Тонкие пленки и гетероструктуры на основе нанокристаллических оксидов металлов для газовых сенсоров (1105758), страница 3
Текст из файла (страница 3)
На рис.4 приведена ВФХ для гетероструктуры SnO2(Ni)(pyr)/Si,снятая в атмосфере азота (кривая 2). При отрицательных смещенияхвеличина емкости определяется обедненным слоем на гетерогранице.Уменьшение емкости соответствует увеличению толщины обедненногослоя и согласуется с поведением барьера Шоттки. Особенностьюявляется наличие максимума емкости при положительных смещениях.Такой характер поведения ВФХ может быть приписан вкладу ввеличину емкости дополнительной компоненты, отвечающей процессамперезарядки граничных состояний.
Наблюдается уменьшениеамплитуды максимума емкости при увеличении частоты переменногосигнала. При высокой частоте процессы перезарядки граничных12состояний не успевают происходить, если частота переменного сигналабольше 1/τ, где τ - характерное время перезарядки, и емкостьуменьшается. Для других гетероструктур характер поведения ВФХаналогичен.Рис.4 ВФХ гетероструктуры SnO2(Ni)(pyr)/Si в различных газовыхатмосферах: 1 – 1% C2H5OH + N2, 2 – N2, 3 – 0.1% NO2 + N23.3. Электрофизические свойства гетероструктур SnO2(mag)/Si,SnO2(pyr)/Si и SnO2(Me)(pyr)/Si в условиях газовой адсорбции.В данном разделе приведены результаты исследования влияниясостава газовой фазы на электрофизические свойства структур.
Всеэксперименты, приведенные в данном разделе, выполнены прикомнатной температуре.Показано, что все исследованные гетероструктуры не изменяютэлектрофизических характеристик при циклировании состава газовойфазы азот-кислород. Также показано, что гетероструктуры прикомнатной температуре нечувствительны к присутствию в газовой фазе0.1% CO и 0.1% H2.13180азотазотазот160Емкость, нФ/см214012010080604020этанол002этанол468этанол10121416Время, мин.Рис. 5. Электрический отклик гетероструктуры SnO2(Ni)(pyr)/Siпри циклировании состава газовой фазы азот - 1% этанола+азот.Адсорбция молекул NO2 и C2H5OH значительно влияет наэлектрофизическиесвойствагетероструктурSnO2(Me)(pyr)/Si.Воспроизводимое изменение емкости гетероструктур SnO2(Ni)(pyr)/Si приизменение состава газовой фазы N2 – 1% C2H5OH + N2 показано на рис.5.Присутствие молекул этанола вызывает увеличение емкости.
Величиначувствительности, расчитанная как S = CC2H5OH/CN2, составила порядка 10.Для других гетероструктур величины чувствительности были ниже(порядка 2-3). В присутствии молекул NO2 наблюдается уменьшениевеличиныемкостигетероструктур.Максимальнойвеличинойчувствительности S=СN2/CNO2 (порядка 10) обладали гетероструктурыSnO2(Ni)(pyr)/Si, для других гетероструктур чувствительность была меньше(на уровне 3).Присутствие в газовой фазе молекул NO2 или C2H5OH приводиттакже к изменению величины электропроводности структур напостоянном токе. Максимальной величиной чувствительности, как и вслучае измерений на переменном токе, обладали гетероструктурыSnO2(Ni)(pyr)/Si. В случае NO2 изменение величины тока составляло около2 порядков.Адсорбция молекул NO2 и C2H5OH влияет на вид ВАХ и ВФХ.
ВАХ14гетероструктур SnO2(Me)(pyr)/Si изменяются как в области прямых, так ив области обратных смещений. На рис.3 показана модификация ВАХгетероструктуры SnO2(pyr)/Si в газовых смесях N2+0.1% NO2 и N2+1%C2H5OH. В присутствии молекул этанола в области прямых смещенийток существенно возрастает, а в области обратных смещений - убывает.NO2 индуцирует противоположный процесс: в области прямыхсмещений ток убывает, а в области обратных - возрастает. Необходимоотметить следующие важные особенности. В условиях газовойадсорбции на обратной ветви ВАХ сохраняется четко выраженный токнасыщения.
На прямой ветви имеется область U>1В, для которойвеличина тока не зависит от состава газовой фазы. Важно отметить то,что в условиях газовой адсорбции ВАХ структур невозможно описатьсоотношением (1). Наблюдается рассогласование между прямыми иобратными ветвями.Измерения, выполненные на переменном токе, показали, чтоадсорбция молекул этанола приводит к увеличению емкости, причемэффект наблюдается в области положительных смещений.
На рис.4показана модификация ВФХ при газовой адсорбции для структурыSnO2(Ni)(pyr)/Si. Вид ВФХ в атмосфере, содержащей молекулы этанола,характеризуется выраженным пиком, причем положение максимумасмещается относительно максимума емкости для кривой в атмосфереазота. В случае NO2 наблюдается эффект уменьшения емкости, причемосновное изменение происходит в области положительных смещений.Поведение гетероструктур SnO2(mag)/Si в условиях газовойадсорбции существенно иное. В атмосфере NO2 уменьшается какобратный, так и прямой ток. Такое поведение ВАХ можно объяснить,предполагая увеличение вклада пленки SnO2 в проводимость структуры.В высокоомной пленке SnO2 отсутствует растекание тока, чтоограничивает эффективное сечение гетероконтакта площадью золотогоконтакта.
Подтверждением этого предположения является высокаячувствительность к NO2 (изменение сопротивления RNO2/RN2∼4000)пленкиSnO2,полученноймагнетроннымраспылением,надиэлектрической подложке.В то же время гетероструктуры SnO2(mag)/Si практически нечувствительны к адсорбции спирта. Чувствительность отсутствует и длясоответствующих пленок на диэлектрической подложке.3.4. Электрофизические свойства гетероструктур SnO2(pyr)/SiO2/SiЭлектрофизические свойства гетероструктур SnO2(pyr)/SiO2/Siзначительно отличались от свойств других исследованных в работеобъектов и обладали рядом интересных особенностей.
На рис. 6показаны ВФХ исследованных структур. Кривая 1 соответствует15основному состоянию структуры с низким значением емкости. Вприсутствии полярных газовых молекул, таких как Н2О, C2H5OH илиNH3 наблюдается существенное увеличение емкости на прямой ветвиВФХ (кривые 2-5), причем на обратной ветви емкость практически неизменяется.756Емкость, нФ5434232110-10-8-6-4-20246810Смещение, ВРис. 6.
Типичные ВФХ гетероструктуры SnO2(pyr)/SiO2/Si в азоте(1), после 10-минутной экспозиции в смеси азота и 1% этанола (2), 1%воды (3), 1% аммиака (4) и после 24 часовой экспозиции в смеси азота и1% воды (5).Рис. 7. Кинетика изменения емкости гетероструктуры припериодическом изменении состава газовой фазы. Стрелкой показанмомент подачи электрического импульса V = 10В (а). Изменение вовремени концентрации NH3 в азоте (b).16Кинетика изменения емкости в условиях периодическогоизменения состава газовой среды при нулевом смещении показана нарис. 7. Емкость увеличивается пропорционально времени выдержки вгазовой смеси, содержащей NH3. Важной особенностью исследованныхструктур является способность сохранять достигнутое значение емкостиC(t) в течение длительного времени после удаления активногокомпонента из газовой смеси.
Это свойство определяет "память"системы по отношению к внешнему воздействию и позволяетиспользовать рассматриваемые структуры как датчики, работающие вдозиметрическом режиме. Достигнутый в атмосфере NН3 уровеньемкости остается без изменений при выдержке на воздухе в течениеболее чем 50 часов.Возврат к основному состоянию структуры с низким значениемемкости может быть достигнут посредством подачи импульсаэлектрического поля прямой полярности напряженностью 10-15 В.Многократное циклирование не влияет на сенсорные свойстваструктуры. Возможность управления релаксационными процессамиэлектрическим полем можно считать одним из важных преимуществрассматриваемых структур.3.5.
Модель взаимодействия исследованных гетероструктур сгазовой фазой.Характер изменения ВАХ и ВФХ гетероструктур привзаимодействии с газовой фазой позволяет предположить следующуюмодель газовой чувствительности. Изменение четко выраженного токанасыщения Is свидетельствует об изменение высоты барьера Vs нагетерогранице согласно выражениюIs ~ exp( - eVs/kT)(2)Можно предположить, что при взаимодействии с газовой фазойизменяются электрофизические характеристики нанокристаллическогослоя SnO2, являющегося пористым и обладающего развитойповерхностью.
Согласно литературным данным молекулы этанола приадсорбции на поверхности SnO2 проявляют донорные свойства [3].Молекулы NO2 являются акцепторами, формируя поверхностныйуровень в запрещенной зоне, лежащий по энергии ниже акцепторногоуровня хемосорбированного кислорода [4]. Таким образом, адсорбциямолекул NO2 приводит к понижению уровня Ферми в слое SnO2 иуменьшению высоты барьера, а этанола - к повышению уровня Ферми и,соответственно, увеличению высоты барьера, что согласуется сэкспериментально наблюдаемым поведением обратного тока. В области17прямых смещений изменение тока через структуру в существеннойстепени определяется характером растекания тока по слою SnO2.Уменьшение сопротивления SnO2 при адсорбции этанола приводит кувеличению эффективной площади растекания, рост сопротивления приадсорбции диоксида азота приводит к противоположному эффекту.Кроме изменения высоты барьера на процессы газовойчувствительности оказывает влияние образование поверхностных(граничных) состояний.
Увеличение емкости при адсорбции этаноламожет быть связано с увеличением плотности электрически активныхповерхностных состояний, уменьшение емкости при адсорбции NO2 – суменьшением плотности поверхностных состояний. На вкладповерхностных состояний в величину емкости указывает зависимостьчувствительности структур к этанолу от частоты переменного сигнала.Увеличениечастотыприводиткуменьшениювеличинычувствительности, что связано с уменьшением вклада процессовперезарядки поверхностных состояний в величину емкости.ДлягетероструктурSnO2(pyr)/SiO2/Siможнопредложитьследующую модель взаимодействия с газовой фазой. Анализвольтфарадных характеристик показывает, что в целом онисоответствуют поведению ВФХ для МДП-структур.
Плато на прямойветви, таким образом, может быть соотнесено с емкостью слоядиэлектрика - SiO2. Увеличение емкости при адсорбции газовыхмолекул отвечает увеличению диэлектрической проницаемости SiO2.Необходимо отметить особую роль SiO2, выращенного аэрозоль-гельметодом и содержащего протоны H+, причем для гетероструктур стермически выращенным SiO2 эффект не наблюдался. Механизм газовойчувствительности может вовлекать процессы изменения концентрациипротонов в слое SiO2, приводящие к увеличению диэлектрическойпроницаемости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
