Реферат 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Теоретические основы работы газовых сенсоров на основе тонких пленок
SnO2 (обзор литературы) 7
1.1 Поверхностные явления, лежащие в основе функционирования сенсоров водорода на основе тонких пленок SnO2 7
1.2 Механизмы проводимости в поликристаллических пленках SnO2 в
атмосфере чистого воздуха 9
1.3 Влияние адсорбции водорода на проводимость газовых сенсоров на
основе тонких поликристаллических пленок диоксида олова 12
1.4 Влияние мелкодисперсных слоев Pt/Pd, нанесенных на поверхность
SnO2, на сенсорные свойства 15
1.5 Роль добавок Sb и Pt в объеме пленок SnO2 17
1.6 Заключение по литературному обзору и постановка задачи 18
2 Методика эксперимента 20
2.1 Технология изготовления газовых сенсоров на основе тонких пленок диоксида олова 20
2.2 Методика измерений характеристик сенсоров 21
3. Характеристики сенсоров Н2 на основе тонких пленок Pt/Pd/SnO2:Sb, Pt.. 24
3.1 Микроструктура поверхности тонких пленок 24
3.2 Концентрационная зависимость отклика сенсоров Н2 на основе тонких
пленок Pt/Pd/SnO2:Sb, Pt 24
3.3 Влияние термообработки сенсоров Н2 на основе тонких пленок Pt/Pd/SnO2:Sb, Pt 26
3.4 Влияние влажности на характеристики сенсоров Н2 на основе тонких пленок Pt/Pd/SnO2:Sb, Pt 30
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 32
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 34
Актуальность работы. Проблема определения довзрывоопасных концентраций (выше десятой доли объемного процента) токсичных и взрывоопасных газов может быть решена при помощи тонкопленочных (толщина 100 нм) металлооксидных полупроводниковых газовых сенсоров. Принцип работы газового сенсора основан на явлении обратимой адсорбции и хемосорбции газов на поверхности полупроводника.
Для детектирования восстановительных газов (Н2, СО, СН4, 42S и т.д.) в качестве материала для сенсоров используется диоксид олова. Применяются данные сенсоры в развитии водородной энергетики и в ряде других прикладных направлений (контроль концентрации Н2 в помещениях АЭС, контроль утечек Н2 в аккумуляторных батареях подводных лодок и вагонов поездов). Сенсоры отличаются своим быстродействием (до нескольких секунд), миниатюрностью, высокой чувствительностью, малым потреблением энергии и дешевизной производства.
В СФТИ ТГУ выполнены детальные исследования сенсоров на основе тонких пленок SnO2, предназначенных для детектирования низких концентраций водорода в воздухе. Показано, что в области довзрывоопасных концентраций (0,1-2,0 об. %) этого газа наблюдается насыщение концентрационной зависимости отклика, что не позволяет использовать сенсоры в этом диапазоне.
Целью бакалаврской работы является исследование возможности использования пленок Pt/Pd/SnO2:Sb, Pt для создания сенсоров довзрывоопасных концентраций (0,1-2,0 об.%) водорода.
В работе в качестве объекта исследования выбраны полупроводниковые газовые сенсоры на основе тонких пленок диоксида олова с нанесёнными на поверхность мелкодисперсными слоями Pt и Pd с добавкой платины в объеме (Pt/Pd/SnO2:Sb, Pt). Пленки SnO2 получены методом магнетронного распыления при постоянном токе мишени из сплава Sn и Sb в кислородно-аргонной плазме. Особенности характеристик этих пленок обусловлены введением в объем добавки платины, которая способствует значительному увеличению плотности хемосорбированного кислорода на поверхности диоксида олова, резкому росту ширины области объемного заряда и полному перекрытию каналов проводимости. Такие структуры ранее были использованы в СФТИ для детектирования довзрывоопасных концентраций метана, при этом обладали низкой чувствительностью к малым концентрациям водорода.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать электрофизические и газочувствительные
характеристики в зависимости от рабочей температуры и концентрации Н2 в диапазоне 0,1-2,0 об. % в режиме постоянного нагрева.
2. Изучить стабильность параметров сенсоров в течение длительных испытаний.
На основе выполненных в работе исследований особенностей характеристик двух партий тонких пленок диоксида олова с введенной в объем добавкой платины и нанесенными на поверхность катализаторами Pt/Pd при воздействии высоких довзрывоопасных концентраций Н2 (0,1- 2,0 об. %) можно сделать следующие выводы:
1. Методом АСМ было показано, что изученные пленки имеют толщину 100-110 нм и содержат мелкие кристаллиты с размерами 20-30 нм, частично собранные в более крупные агломераты с размерами 110-140 нм.
2. Показано, что при небольшом различии характеристик сенсоров из разных партий основной их особенностью является отсутствие насыщения концентрационной зависимости: с увеличением n отклик растет вплоть до 2 об. % водорода. Это означает, что введение добавки Pt в объем тонких пленок SnO2 обеспечивает возможность использования этих сенсоров для детектирования довзрывоопасных концентраций Н2.
3. Для стабилизации параметров сенсоров было выполнено изучение влияние термического отжига при Т= 600 oC длительностью 15 минут на характеристики образцов.
4. Установлено, что для сенсоров из партии № 227 первые пять
отжигов способствуют росту отклика на водород. Затем параметры пленок стабилизируются. Для сенсоров из партии № 230 шести циклов
термообработки недостаточно для стабилизации параметров пленок.
5. Исследования концентрационных зависимостей изученных сенсоров высоких концентраций водорода на основе тонких пленок Pt/Pd/SnO2:Sb, Pt, прошедших термические отжиги, в зависимости от уровня влажности
показали, что характеристики незначительно меняются с изменением влажности.
6. Полученные результаты можно объяснить тем, что введение добавки Pt в объем диоксида олова, легированного примесью сурьмы, способствует увеличению плотности хемосорбированного кислорода и ширины ОПЗ. Происходит перекрытие канала проводимости, поэтому для этих структур характерно отсутствие насыщения концентрационной зависимости G1/G0 в области высоких концентраций H2.
7. Таким образом, исследованные сенсоры могут быть использованы для детектирования довзрывоопасных концентраций водорода, при этом значения отклика стабильны при изменении уровня влажности от 5 до 64 об. %.
