ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВОДОРОДА НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕИ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК SnO2 С ДОБАВКАМИ Au И Со В РЕЖИМАХ ПОСТОЯННОГО И ИМПУЛЬСНОГО НАГРЕВА
Реферат
ВВЕДЕНИЕ 5
1. Принцип работы газовых сенсоров на основе тонких поликристаллических пленок диоксида олова 6
1.1 Механизмы отклика и изменения проводимости при воздействии водорода 6
1.2 Роль добавок, нанесенных на поверхность и введенных в объем диоксида олова 9
1.3 Параметры сенсоров водорода в импульсном режиме 13
1.3.1 Профиль проводимость - время сенсоров водорода. Определение вфз 13
1.4 Выводы по литературному обзору и постановка задачи 16
2 Экспериментальная часть 18
2.1 Технология изготовления полупроводникового газового сенсора 18
2.2 Методика проведения эксперимента 19
2.3 Результаты эксперимента и их обсуждение 20
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 30
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 31
В современном мире основной проблемой энергетики является ограниченный запас ресурсов, в связи, с чем ученые вынуждены искать альтернативные источники энергии. Одним из таких источников является водород. Водород это легкий бесцветный газ. В смеси с кислородом он горюч и взрывоопасен. Следовательно, во избежание опасных ситуаций для обнаружения газа требуются приборы, которые могли бы определять утечку газа даже при малых его концентрациях. При этом приборы должны обладать рядом преимуществ: относительно низкой стоимостью изготовления, миниатюрностью, низким энергопотреблением. Таким прибором может являться полупроводниковый газовый сенсор резистивного типа на основе тонких поликристаллических пленок диоксида олова. После адсорбции восстановительных газов на поверхности нагретого SnO2, они подвергаются окислению за счет хемосорбированного кислорода, тем самым изменяя концентрацию кислорода на поверхности и сопротивление SnO2. Данные устройства могут работать в двух режимах, режим постоянного и импульсного нагрева. Импульсный режим обладает рядом преимуществ, такими как большими значениями отклика на восстановительные газы, высокими чувствительностью и быстродействием, стабилизацией параметров. Различные каталитические добавки (металлы платиновой группы, золото и переходные металлы) в объеме и на поверхности SnO2 могут быть использованы, чтобы увеличить изменения электрического сопротивления полупроводникового материала в присутствии газа, тем самым приводя к увеличению отклика датчика [1].
В СФТИ выполнен цикл исследований, направленный на создание сенсоров водорода на основе тонких нанокристаллических пленок SnO2 [2-8]. Показано, что максимальные значения отклика на низкие концентрации Н2 наблюдаются в случае пленок диоксида олова с нанесенными на поверхность дисперсными каталитическими слоями палладия и платины. Однако в процессе длительных испытаний при воздействии водорода происходит рост отклика. С целью стабилизации параметров изучены пленки SnO2, модифицированные золотом, отличающиеся более низкими значениями отклика, которые также увеличиваются со временем эксплуатации. В литературе [9-13] опубликованы данные, согласно которым для управления свойствами сенсоров, изготовленных с использованием толстопленочной технологии, целесообразно применять добавки 3d - переходных металлов, таких как Cu, Ni, Co и др.
Целью настоящей работы является исследование влияния добавки кобальта в объем модифицированных золотом пленок SnO2, на характеристики и стабильность параметров сенсоров водорода в режимах постоянного и импульсного нагрева.
Выполнены исследования влияния добавки кобальта в объем пленок диоксида олова, модифицированных золотом, на электрические и газочувствительные характеристики сенсоров водорода в режиме постоянного нагрева и при термоциклировании. На основе полученных результатов могут быть сформулированы следующие выводы:
1. Микроструктура пленок диоксида олова из разных серий различается незначительно. Все пленки содержат мелкие нанокристаллиты размерами di~8 — 15 нм (серия (2)), 35 - 50 нм (серии (1) и (3)). Эти кристаллиты частично объединены в агломераты с размерами d2 от 100 до 300 нм. Следовательно, введение добавок кобальта не оказывает существенного влияния на микроструктуру пленок.
2. Электрические и газочувствительные характеристики сенсоров из трех партий различаются. Введение добавки кобальта способствует увеличению сопротивления сенсоров, изгиба зон на межзеренных границах и отклика на воздействие водорода, причем Ro , e^s и Gi/Go тем выше, чем выше содержание Со. Эти закономерности свидетельствуют о росте плотности центров адсорбции кислорода на поверхности оксида олова.
3. Показано, что в процессе длительных испытаний при воздействии водорода наблюдается увеличение Go , e^s и Gi/Go, главным образом обусловленные ростом и последующей стабилизацией величины etys, причем наиболее заметные изменения характерны для пленок, модифицированных только золотом. Атомарный водород, выделяющийся при диссоциативной адсорбции Н2, способен взаимодействовать с решеточным кислородом и частично восстанавливать выходящие на поверхность молекулы диоксида олова. Происходит рост плотности атомов сверхстехиометрического олова, являющихся центрами адсорбции кислорода.
4. Для образцов с добавками кобальта имеет место частичная стабилизация параметров. Высказано предположение, что при кристаллизации напыленных пленок в процессе термического отжига атомы Со в объеме SnO2 частично сегрегируют на поверхности микрокристаллов и образуют связи с решеточным кислородом, формируются атомы сверхстехиометрического олова, плотность Ni растет. Если связи с кислородом Co более прочные, чем Sn, то при длительных испытаниях атомарный водород окисляется не решеточным, а преимущественно хемосорбированным кислородом, стабильность характеристик сенсоров увеличивается.
