Спектроскопия импеданса пористых слоев в присутствии водяных паров

Настоящая статья является частью научно-исследовательской работы, выполненной по плану обучения в магистратуре СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в рамках междисциплинарного курсового проекта. Основными учебными пособиями по задействованным дисциплинам были [1–7].

Тема исследований охватывает вопросы получения пористого кремния, допирования его разными примесями и наночастицами, развития методик диагностики и анализа свойств. Предполагается, что результаты проделанной работы войдут магистерскую диссертацию, которая будет защищаться попрограмме «Техническая физика» в Финляндии (Лаппеенрантский технологический университет) и по программе «Нанотехнология и диагностика» в РФ (СПбГЭТУ «ЛЭТИ»). Руководителем с финской стороны является профессор Лахдеранта Э., куратором с российской стороны — доцент Спивак Ю. М.

В ЛЭТИ технологией получения пористого кремния электрохимическими методами занимаются более 20 лет в группе профессораМошникова В. А. В монографиях и обзорах последних лет, как правило, отмечаются пионерские работы группы по исследованию системы пор с наноразмерами, например, в обзорной главе [8], написанной Кенхемом (первооткрывателем эффекта фотолюминесценции в пористом кремнии), выделяются предложенные в ЛЭТИ методики на основе метода ядерного магнитного резонанса [9–10].Обзор работ, включая результаты, полученные в СПбГЭТУ «ЛЭТИ», приведен в [11].

Из работ последних лет в обобщенных международных обзорах, например в [12–14], отмечаются результаты работы по формированию в пористом кремнии наночастиц металлооксидов и применению таких структур в сенсорике.

Тема научно-исследовательской работы студента и междисциплинарного курсового проекта была выбрана с учетом актуальности, научной и практической значимости вопросов формирования нанокомпозитных материалов на основе пористого кремния.

Этими вопросами широко занимаются как у нас в стране, так и за рубежом. Из-за ограниченного объема публикации не будем перечислять многочисленные исследовательские группы. Отметим только 2 команды, с которыми установились наиболее тесные творческие связи — Воронежский государственный университет (проф. Домашевская Э. П., доц. Кашкаров В. М. докторант Леньшин А.С) [15] и Ярославский государственный университет (проф. Зимин С. П.) [16–17].

Основные результаты, полученные при совместных исследованиях к началу работы над магистерской диссертацией, содержатся в статьях и в патентах [18–28].

Одновременно с этими исследованиями в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» проводятся разработки по развитию технологии получения пористого кремния для изготовления таблеток и применения в биологии и в медицине [29–30].

В данной работе исследовалось три образца пористого кремния с разными типами проводимости. Электрохимическое анодирование проводили в водно-спиртовом растворе HF [19]. Технологические условия получения образцов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Технологические условия получения образцов

Образцы исследовались методом спектроскопии импеданса на приборе Е7–20 при температуре 400 ^оС в присутствии водяных паров. По проведенным экспериментам были выявлены следующие результаты.

У образца № 1 наблюдается резкий рост сопротивления в присутствии газа-реагента. При запуске газа-восстановителя (воздуха) сопротивление образца незначительно уменьшается. Данный результат приведен на рисунке 1.

Рис. 1. Диаграммы Найквиста для образца № 1: 1 — в атмосфере воздуха; 2 — в атмосфере газа реагента (водяной пар); 3 — в атмосфере воздуха.

Сопротивление образца № 2, как и у образца № 1, повышается в присутствии газа реагента, но не столь значительно. Восстановление также не происходит, т. е. возвращения сопротивления образца на воздухе не принимает первоначального значения, а, наоборот, увеличивается. Картину данной реакции материала на газ можно увидеть на рисунке 2.

Рис. 2. Диаграммы Найквиста для образца № 4: 1 — в атмосфере воздуха; 2 — в атмосфере газа реагента (водяной пар); 3 — в атмосфере воздуха.

Сопротивление образца № 3, в отличие от двух рассмотренных выше образцов, при запуске в камеру газа-реагента не увеличивается, а уменьшается. Это может быть связано с другим типом проводимости данного образца. Восстановления при подаче воздуха также не наблюдается. Это показано на рисунке 3.

Рис. 3. Диаграммы Найквиста для образца № 6: 1 — в атмосфере воздуха; 2 — в атмосфере газа реагента (водяной пар); 3 — в атмосфере воздуха.

Литература:

1.                  Чеснокова Д. Б., Луцкая О. Ф., Камчатка М. И. и др. Физическая химия материалов электронной техники//Методические указания к лабораторным работам по дисциплинам «Физическая химия материалов электронной техники» и «Физико-химические основы технологии материалов и изделий электронной техники» / Санкт-Петербург, СПбГЭТУ, 1999.

2.                  Максимов А. И., Чеснокова Д. Б., Луцкая О. Ф., Александрова О. А. Фазовые диаграммы состояния полупроводниковых систем// Учебное пособие Санкт-Петербург, СПбГЭТУ, 2009.

3.                  Мошников В. А., Спивак Ю. М. Атомно-силовая микроскопия для нанотехнологии и диагностики // Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов РФ по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки 210100 «Электроника и микроэлектроника» и 210600 «Нанотехнология» / Федеральное агентство по образованию, Санкт-Петербургский гос. электротехнический ун-т «ЛЭТИ». Санкт-Петербург, 2009

4.                  Жабрев В. А., Мошников В. А., Таиров Ю. М., Федотов А. А. и др. Золь-гель технология //учебное пособие / Министерство образования РФ, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ». Санкт-Петербург, 2004.

5.                  Давыдов С. Ю., Мошников В. А., Томаев В. В. Адсорбционные явления в поликристаллических полупроводниковых сенсорах // учебное пособие / Санкт-Петербург, СПбГЭТУ, 1998.

6.                  Александрова О. А., Максимов А. И., Мошников В. А., Чеснокова Д. Б. Халькогениды и оксиды элементов IV группы. Получение, исследование, применение.Санкт-Петербург, СПбГЭТУ, 2008

7.                  Александрова О. А., Мошников В. А. Физика и химия материалов оптоэлектроники и наноэлектроники. // учебное пособие Санкт-Петербург, СПбГЭТУ, 2007.

8.                  L Canham — Microporous Silicon // Handbook of Porous Silicon– Springer2014, pp 1–7/ DOI 10.1007/978–3-319–04508–5_12–1.

9.                  Мамыкин А. И., Ильин А. Ю., Мошников В. А. и др. Исследование структуры поверхности пористого кремния методом ядерного магнитного резонанса.//Физика и техника полупроводников. 1995. Т. 29. № 10. С. 1874–1877.

10.              Мамыкин А. И., Мошников В. А., Ильин А. Ю. Магнитно-резонанская спектроскопия пористых квантово-размерных структур. //Физика и техника полупроводников. 1998. Т. 32. № 3. С. 356–358.

11.              Мошников В. А., Спивак Ю. М. «Электрохимические методы получения пористых материалов для топливных элементов»//Глава в монографии: Основы водородной энергетики/Под ред. В. А. Мошникова и Е. И. Терукова. 2-е изд. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. 288с.

12.              Barillaro G. Porous Silicon Gas Sensing // Handbook of Porous SiliconSpringe 2014, pp 845–856 DOI 10.1007/978–3-319–05744–6_86

13.              Baker C, Gole JL Interface Modifications of Porous Silicon for Chemical Sensor Applications. //JSM NanotechnolNanomed 2014, 2(1): 1021.

14.              Moshnikov V. A., Gracheva I. Е., Lenshin A. S., Spivak Y. M. etc. Porous silicon with embedded metal oxides for gas sensing applications.//Journal of Non-Crystalline Solids. 2012. Т. 358. № 3. С. 590–595. doi:10.1016/j.jnoncrysol.2011.10.017

15.              Леньшин А. С. Особенности формирования пористого кремния и его нанокомпозитов. Монография. Изд-во Lambert, 2013

16.              Зимин С. П., Горлачев Е. С.;Наноструктурированные халькогениды свинца. М-во образования и науки Российской Федерации, Ярославский гос. ун-т им. П. Г. Демидова. Ярославль, 2011.

17.              Зимин С. П. Пористый кремний — материал с новыми свойствами.//Соросовский образовательный журнал. 2004. Т. 8. № 1. С. 101

18.              Канагеева Ю. М., Савенко А. Ю., Лучинин В. В., Мошников В. А. и др. Изучение структурно-морфологических особенностей макропористого кремния при препарировании образцов остросфокусированным ионным пучком. Петербургский журнал электроники. 2007. № 1. С. 30–34

19.              Спивак Ю. М. Наноструктурированные материалы. Особенности получения и диагностики. // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2013. Т. 6. С. 54–64.

20.              Спивак Ю. М., Муратова Е. Н., Петенко О. С., Травкин П. Г. Определение параметров пористой структуры в por-Siи por-Al₂O₃путем компьютерной обработки данных растровой и атомно-силовой микроскопии. Молодой ученый. 2012. № 5. С. 1–4.

21.              Леньшин А. С., Кашкаров В. М., Середин П. В., Спивак Ю. М. и др. Исследование электронного строения и химического состава пористого кремния, полученного на подложках n- и р-типа, методами XANES и ИК спектроскопии//Физика и техника полупроводников. 2011. Т. 45. № 9. С. 1229–1234.

22.              Травкин П. Г., Соколова Е. Н., Спивак Ю. М., Мошников В. А. Электрохимическая ячейка для получения пористых анодных оксидов металлов и полупроводников.//патент на полезную модель RUS 122385 01.06.2012

23.              Травкин П. Г., Воронцова Н. В., Высоцкий С. А., Леньшин А. С., Спивак Ю. М., Мошников В. А. Исследование закономерностей формирования структуры пористого кремния при многостадийных режимах электрохимического травления. Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2011. № 4. С. 3–9.

24.              Gracheva I. E., Moshnikov V. A., Maraeva E. V., etc. Nanostructured materials obtained under conditions of hierarchical self-assembly and modified by derivative forms of fullerenes // Journal of Non-Crystalline Solids. 2012. Т. 358. № 2. С. 433–439. DOI:10.1016/j.jnoncrysol.2011.10.020

25.              Леньшин А. С., Кашкаров В. М., Спивак Ю. М., Мошников В. А. Исследование электронного строения и фазового состава пористого кремния. //Физика и химия стекла. 2012. Т. 38. № 3. С. 383–392.

26.              Lenshin A. S., Kashkarov V. M., Spivak Yu.M., Moshnikov V. A. Investigations of nanoreactors on the basis of p-type porous silicon: electron structure and phase composition.//Materials Chemistry and Physics. 2012. Т. 135. № 2–3. С. 293–297. DOI 10/1016/j.matchemphys.2012.03.095

27.              Афанасьев А. В., Ильин В. А., Мошников В. А. и др. Синтез нано- и микропористых структур электрохимическими методами. //Биотехносфера. 2011. № 1–2 (13–14). С. 39–45.

28.              Kononova I. E., Moshnikov V. A., Olchowik G., Len’shin A. S., Gareev K. G., Soboleva E. A., Kuznetsov V. V., Olchowik J. M. The preparation and properties of ‘‘porous silicon–nickel ferrite’’nanoheterocomposites for gas detectors // Journal Sol-Gel Science Technology. 2014. DOI 10.1007/s10971–014–3353–1.

29.              Спивак Ю. М., Нигмадзянова Н. Р. Получение пористого кремния для применения в адресной доставке лекарств.//Молодой ученый. 2014. № 10 (69). С. 208–212.

30.              Белорус А. О. Применение пористого кремния в биомедицине. //Молодой ученый. 2013. № 8. С. 69–74.