Диссертация (1143290), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Разрабатываемая автором диссертации система должна помогать технологу в выборепараметров роста и обработки кристаллов. Для выполнения данной задачи целесообразно разработать информационную систему на основе Интернет технологий сиспользованием SQL сервера для корпоративной базы данных, что позволит получить удаленный доступ из локальной и глобальной сети, и сократить объем передаваемой информации.711.7 Современное состояние получения пленок на подложках сапфира дляприборов твердотельной электроникиПолупроводниковые оксиды металлов относятся к основными неорганическим материалам, обладающим чувствительностью к газам.
В качестве газочувствительных материалов (ГЧМ) наиболее распространены оксиды металлов: SnO2,WO3, ZnO, In2O3, Fe2O3, Cu2O и др. Для оксидов металлов ширина запрещенной зоны Eg изменяется от долей эВ до 3-7 эВ. Оксиды, имеющие ширину запрещеннойзоны Eg<4эВ, используются в качестве ГЧМ [110-112].Тип проводимости полупроводниковых оксидов металлов определяется в основном избытком или нехваткой в кристаллической решетке оксидного материалаатомов кислорода. При переизбытке атомов кислорода в кристалле появляются вакансии атомов металла, при ионизации которых образуется дырка и оксид приобретает p-тип проводимости. При нехватке атомов кислорода появляются кислородные вакансии, ионизация которых ведет к появлению свободного электрона[113].Оксидные газочувствительные материалы являются в основном полупроводниками n-типа проводимости.При взаимодействии с газом ГЧМ меняет удельную проводимость [114].
Таким образом, в большинстве случаев сенсоры газов являются хеморезисторами, насопротивление которых влияет концентрация анализируемого газа. ГЧМ формируют в виде пленок путем нанесения их известными технологическими операциями на подложку.Существуют различные методы синтеза ГЧМ, которые можно разделить на:-вакуумные методы;-химические методы;-комбинированные методы.К вакуумным технологиям относят катодное, магнетронное, электроднолучевое и реактивное высокочастотное формирование пленок ГЧМ, термическое72испарение металла в вакууме и напыление его на подложку с дальнейшим термическим окислением и так далее.Гидролиз неорганических соединений из растворов и газовой фазы, пиролизметаллоорганических соединений, пиролиз при распылении аэрозоля, химическоеосаждение из газовой фазы, золь-гель метод и ряд других относятся к химическимметодам формирования ГЧМ.
К этим же методам можно причислить методы создания ГЧМ, на основе которых химическими методами (золь-гель метод, методысоосаждения, гидротермальный метод, влияние микроволнового излучения на растворы и другие) формируют порошок в виде наноразмерных структур [115].Двух- и реже трехслойные (трехкомпонентные) пленки ГЧМ получают с помощью комбинированных методов.
Каждый слой в них может наноситься с помощью любого из перечисленных выше методов. К этим методам относятся такжеметоды, предусматривающие модификацию поверхности ранее полученного чувствительного слоя. Например, с применением вакуумной технологии получаютпленку оксида олова, и затем химическим способом модифицируют ее поверхность, выдерживая ее в химическом растворе, содержащем ионы легирующего поверхность металла [116]. Термический отжиг обычно требуется после формирования каждого слоя.На выбор метода синтеза существенное влияние оказывает химическая природа исходных веществ, материал подложки и условия использования ГЧМ.При разработке новых видов ГЧМ основной задачей является создание современных сенсоров газов, характеризующихся высокой чувствительностью и селективностью к определяемым газам, рабочей температурой и низким временемотклика датчика, временной стабильностью этих характеристик.При достижении данных целей формируются современные направления создания новых видов газочувствительных материалов.
Использование методов модификации поверхности ГЧМ, позволяющих улучшить ее свойства, в основном, засчет увеличения ее способности к адсорбции и катализу, относится к одной из таких тенденций.73Метод лазерной абляции (лазерное распыление оксидных и металлическихмишеней в атмосфере кислорода) является эффективным методом модификацииповерхности ГЧМ. Лазерное излучение позволяет получить наивысшую плотностьэнергии на распыляемой поверхности.
Метод лазерной абляции обеспечивает формирование низкоразмерных многокомпонентных гетеросистем.Свойства формируемых тонких пленок чувстительного материала могут значительно отличаться от свойств исходного вещества. При снижении параметраобъекта (размера кристаллита, толщины пленки) до величин, аналогичных расстояниям туннелирования для электронов, можно заметить аномалии в структуре иизменения фазового состояния. При увеличении доли поверхностной энергии становится возможным термодинамически и даже выгодным формирование фаз с повышенной симметрией при пониженной температуре и давлении. Методы получения металлооксидной пленки и последующей обработки позволяют формироватьразличные полиморфные модификации оксидов, а также управлять концентрациейи типом дефектов в них.
В процессах адсорбции и десорбции газов задействованыприповерхностные слои кристаллов. Следовательно, чем выше отношение поверхности кристаллов к их объему, тем выше эффективность работы газового датчика ибольше его чувствительность к анализируемым газам.К еще одному направлению для улучшения сенсорных характеристик ГЧМотносят получение нанокомпозитных чувствительных элементов на основе смесиоксидов элементов.К основным компонентам газового датчика относится чувствительный элемент, который состоит из пленки полупроводникового газочувствительного материала на подложке (как правило, диэлектрической).Результаты легирования платиной поверхности тонких пленок SnO2 методомлазерной абляции представлены в работе [117].
Пленки SnO2 получались методоммагнетронного распыления олова и затем операцией его окисления на воздухе наполикоровой подложке. Толщина пленки SnO2 составляла примерно 110-120 нм.Эксимерный Kr-F лазер (длина волны 248 нм, максимальная энергия импульса 0,274Дж и длительность импульса 20 нс) применялся для напыления Pt. Отмечено [117],что датчики обладали максимальной чувствительностью к водороду при толщинеплатины примерно 1,3 нм.Перспективным направлением является получение различных композитов наоснове сапфира. Сапфировая защита должна заменить стекло, толщина которогоуже достигла предела – 100 миллиметров.
Сапфировое защитное покрытие представляет из себя защитный сэндвич: сапфир, стекло и специальная подложка.С начала 80-х годов в производстве защитных покрытий применяются керамические материалы, превосходящие металлы по соотношению «степень защиты/вес». При этом они не имеют ограничений по сроку годности [2, 3].Керамическая пластина несколько легче металлической, но все же тяжелеетканевой. Керамические пластины производятся в эргономичных конфигурациях(двойной и тройной кривизны), а имеющиеся стальные панели имеют изгиб лишь водной плоскости, что влияет на подгонку, острые края и углы ограничивают подвижность.Помимо керамики необходимо использовать дополнительные слои. Другимисловами, использование керамики возможно только в сочетании с композитами,например, из баллистических волокон, металлов, полимеров, сапфира.Весовые характеристики дискретных керамических композиций с основой ввиде алюминиевого или стального листа на 5-10 % превышают аналогичные параметры керамических панелей сплошной компоновки.В отношении средств индивидуальной защиты (СИЗ) актуальность керамических материалов по ряду причин возрастает год от года.
Поэтому исследования вэтой области ведут практически все разработчики защитных покрытий.Опыт иностранных коллег и результаты исследований свидетельствуют [2,3]: минимальными весовыми характеристиками обладают панели сплошной (плиточной) компоновки.
Реальным путём для уменьшения весовых характеристик защитных покрытий высоких классов защиты является применение в качестве дополнительного слоя прозрачной керамики: монокристаллического лейкосапфира75(оксидалюминияAl2O3)иполикристаллическихоксинитридаалюминия(AlN)x (Al2O3)1-x (ALON) и алюмомагнезиальной шпинели (Al2O3MgO).Некоторые механические свойства прозрачной керамики представлены втаблице 1.12.Таблица 1.12 – Некоторые механические свойства прозрачной керамикиХарактеристикиALONЛейкосапфирСтеклоШпинельПлотность г/см3Модуль Юнга, ГПаСредний предел напряжений при изгибе, МПаУдарная вязкость, МПа·м1/2Твердость по Кнупу, НК3,693343802,417,73,973447423,019,62,2170484,53,592601841,714,9Данные материалы обладают твёрдостью по шкале Мооса близкой к алмазу(порядка 8-9).Одним из конкурентных решений в разработке высокоэффективных защитных покрытий является создание прозрачных поликристаллических материалов.ALON (оксинитрид алюминия) является одним из лидирующих материалов такогорода.
Его создала компания Raytheon (США), а производством в данный моментзанимается другая американская компания SurmetCorporation [2, 3].Оксинитрид алюминия, как и алюмомагнезиальная шпинель – это материалы, у которых оптические и механические свойства похожи со свойствами сапфира. В отличие от кристаллов сапфира с ромбоэдрической структурой, они обладаютизотропной кубической кристаллической решёткой, что дает им прозрачность вполикристаллической форме. Следует отметить, что данные материалы можно получать при помощи обычной порошковой технологии в формах с профилем, близким к заданному.
Если сравнивать с сапфиром, то изделия из данных материаловмогут быть более сложной формы и больше по размеру. В случае сравнения данных материалов друг с другом следует выделить, что ALON прочнее, твёрже и более технологичен, чем шпинель [2, 3].76При получении изделий из ALON прозрачная керамика формируется из исходного порошка с помощью таких технологий, как литье под давлением, шликерное литье, изостатическое прессование, с последующей термообработкой. Изотропные оптические характеристики ALON обеспечиваются его кубической структурой, следовательно, для шлифования и полирования данного материала необходимо значительно меньше усилий и затрат, чем аналогичная обработка сапфира.Фирма Surmet изготавливает окна из ALON размерами до 46×89 см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
