Тонкие пленки и гетероструктуры на основе нанокристаллических оксидов металлов для газовых сенсоров (1105758)
Текст из файла
На правах рукописиВасильев Роман БорисовичТОНКИЕ ПЛЕНКИ И ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕНАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ ДЛЯГАЗОВЫХ СЕНСОРОВ(Специальность: 02.00.21 – химия твердого тела)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата химических наукМосква - 20011Работа выполнена на Факультете наук о материалах и кафедре неорганическойхимии Химического факультета Московского Государственного Университетаим.М.В.ЛомоносоваНаучные руководители:доктор химических наук,профессор А.М.ГАСЬКОВдоктор физико-математических науквед.н.с. Л.И.РЯБОВАОфициальные оппоненты:доктор химических наукпрофессор Г.А.Цирлинадоктор физико-математических наукпрофессор Д.Р.ХохловВедущая организация:Научно-исследовательскийфизико-химический институт им.Л.Я.КарповаЗащита состоится “22“ июня 2001 г.
в “1400” час. на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.51 по химическим наукам в МосковскомГосударственном Университете им.М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва,ГСП-3, В-234, Воробьевы Горы, МГУ, Химический факультет, ауд.344.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультетаМГУ.Автореферат разослан “22” мая 2001г.Ученый секретарь диссертационного совета,кандидат химических наукРешетова Л.Н.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Работа направлена на создание газочувствительныхматериалов нового типа на основе полупроводниковых гетероструктур.Поиск новых материалов для газовых сенсоров особенно актуален длявопросовмониторингаокружающейсреды,вмедицине,автомобилестроении и т.д.
Для решения широкого круга задачопределения состава газовой фазы значительный интерес представляютполупроводниковые газовые сенсоры резистивного типа. Принципдействия таких сенсоров основан на эффекте измененияэлектропроводности полупроводникового материала в присутствииследов газов-окислителей или восстановителей. Полупроводниковыесенсоры обладают рядом преимуществ: высокой чувствительностью,компактностью, низкой стоимостью и возможностью интеграции всовременные информационные системы.В традиционных газовых сенсорах резистивного типа механизмгазовой чувствительности включает в себя процессы хемосорбции наповерхности, сопровождающиеся изменением концентрации носителейв объеме полупроводника.
Сенсорный отклик формируется какрезультатобъемногоизмененияэлектропроводностиполикристаллического полупроводникового материала. При этомсостояние межзеренных контактов в поликристаллической системевносит существенный вклад в величину электропроводности.Перспективным является создание локализованной границы разделамежду материалами с различными электронными свойствами. Вподобных системах процессы хемосорбции будут определять высотуэнергетического барьера для носителей на гетерогранице, что приведет квозникновению газовой чувствительности.
В литературе имеютсяданныеогазочувствительныхсвойствахгетеропереходов(гетероструктур) металл-полупроводник, для которых механизмдействия связан с изменением высоты барьера Шоттки нагетерогранице. Для подобных материалов получены высокие значениячувствительности к водороду. Однако для других газов имеютсясущественные ограничения, связанные с возможностью диффузиимолекул к гетерогранице. Расширение диапазона детектируемых газов, атакжеулучшениесенсорныхсвойств(чувствительностииселективности) может быть реализовано с использованиемгетеропереходов на основе пористых нанокристаллических слоевполупроводниковых оксидов. Использование монокристаллическогокремния в качестве подложки дает возможность совмещениягазочувствительных материалов со стандартными микроэлектроннымитехнологиями.
В литературе не найдены работы по синтезу иисследованию сенсорных свойств гетероструктур подобного рода.3Целью работы являлся синтез гетероструктур на основенанокристаллических оксидов металлов и исследование их газовойчувствительности.Основные задачи работы включали:• синтез нанокристаллических тонких пленок SnO2, ZnO, In2O3 игетероструктур SnO2/Si методом реактивного магнетронногораспыления;исследованиефазовогосостава,микроструктурыи•электрофизических свойств синтезированных нанокристаллическихпленок;• исследование электрофизических свойств гетероструктур SnO2/Si иSnO2/SiO2/Si;• изучение процессов взаимодействия гетероструктур SnO2/Si иSnO2/SiO2/Si с газовой фазой, содержащей различные молекулы(этанол, аммиак и диоксид азота);• построениемодели,описывающеймеханизмгазовойчувствительности в гетероструктурах.Научная новизна.
Впервые синтезированы гетероструктуры наоснове нанокристаллического SnO2 и монокристаллического Si иисследованыихэлектрофизическиесвойстваипроцессывзаимодействия с газовой фазой. Предложена модель газовойчувствительности для гетероструктур SnO2/Si, учитывающая изменениевысоты барьера на гетерогранице и вклад поверхностных состояний.Установлена зависимость чувствительности от частоты переменногосигнала и амплитуды смещения, что дает возможность улучшенияселективностиматериала.Впервыеобнаруженыэффектыдолговременной задержки емкостного отклика в гетероструктурахSnO2/SiO2/Si (эффект “ памяти”), а также полевого воздействия напроцессы релаксации, позволяющие реализовать дозиметрическийрежим работы сенсора.Практическая значимость.
Исследованные гетероструктуры могутбыть использованы для создания газовых сенсоров типа “электронногоноса”, а также для создания дозиметрических газовых датчиков.Предложенные модели могут представлять интерес для более глубокогопонимания процессов в полупроводниковых газовых сенсорах.Апробация работы.
Основные результаты работы доложены намеждународных конференциях “Eurosensor XI”, (Варшава, Польша,1997) и “Eurosensor XIV” (Копенгаген, Дания, 2000), на 5оймеждународнойконференцииповысокотемпературнымсверхпроводникам и разработке новых неорганических материаловMSU-HTSC V (Москва, 1998), на 25ой международной конференции“Physics of Semiconductors” (Осака, Япония, 2000), на 1ой Всероссийскойконференции “Химия поверхности и нанотехнология” (Санкт4Петербург-Хилово,1999),наВсесоюзнойконференции“Функциональные материалы и структуры для сенсорных устройств“(Москва, 1999), на международных конференциях молодых ученых“Ломоносов-98”, “Ломоносов-99” и “Ломоносов-2000” (Москва).Публикации. Основные результаты диссертационной работыопубликованы в 12 печатных работах, включающих 6 статей.Структура работы.
Диссертация состоит из введения, обзоралитературы, методик эксперимента, экспериментальных результатов иих обсуждения, выводов и списка цитируемой литературы. Работаизложена на 115 страницах, содержит 61 рисунок и 6 таблиц. Списокбиблиографии содержит 93 ссылки.Настоящаяработаявляетсячастьюсистематическихисследований, проводимых в лаборатории диагностики неорганическихматериалов кафедры неорганической химии Химического факультетаМГУ в рамках программ Российского Фонда ФундаментальныхИсследований (проекты N 01-03-32728 и 00-03-32083).СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВВЕДЕНИЕКратко обоснована актуальность работы, сформулирована цель иобозначены основные этапы исследования.1.
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОРЛитературный обзор состоит из двух глав и пяти подразделов исодержит сведения о механизмах газовой чувствительностиполупроводниковыхматериалов.Рассмотреныпроцессывзаимодействия полупроводниковых поликристаллических систем сгазовой фазой. Показана значительная роль межзеренных барьеров вформировании электрического отклика. Рассмотрены основные типысистем с гетеропереходами и возможности их использования какгазовых сенсоров.
Отмечено, что подавляющее число работ погетеропереходам посвящено МДП-структурам на основе металлов,обладающих каталитическими свойствами. Для данных гетеропереходовисследована чувствительность к водороду. По системам на основеполупроводниковых оксидов имеется ограниченное число работ. Работыпо синтезу и исследованию сенсорных свойств гетероструктур на основенанокристаллических оксидных систем в литературе не найдены.52. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАТонкие пленки SnO2, In2O3 и ZnO синтезированы методоммагнетронногореактивногораспыленияметаллов.Системамагнетронного распыления смонтирована на базе установки вакуумногонанесения УВН-71-3П.
Магнетронное распыление металлическихмишеней осуществлялось в кислород-аргоновой плазме с различнымсодержанием кислорода. Общее давление в камере было фиксировано вовсех экспериментах на уровне 6*10-2 мм.рт.ст. Синтезы для каждого изоксидов проведены при 5 различных парциальных давлениях кислородарО2 (0.6, 1.8, 3, 6, 9)*10-3 мм.рт.ст.
Длительность синтезов варьироваласьв зависимости от скорости роста для достижения толщины пленки вдиапазоне 0.06-1 мкм. В качестве подложек использовались пластиныполикристаллического корунда и монокристаллического кремния.Осаждение велось на ненагреваемую подложку. Толщина пленокопределена по величине ступени на профилометре Talystep.Гетероструктуры SnO2/Si синтезированы методом магнетронногораспыления при давлении кислорода 9*10-3 мм.рт.ст. на подложке измонокристаллическогокремнияр-типапроводимостискристаллографической ориентацией <100>.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
