Газочувствительность пленок графена на полуизолирующем SiC к NO2 и парам C2H5OH

Газочувствительность пленок графена на полуизолирующем SiC к NO2 и парам C2H5OH

А.М. Светличный, М.Н. Григорьев, Л.А. Светличная, М.В. Демьяненко, И.Л. Житяев

Определение малых концентрации различных газов является важной задачей как для экологии, так и для промышленности. В настоящее время широко распространенными являются датчики на основе полупроводниковых оксидов металлов [1-4]. Однако, несмотря на ряд достоинств, низкая стоимость изготовления, простота конструкции, указанные сенсоры имеют относительно низкую чувствительность, селективность, потребляют значительную энергию, необходимую для подогрева сенсора [5-6]. Чувствительность таких датчиков ограничена флуктуациями, обусловленными тепловым движением зарядов и дефектов, в результате чего присутствует высокий уровень шума. Поэтому актуальным является поиск новых материалов, расширяющих возможности газочувствительных сенсоров. Одним из возможных решений данной проблемы является использование графена в качестве газочувствительного слоя датчика. На данный момент существует несколько методов получения пленок графена: механическое отслаивание, химическое отслаивание, химическое отслаивание и восстановление оксида графена, химическое осаждение из газовой фазы, термическое разложение карбида кремния в вакууме. Последний метод считается одним из перспективных для промышленного производства, поскольку пленки графена могут быть получены на всей поверхности подложки. Важным является также то, что пленка графена в этом случае является продолжением структуры подложки, за счет чего достигается высокая адгезия к карбиду кремния.

Принцип работы графенового сенсора, как и традиционных газовых сенсоров резистивного типа, основан на изменении электрической проводимости при адсорбции молекул газа. Отличительной особенностью

графена является существенно низкий уровень шума, что позволяет регистрировать газы с низкими концентрациями. Наличие развитой поверхности по отношению к объему за счет моноатомного слоя графена делает его перспективным материалом в качестве чувствительного элемента датчиков. Известно небольшое количество работ по исследованию газочувствительности графена к некоторым газам. Показано, что параметры газочувствительного слоя, существенно зависят от условий его получения и качества пленок [7,8].

В работе исследуются образцы графена на карбиде кремния полученные методом термического разложения карбида кремния в вакууме. В процессе исследований был определен оптимальный режим получения пленок, который заключался в 2х часовом отжиге в вакууме при температуре 900°С и 20 мин отжиг при 1300 °С при давлении 10 Па [9].

Необходимый топологический рисунок графена на полуизолирующем карбиде кремния был получен виде змейки с помощью нанесения до отжига защитной пленки оксида алюминия, под которой, в процессе отжига, графен не образуется. Контакты к полученным пленкам были получены напылением Сг-Си-Сг в едином вакуумном цикле.

В работе исследовалась чувствительность пленок графена к газу N02 и парам С2Н50Н в зависимости от температуры. Эксперименты проводились на стенде для измерения газочувствительности, состоящим из кварцевого цилиндра закрытого заглушками по бокам, с отверстиями для введения и удаления газа и выводами контактов нагревателя, термопары и самого сенсора. Величина сопротивления и ЭДС - термопары контролировалась с помощью мультиметра АКИП 137 - 78/1.

Чувствительность сенсора определялась с помощью уравнения (1), где Я0 - начальное значение сопротивления, R - текущее значение сопротивления.

После каждой серии напуска газа, сенсоры нагревались для десорбции газов, с поверхности графена, затем охлаждались до 25°С, чтобы убедиться, что

начальный уровень сопротивления получен.

На рис.1 показаны результаты чувствительности к N02. Самая большая величина чувствительности сенсора была установлена для N0^ что объясняется его высокой химической активностью. Время отклика для N0 составило 60 сек., время восстановления 130 сек.

20-

£ 10' ся

N02

Воздух

Воздух

N02

200 1

400

Рис. 1. Чувствительность к N02 при концентрации 50 ррт. На рис.2 показаны результаты чувствительности к парам С2Н50Н. Исследования при концентрации 100 ррт. Время отклика и время восстановления оказалось одинаковым и равным 100 сек, а чувствительность составила 4,5%.

£ 2 ся

1

Воздух и/ \ Воздух

газ

газ

200 400 600

1

Б

0

0

5

4

3

0

0

Рис. 2. Чувствительность к парам С2Н50Н при концентрации 100 ррт.

Для десорбции молекул газа необходимо осуществлять нагрев пленок графена. Температура нагрева прямо пропорциональна энергии связи молекул газа с пленкой [10].

На рис.3 показаны результаты исследований зависимости процесса десорбции от температуры. Экспериментально установлено что для N02 десорбция начинает происходить при температуре 60°С, с ростом температуры уменьшается время восстановления, которое достигает своего минимума при температуре 110°С и при дальнейшем росте температуры не изменяется. Для паров С2Н50Н десорбция начинается при температуре 40°С, время восстановления достигает минимума при 90 °С и не изменяется при дальнейшем увеличении температуры.

1000 900 300 700 600

f .о.

- Л00

300 200 100 о

2

* • * 4

30 « 50 60 70 ВО 90 100 110 120 130 140 150 Т

Рис. 3. Время восстановления при разных температурах; 1 - для паров C2H5OH,

2 - для NO2.

Выполненные исследования позволили установить оптимальные температуры десорбции для NO2 и паров C2H5OH, которые равны 110°С и 90°С соответственно. Определен режим получения пленок графена на карбиде кремния с наилучшими газочувствительными характеристиками. Полученные значения времен отклика и восстановления для исследованных газов позволяют сделать вывод, что графен является одним из перспективных материалов для газочувствительных сенсоров. Результаты данных исследований можно использовать при разработке графеновых газочувствительных сенсоров.

1

Литература:

1. Кравченко Е.И. Петров В.В. Стегленко Д.В. Бычкова А.С. Исследование свойств газочувствительных материалов состава SiO2SnOxCuOy, используемых в сенсорах газов мультисенсорной системы мониторинга атмосферного воздуха [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012. - №4. - Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1345 (доступ свободный) -Загл. c экрана. - Яз. рус.

2. Бутурулин А.И. и др. Газочувствительные датчики на основе металлооксидных полупроводников [Текст] // Зарубежная электронная техника, 1989. - №10. - C.3-38.

3. Моисеева Т. А. , Мясоедова Т.Н., Петров В.В. , Кошелева Н.Н. Разработка газочувствительного элемента на основе пленок оксидов меди для датчика аммиака [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012. - №4. - Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1347 (доступ свободный) -Загл. c экрана. - Яз. рус.

4. Арутюнян В.М. Микроэлектронные технологии - магистральный путь для создания химических твердотельных сенсоров [Текст] // Микроэлектроника, 1991. - №4. - С.337-355.

5. Евдокимов А.В. и др. Микроэлектронные датчики химического состава газов [Текст] // Зарубежная электронная техника, 1988. - №2. - С.3-39.

6. Фрайден, Дж. Современные датчики. Справочник [Текст] / Дж. Фрайден. - М.: Техносфера, 2006. - 588 с.

7. Pearce R., et al., Epitaxially grown graphene based gas sensors for ultra sensitive NO2 detection [Text] // Sens. Actuators B: Chem., 2011. - №5. -P.768-771.

8. Ko G. et al. Graphene - based nitrogen dioxide gas sensors [Text] // Current Applied Physics, 2010. - №10. - P. 1002-1004.

9. Лебедев и др. Формирование наноуглеродных пленок на поверхности БЮ методом сублимации в вакууме [Текст] // Физика твердого тела, 2009. -№4. - С.452 -454.

10.Волькенштейн Ф.Ф. Электроны и кристаллы [Текст] / Ф.Ф. Волькенштейн. - М.: Наука, 1983. - 128 с.