ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПЛЕНОК СОСТАВА SiO2(SnOx,CuO)

Секция химии и экологии

Сенсоры используются для мониторинга таких газов как NH3, C2H5OH, H2S, NOx, O3 и др. На практике был получен сенсор на основе пленки WO3 с помощью золь-гель-технологии (отжиг осуществлялся при Т=600°С в течение 3 часов). Толщина пленки SnO2 составляет 1 мкм, средний размер зерна в них - 100 нм. Газочувствительные характеристики оценивались по отношению к диоксиду азота. Минимальная концентрация диоксида азота, определяемая сенсором, при 200°С составляет 1 ppm. Недостатком сенсоров на основе WO3 и SnO2 является их низкая селективность. Одним из путей улучшения селективности является введение легирующих добавок. Например, при легировании медью пленок SnO2, повышается их чувствительность к сероводороду.

В последнее время перспективными газочувствительными материалами для сенсоров газов считаются углеродные нанотрубки (УНТ). Так, например, на кремниевой подложке формируют слой Si3N4, затем слой поликремния, легированный фосфором, для создания изоляции, платиновые электроды, а чувствительный слой состоит из УНТ. С помощью таких сенсоров при комнатной температуре можно определять такие газы, как NO2, NH3, H2. Исследования показали, что сенсоры на основе УНТ имеют высокую чувствительность. Например, минимально определяемая концентрация для NO2 составила 500 ppb.

Таким образом, сочетая различные виды сенсоров, обладающих различной чувствительностью к определяемым газам, можно найти оптимальное их сочетание и соединить их в систему. Одной из проблем при создании информационноизмерительных систем является обработка и визуализация полученных данных, так как стандартной модели для использования того или иного метода анализа данных не существует. Нами, при исследовании сенсора на аммиак, полученные при анализе газа данные обрабатывались методом вейвлет-преобразований. По полученному графику можно отследить начало процесса воздействия газа на пленку и определить тип газа. Данные, обработанные с помощью вейвлет-преобразований, можно использовать для дальнейшего качественного и количественного анализа.

УДК 539.217.5:546.28

Н.Ф. Копылова, В.В. Петров, А.В. Тарантеева ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПЛЕНОК СОСТАВА SIO2

Для контроля газовой обстановки используют датчики и сенсоры газа, которые по принципу действия можно разделить на следующие группы: электрохимические, оптические, термокаталитические, полупроводниковые, адсорбционного типа и др. Среди них наиболее перспективными представляются полупроводниковые датчики, чувствительным (рабочим) материалом которых являются тонкие пленки различного состава.

Целью данной работы является исследование чувствительности пленок на основе диоксида олова, легированного оксидом меди по отношению к оксиду азота NO2. Исследовались пленки состава SiO2(SnOx,CuO) c различным содержанием олова и меди, полученные золь-гель-методом и отожженные при 500 и 600°С. Рентгенофазовыми исследованиями установлено, что данные пленки представляют собой аморфный диоксид кремния с включениями кристаллитов оксида олова

Известия ЮФУ. Технические науки

Специальный выпуск

Sn2O3 с размерами 14-25 нм и кристаллитов оксида меди CuO с размерами 714нм.

Исследование температурных зависимостей данных пленок показало, что сопротивление пленок уменьшается с повышением температуры, что доказывает полупроводниковый характер данных пленочных образцов. Для данных пленочных образцов была рассчитана энергия активации и ширина запрещенной зоны. Значения энергии активации лежат в диапазоне от 0,11 до 0,84 эВ, а ширина запрещенной зоны составила от 0,78 до 1,12 эВ.

Проводилось исследование образцов данных пленок на чувствительность к диоксиду азота. При действии газа сопротивление пленок понижается, время отклика при этом составляет 30-80 секунд. Последующая продувка камеры воздухом, не содержащим NO2, возвращает сопротивление к исходному значению, время восстановления при этом составляет 1-3 минуты.

Для данных образцов пленок величина газовой чувствительности, время отклика и время восстановления зависят от температуры отжига пленок и содержания основных компонентов в исходном пленкообразующем растворе.

Исследования показали, что пленки обладают лучшей чувствительностью на диоксид азота при комнатной и повышенной температуре (больше 100 °С), при этом более высокими значениями газовой чувствительности обладают пленки с большим содержанием олова в исходном растворе. Чувствительность пленок находится в диапазоне 0,2-0,45 отн.ед.

С повышением концентрации диоксида азота чувствительность пленок падает, что обусловлено насыщением поверхностного слоя газочувствительного материала. При этом максимум величины газовой чувствительности у пленок соответствует концентрации NO2, равной 0,8 ppm.

Таким образом, исследования показали, что на основе пленок состава SiO2(SnOx,CuO) возможно создание газовых датчиков, в частности датчика диоксида азота.

УДК 541.138

Е.В. Воробьев, В.В. Петров, М.Н. Илюшников, Т.Н. Назарова КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СВОЙСТВ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ SIO2*SNOX*AGO

В настоящий момент для предсказания ряда свойств твердых тел, в том числе поверхностных, широко используются квантово-химические расчеты.

Известно, что при легировании наноразмерного материала на основе смеси SiO2 и нестехиометрического оксида олова SnOx некоторыми металлами или их оксидами увеличивается его селективность по отношению к аммиаку. В зависимости от количественного соотношения Sn:Ag тонкопленочные материалы проявляют различную чувствительность и селективность по отношению к молекулам газа. На первом этапе работы была выбрана тетрагональная структура типа рутила, соответствующая основному способу кристаллизации SnO2, в которой один из атомов олова замещен атомом серебра (такой подход возможен с учетом близости их атомных радиусов и за счет дальнейшей оптимизации геометрии). Таким образом, моделировалось поведение кластера с соотношением олова к серебру как 9:1.