Идентификация нанообъектов в растворах с помощью туннельно-резонансного датчика

Современный уровень развития производства в важнейших и ответственных отраслях техники требует проведения постоянно усложняющихся измерительных экспериментов. Особое место среди них занимают методы контроля и технической диагностики, характеризующиеся высокой сложностью физического эксперимента. С учетом расширяющегося модифицирования материалов нанообъектами область этих методов контроля распространяется на технологию производства конструкций и изделий из наномодифицированных материалов. Целью настоящей работы является создание датчика, способного выявлять наличие наночастиц в растворах.

Для определения наночастиц в жидкостях использована туннельно-резонансная структура, включающая один инжекционный слой, два барьерных слоя и слой нанообъектов, растворенных в целлюлозе. Инжекционный слой представляет собой пластину из металла или полупроводника, на поверхности которого сформирован барьерный слой в виде оксида или нитрида металла. На барьерный слой нанесен раствор нанообъектов в нитроцеллюлозе, который является потенциальной ямой и вторым барьерным слоем. Вся поверхность изолирована диэлектрическим веществом, кроме ее рабочей части, взаимодействующей с раствором.

Туннельно-резонансный датчик (рисунок 1) выполнен на ситалловой подложке (3). Между слоями диэлектрика (4, 6) расположен наноструктурированный слой (5), припаян контакт (1) к контактной площадке (2). Для хорошей адгезии металла выполнен промежуточный подслой (8), датчик изолирован диэлектриком (7).

1 ­­­­­­­­­­– контакт, 2 – контактная площадка, 3 – ситалл, 4 – контактный диэлектрический слой, 5 – наноструктура, 6 – промежуточный диэлектрический слой, 7 – изоляционный диэлектрик, 8 – металлический слой

Рисунок 1. Туннельно-резонансный датчик

Слой металла с идеальной поверхностью для нанесения пленки нанообъектов получен при помощи напыления на поверхность ситалловой пластинки. Причем толщина данного слоя не влияет на параметры датчика и может находиться в пределах от 50 до 100 мкм. Использование алюминия или хрома для формирования инжекционного слоя позволяет легко создавать на поверхности барьерный слой из диэлектрика порядка 10-50 нм путем естественного окисления в кислородной среде.

Для создания следующего слоя произведен синтез нанообъектов исследуемого типа дуговым методом. Нанесение нанообъектов проведено с использованием центрифуги.

Нарезка пластин из образца позволяет получить порядка десяти датчиков, сделанных в одном технологическом цикле, что необходимо для контроля качества изготовления.

Схема включения датчика показана на рисунке 2. В кювету с исследуемым раствором помещается датчик (анод) и металлическая пластина (катод). Расстояние между катодом и анодом фиксировано во время измерений, электроды полностью погружены в жидкость.

1 – туннельно-резонансный датчик, 2 – электрод, 3 – кювета, 4 – исследуемый раствор

Рисунок 2. Схемы включения датчика

При увеличении напряженности в системе, ряды тесно скомпонованных уровней начнут заполняться носителями заряда. Так как датчик в энергетической диаграмме играет роль квантовой ямы с постоянной составляющей, рост тока будет проходить по экспоненциальному закону, то есть, чем выше напряженность в системе, тем больший ток в ней протекает.

Однако в потенциальной яме присутствуют заведомо известные энергетические уровни, их положение квантовано и стационарно. При достижении напряженности в системе, соответствующей стационарному уровню в энергетической зоне квантовой ямы, барьеры данной ямы становятся прозрачными для носителей заряда. Таким образом, при достижении уровня заряда системы, уровня энергии квантового уровня вероятность отражения носителей заряда от потенциального барьера стремиться к нулю R→0, а вероятность прохождения носителей возрастает и приближается к единице D→1(рис. 3).

Рисунок 3. Механизм резонансного прохождения носителей заряда

Поэтому при совпадении уровней энергий системы и потенциальной ямы будет наблюдаться скачок тока, отображающийся на вольтамперной характеристике резким искажением зависимости, что соответствует резонансному току, протекающему через систему. Как только энергия системы превысит заданный квантовый уровень, коэффициент прохождения уменьшится и резонансный ток стабилизируется до прежнего состояния.

В полученном датчике для создания инжекционного слоя оксида металла используется хром толщиной около 200 мкм без медного контактного слоя. Контакт с поверхностью выполнен с помощью токопроводящего клея, с предварительным разрушением оксидной пленки в месте контакта. Толщина наноструктурированной пленки составляет около 35 нм. Дубление пленки проведено в течение 10 мин при температуре 120 ^оС.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) датчика в 98% растворе чистого спирта показана на рисунке 4. Измерения проведены с шагом 0,03 В и точностью 0,1 мкА. График представляет собой практически идеальную экспоненту с незначительными пиками, находящимися в пределах погрешности.

На рисунке 5 представлена ВАХ датчика в растворе спирта, содержащего наноочастицы типа С60 и С70.

Рисунок 4. Вольт-амперная характеристика датчика в 98% растворе этанола

Рисунок 5. ВАХ датчика в 98% растворе этанола с нанообъектами

Добавление наноматериала в раствор значительно повлияло на ВАХ датчика. Можно выделить несколько ярко выраженных интенсивностей тока в области с параметрами напряжения: 1,8 В, 2,25 В и 2,6 В.

Для анализа интенсивностей проведен расчет колебательных спектров поглощения C60 и С70 в программе PC GAMESS (таблица 1).

Таблица 1. Расчетные данные резонансных максимумов

На рисунке 6 представлена ВАХ датчика в спиртовом растворе наночастиц с подписанными значениями расчетных резонансных максимумов.

Рисунок 6. ВАХ датчика с подписанными расчетными данными резонансных максимумов

Данные зависимости на рис. 5 отображают параметры датчика, в структуре которого заложены молекулы С60 и С70. Каждая из линий ВАХ отображает определенную концентрацию молекул в исследуемом растворе.

В результате исследований получена оптимальная структура датчика, который предназначен для контроля наличия нанообъектов в различных растворах. Проведенные экспериментальные исследования разработанных методов контроля показали корректность основных теоретических выводов, положенных в их основу.

Литература:

1. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г.,. Гридчин В.А. Основы наноэлектроники: Учеб. Пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000 – 332 с.

2. Мастеров В.Ф. Физические свойства фуллеренов // СОЖ №1, с.92, 1997.