЫЙ АНАЛИЗ НА ОСНОВЕ СЕНСОРОВ 8пО.

1Л. Электрофизические свойства 8пО.

1.2. Модели электропроводности поликристаллического диоксида олова.

1.3/Свойства поверхности и дефекты в 8пО.

1.4. Механизмы процесса детектирования.

1.4.1. Процессы адсорбции.

1.4.2 Электронная структура полупроводника.

1.4.3 Процесс адсорбции кислорода на поверхности 8пО.

1.4.4 Гетерогенные реакции на поверхности БпО.

1.5. Выбор и введение аддитивов и каталитических покрытий.

1.6.Влияние освещения на свойств сенсоров.

Выводы.

2. СОЗДАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Создание установки для полуавтоматического измерения чувствительности газовых сенсоров.

2.3. Алгоритмы реализация процесса измерения модулем Е140 с помощью программы ЕаЫаеу/.

2.4. Устройство исследования влияния оптического излучения на свойства сенсоров.1.

3. РАЗРАБОТКА ГАЗОВЫХ СЕНСОРОВ НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК 8пО С АДДИТИВАМИ ВОЛЬФРАМ И ГАДОЛИНИЙ.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Технология изготовления сенсора.

3.3. Напыление пленок 8пО.

3.4. Корректировка состава пленок оксида олова отжигом.

3.5 Исследование топологии поверхности пленок оксида олова сканирующим силовым микроскопом.

3.6. Исследование чувствительности сенсоров на основе оксида олова с аддитивами вольфрам и гадолиний.

3.7. Исследование возможности сенсоров для идентификации молочных продуктов.

Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА СВОЙСТВА ГАЗОВЫХ СЕНСОРОВ НА ОСНОВЕ

НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК БпО.

4.1.1 Постановка задачи.

4.2. Исследование влияния облучения красными светодиодами.

4.3 Исследование влияния облучения: желтыми, зелеными, синими и ультрафиолетовыми свето диодами на свойства сенсоров.

4.4 Исследование влияния ультрафиолетового облучения газоразрядной лампой ПРК на свойства газовых сенсоров.

4.5. Обсуждение результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние оптического излучения на свойства газовых сенсоров на основе нанокристаллических пленок оксида олова»

Актуальность темы. Вопросы распознавания запахов и создания "Электронного носа" являются актуальными и, очевидно, сохранят надолго свою актуальность. Одним из основных направлений в этой области исследований и разработок является совершенствование металлооксидных полупроводниковых сенсоров. Простота реализации, малогабаритность, удобство электропитания, достаточно высокая чувствительность делают их перспективными, как основы для определенных вариантов "Электронного носа"

Вековыми вопросами совершенствования газовых сенсоров являются повышение их чувствительности, избирательности, стабильности во времени и как одной из основ этого процесса углубление понимания физико-химических аспектов их работы.

В последние года достаточно заметно расширился крут металлооксидных материалов, использующихся для изготовления сенсоров. Начали использоваться кроме традиционных ZnO, 8п02 также АД'гОз, №02, ТЮ2 [1, 2, 3] их сочетания. Интенсифицировались работы области газовых сенсоров на органических пленках.^, 5, 6]

Однако, преимущество в области исследования пока принадлежит сенсорам на Основе пленок БпО (8п02х) благодаря их наименьшей рабочей температуре, требующей минимальной затраты энергии на нагрев, достаточно высокой чувствительности, большой вариации методов получения. Проблема их избирательности решается с помощью введении аддитивов (примесных добавок) и каталитических покрытий. Интерес представляют исследования использования двойных аддитивов (промоутеров). Остаются проблемы с пониманием их взаимодействия с различными реагентами и физики влияния на их свойства различных внешних факторов.

Целью работы являлось исследование возможности повышения чувствительности и избирательности сенсоров на основе 8пО с помощью оптического излучения. При этом ставилась задача провести исследование как на ранее полученных сенсорах с аддитивами БЬ, 1п, ЪгёЬ, так и на новых приборах с аддитивами и Ос1 в сочетании с набором каталитических покрытий Р^ Рс1, Аи.I

Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:

1. Создать полуавтоматическую измерительную установку на основе ПК и АЦП (Ь-Сагс1), предусматривающую возможность облучения сенсоров оптическим излучением различного спектрального состава, включая ультрафиолетовую область, и обеспечивающую возможность измерения сверх малых концентраций реагентов. Отработать методику измерения.

21 Исследовать газовые сенсоры с указанными выше новыми аддитивами, включая анализ поверхности оксидных пленок с помощью сканирующего силового микроскопа.

З1. Исследовать влияние облучения сенсоров светодиодами (СД) с излучением в видимом диапазоне, а также ультрафиолетовым излучением (УФ) и лампой ПРК на их параметры

Научной новизной обладают следующие результаты:

1. Впервые исследованы газовые сенсоры на основе ЭпО с аддитивами WSb, вё, всШЬ с различными каталитическими покрытиями.

2} Впервые показана возможность изменения и увеличения чувствительности 8пр сенсоров с помощью облучения их СД.

3. Впервые показано влияние спектрального состава излучения СД на свойства сенсоров.

4. Впервые показана связь влияния излучения СД на сенсоры БпО с конкретными аддитивами в составе оксидной пленки.

51 Впервые показана зависимость характера увеличения чувствительности сенсоров на 8пО от выбора каталитического покрытия.

Практическая значимость работы:

1. Показана полезность и целесообразность использования оптического излучения СД для корректировки и увеличения чувствительности сенсоров на основе 8пО с различными аддитивами, предназначенными для устройств типа «Электронный нос».

2: Показана высокая чувствительность созданных сенсоров с аддитивами \У, чубь, ва, оазь.

3. Созданы экспериментальные установки для исследования сверхмалых концентраций реагентов в полуавтоматическом режиме. Разработаны программные продукты для обработки измерения чувствительности сенсоров с использованием полуавтоматической установки на основе ПК и Ь-Сагё, позволяющие использовать сенсоры с сопротивлением более 10 МОм и исследовать их чувствительность при концентрации реагентов (спирты, ацетон, бензол) десятки ррЬ.

4» Показана возможность и целесообразность использования разработанных сенсоров для анализа молочных продуктов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Оптическое излучение в области более длинноволновой, чем собственное поглощение БпОг-х, оказывает существенное влияние на процессы гетерогенного физико-химического взаимодействия ряда реагентов с адсорбированными ионами кислорода на поверхности металлоксидных пленок.

2: Освещение СД поверхности сенсоров на основе пленок БпО с различными аддитивами и каталитическими покрытиями позволяет в ряде случаев на порядок, повысить их чувствительность к целому ряду реагентов.

3к Характер зависимость усиления чувствительности сенсоров от интенсивности излучения зависит от выбора Р1 или Рс1 в качестве каталитического покрытия их поверхности

41 В случае облучения синим и ультрафиолетовым светодиодами наблюдается четко выраженный фотоэффект и уменьшение чувствительности к реагентам.

5. Ультрафиолетовое излучение лампой ПРК приводит к медленному (в течение часа) уменьшению сопротивления сенсоров с рабочей температурой 180 °С и изменению чувствительности. При рабочей температуре 220 °С то же излучение приводит к небольшому уменьшению сопротивления, сменяющееся ростом сопротивления и увеличением чувствительности.

Достоверность результатов обеспечена применением воспроизводимой методики изготовления образцов, стандартной измерительной аппаратурой, внутренней непротиворечивостью результатов измерений.

Результаты работы использованы при выполнении Госбюджетной работы 1029095

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Международной конференции XVI Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел РЭМ, 2009 г.; XVI Международной научно-технической конференции "Высокие технологии! в промышленности России " - XXIII Международного симпозиума "Тонкие пленки в электронике", Москва, ОАО "ЦНИТИ Техномаш", 2010 г.; международных семинарах «Флуктуационные и деградационные явления в полупроводниковых приборах» Л9 38, 39, 40 М.: МНТОРЭС.2008, 2009, 2010 г.; Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: № 14, 15, 16, Москва 2008, 2009, 2010 г.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 8 статьях, две из которых в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, и 4 тезисах докладов на научных конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, приложения и списка литературы, включающего 73 наименований. Основная часть работы изложена на 111 страницах машинописного текста. Работа содержит 64 рисунка, 9 таблиц и 2 приложения.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Ле Ван Ван

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые созданы сенсоры с аддитивами W и Ос1 и двойными аддитивами

WSb и ОёБЬ, обладающие высокой чувствительностью и избирательностью для реагентов: этиловый, изопропиловый спирты, ацетон, бензол с рабочими тем! пературами от 100 °С и температурой максимальной чувствительности в диапазоне 250-300 °С.

2. Впервые показано, что облучение сенсоров с аддитивами 8Ь, 1п, 1пБЬ и реаI гентами во вновь разработанных сенсорах без и с каталитическими покрытием Р^ Рс1, Аи вызывает изменение их относительной чувствительности к выше указанным реагентам с ее увеличением при освещении красными СД более, чем на порядок.-Показано, что характер увеличения чувствительности зависит от выбора. каталитического покрытия. В случае Рс1 наблюдается линейное увеличение с ростом напряжения на светодиоде, а в случае Р1 рост усиления начинается с некоторого порогового значения. Аналогичное, но более слабое воздействие наблюдается для желтых СД.

3. В случае зеленых и синих светодиодов наблюдается слабый фотоэффект и усиление отсутствует. В случае УФ светодиода с максимумом при 395 нм наблюдается четко выраженный фотоэффект и уменьшение чувствительности сенсоров.

4. Облучение сенсоров УФ излучением газоразрядной лампой ПРК приводит к медленному, в течение часа, уменьшению сопротивления сенсоров при рабо-чештемпературе 180 :°С, соответствующей минимуму сопротивления у темпера 101 турной зависимости сопротивления сенсора. При рабочей температуре 220 °С наблюдается небольшой спад сопротивления, который сменяется ростом сопротивления и увеличением относительной чувствительности. Наблюдаемые явления! связываются с образованием озона в воздухе.