ОСОБЕННОСТИ МОРФОЛОГИИ И ФАЗОВОГО СОСТАВА ПЛЁНОК SnO2 ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
С.1,2, В.1, В.1, Б.1, В.1
1 Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского
2 Al-Muthanna University (Университет Аль-Мутанна), Ирак
e-mail: *****@***ru
Оксид олова является одним из наиболее широко применяемых материалов для создания сенсоров газа. Газочувствительность сенсоров на основе этого материала определяется процессами на поверхности зерен, составляющих пленку, влияющих на её электрическую проводимость. Основными из них являются изменение концентрации вакансий кислорода в объёме, за счёт обмена с поверхностью, адсорбция частиц из газовой фазы, индуцирующих донорные или акцепторные уровни, протекание химических реакций на поверхности зерен, приводящих к изменению заполнения центров адсорбции. Указанные процессы, а также токоперенос через границы зерён активационно зависят от температуры [1]. Таким образом рабочая температура сенсоров на основе SnO2, как правило, превышает 150°С, что позволяет обеспечить приемлемые значения порога обнаружения, времён отклика и восстановления. Однако поддержание высокой рабочей температуры приводит к высокой потребляемой мощности и ограничивает применение сенсоров газа.
В настоящее время исследуется возможность снижения рабочих температур для плёнок SnO2 до значений близких к комнатным [2]. Такой подход позволит существенно снизить энергопотребление сенсоров. Было установлено, что снижения рабочей температуры сенсора можно достичь путем уменьшения размеров зерён плёнки. В данной работе исследуется морфология, а также фазовый состав плёнок SnO2 чувствительных к парам этанола при 38°С.
Плёнки диоксида олова наносились методом высокочастотного реактивного магнетронного распыления в установке типа PVD 600 (Vac-Tec, Республика Корея). В качестве подложки использовались пластины кремния с ориентацией (100) в плоскости подложки.
Была определен отклик сенсора на воздействие паров этанола при температуре 38°С. Сопротивление активного слоя сенсора измерялось с помощью потенциометрической схемы.
Для характеризации морфологии использовался сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) типа Mira II LMU (Tescan, Чехия) и зондовой нанолаборатории NTGRA Spectra (NT-MDT, Россия). Для измерения состава образцов использовались приставка X-stream для СЭМ от Oxford Instruments (Англия) для энергодисперсионной спектрометрии (ЭДС) и Оже-спектрометр PHI 4300 (Perkin-Elmer, США), оснащённый аргоновой ионной пушкой с дифференциальной откачкой и квадрупольным масс-анализатором.
Измерения газочувствительности полученных образцов показали, что введение в измерительную камеру насыщенных паров этанола приводит к уменьшению сопротивления образца более чем на три порядка величины, а последующая продувка чистым воздухом – к частичному восстановлению сопротивления образца. На кривой отклика сенсора на воздействие паров этанола можно было выделить два процесса с характерным временем 8 и 40 с. При продувке чистым воздухом сопротивление возрастало линейно со скоростью 200 кОм/с в течение первых 50 мин, затем скорость снижалась до 150 кОм/с.
На рис. 1a представлено СЭМ изображение скола образца, на котором видно, что плёнка SnO2 состоит из зерён, ориентированных перпендикулярно поверхности подложки. Поперечный размер зёрен возрастает к поверхности плёнки от 6 нм вблизи подложки до 13 нм вблизи поверхности. Измерения рельефа поверхности методом атомно-силовой микроскопии показали (рис. 1b), что поверхность неоднородна, и состоит из кристаллитов, средний диаметр которых составляет порядка 15 нм, что коррелирует с данными СЭМ.
Рис. 1. СЭМ-изображение скола образца с продольными сечениями (a) и АСМ-изображение поверхности образца с продольным сечением (b)
Измерение состава методом электронной Оже-спектроскопии показало, что поверхность соответствует монооксиду олова. Измерение концентрационных профилей методом вторичной ионной масс-спектрометрии показало, что существует приповерхностный слой толщиной порядка 8 нм, в котором состав меняется от SnO до SnO2. При этом в объёме существует некоторый избыток олова (35 мол. %), что может свидетельствовать о том, что поверхность зерён в объёме плёнки также имеет состав SnO. Измерения методом ЭДС также показывают, что состав плёнок это SnO2 с незначительным избытком олова (33,9 мол. %).
Таким образом, было установлено, что плёнки оксида олова, обладающие чувствительностью к парам этанола при комнатной температуре (38°С), состоят из зёрен с нанометровым поперечным размером, ориентированных по нормали к поверхности подложки. Между зернами есть поры, что обеспечивает доступ газов из окружающей атмосферы к поверхности зёрен по всей толщине плёнки. Измерения состава показали, что состав поверхности образцов соответствует SnO, а объём – SnO2 с небольшим избытком олова. Мы предполагаем, что это характерно не только для всего образца, но и для зерён, из которых он состоит, то есть они состоят из SnO2, а на поверхности есть нанослой SnO. Кроме того, избыток олова в объёме образца может косвенно свидетельствовать, что поры являются открытыми.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-38-00633 мол_а.
Библиографический список
1. Moseley P. T. Solid state gas sensors // Measurement science and technology. 1997. V.8. P.223–237.
2. Zhang J., Liu X., Neri G., Pinna N. Nanostructured Materials for Room-Temperature Gas Sensors //Advanced Materials. 2016. V.28. P.795-831.
Сведения об авторах
Одай Салман Махди – Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского; кафедра материаловедения, технологии и управления качеством, аспирант.
Университет Аль-Мутанна, Ирак, старший преподаватель
Маляр Иван Владиславович – Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского; кафедра материаловедения, технологии и управления качеством, доцент.
Синёв Илья Владимирович – Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского; кафедра материаловедения, технологии и управления качеством, доцент.
– Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского; кафедра материаловедения, технологии и управления качеством, заведующий кафедрой.
Кисин Владимир Владимирович – Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского; кафедра материаловедения, технологии и управления качеством, профессор.
Вид доклада: устный (/ стендовый)
Основные порталы (построено редакторами)