Библиографическое описание:

Аньчков М. Г. Анализ газочувствительности полупроводниковых наноматериалов в постоянном и переменном электрических полях // Молодой ученый. — 2012. — №11. — С. 16-20.

Введение

В современной сенсорике в качестве газочувствительных слоев широко используются слои металлоксидов, обладающие электронным типом проводимости (SnO2, In2O3, ZnO, Fe2O3, CuO, TiO2 и др.) [1, 3]. Принцип действия полупроводниковых газовых сенсоров на основе металлооксидных слоев заключается в обратимом изменении электрофизических свойств при адсорбции заряженных форм кислорода и десорбции продуктов их реакций с молекулами восстанавливающих газов при рабочих температурах.

Перспективными направлениями развития сенсорики на металлооксидах являются попытки создать датчики с высокой газочувствительностью к селективно детектируемому газу. Например, в датчике к сероводороду чувствительный элемент выполнен на медьсодержащих слоях диоксида олова [4, 5]. Также известны датчики, в которых анализ газа происходит по изменению аналитического отклика при импульсном тепловом воздействии [6]. В последние годы интенсивно развивается концепция мультисенсоров, обеспечивающая создание нейронных сетей типа «электронный нос» [7, 9].

Больший интерес представляет развитие технологических методик получения иерархических трехмерных сетчатых структур [10, 11] с ветвями сетей, пронизанными наноразмерными порами. При этом открываются перспективы использования в аналитическом отклике газочувствительного датчика, как сигнала изменения резистивной составляющей, так и сигнала, обусловленного емкостными свойствами детектируемого газа. Таким образом, трехмерная перколяционная сетчатая структура нанокомпозитов (рис. 1) на основе металлооксидов обеспечивает принципиальную возможность повышения селективности за счет различной способности поляризации восстанавливающих газов-реагентов. Заметный вклад в емкостной сигнал может вносить газ, заполняющий макропористое пространство между ветвями структуры чувствительного элемента (некоторое подобие системы воздушных конденсаторов). Тогда информативность аналитического отклика на переменном электрическом токе возрастает [12].

Рис. 1. Атомно-силовые изображения трехмерных перколяционных сетчатах структур нанокомпозитов на основе диксида олова, полученных золь-гель методом (размер сканированного изображения 2 ×2 мкм2)

Ранее в [13] была описана автоматизированная установка для измерения газочувствительности сенсоров на основе полупроводниковых нанокомпозитов в постоянном электрическом поле.

Целью настоящей работы являлось усовершенствование установки измерения на постоянном и переменном токе методом спектроскопии импеданса, изучение особенностей изменения частотных зависимостей импеданса при воздействии восстанавливающих газов (пары этанола, ацетона) и без воздействия.

Описание установки

Комбинированная установка состоит из контрольно-измерительной системы на базе персонального компьютера и стенда для лабораторных испытаний полупроводниковых слоев (рис. 2), который построен по принципу динамического разбавления газовых потоков. Измерение исследуемых характеристик снимается с помощью трех приборов: измеритель иммитанса Е7-20 (диапазон рабочих частот 25 Гц – 1 МГц); импедансметр Z-500P (диапазон рабочих частот 1 Гц – 500 кГц), Automatic (для проведения исследований в постоянном электрическом поле, сконструирован и собран на кафедре).

Все измерения проводятся с помощью специального разработанного программного обеспечения позволяющего задать исследуемые точки посредством выбора частотного диапазона, задания уровня измерительного сигнала и величины напряжения смещения. Полученные данные от прибора можно наглядно увидеть как в табличном виде, так и виде графиков. В табличном виде отображения данных можно редактировать точки, тем самым, исключая точки выброса данных их корректировку и добавления.

Рис. 2. Блок схема лабораторного стенда (1-компрессор, 2-осушиитель, 3-ротаметр, 4-барботер, 5-вентиль, 6-нагреватель, 7-термостат, 8-испытуемый сенсорный образец, 9-термопара, 10- измеритель иммитанса Е7-20)

В программе была доработана возможность проводить расчеты электрофизических параметров пленок, не получаемых в ходе эксперимента, но возможных рассчитать по снимаемым данным. Данные по образцу сохраняются в один файл, и имеется возможность сохранить отдельные данные в удобный формат для иных целей.

Измерения газочувствительности происходит в несколько этапов. Первый – это нагрев сенсорного пленочного нанокомпозита в фиксированном потоке газа исходного состава (относительно которого будет сравниваться дальнейшие составы газовых смесей) до требуемой температуры. Второй – измерение комплексного сопротивления и/или комплексной емкости активного слоя при установленной температуре. Третий – подача импульса исследуемой газовой смеси до момента стабилизации исследуемого электрофизического параметра активного слоя и параллельное измерение исследуемых параметров.

Измерения

Виды отклика на изменения газовой среды и возврат к первоначальной, а именно временная зависимость изменения сопротивления образца приведена на рис. 3 (иллюстрирует кинетику адсорбционного отклика сопротивления образца на основе диоксида олова, полученным гидропиролитическим методом, при периодическом воздействии 1000 ppm паров ацетона).

На рис. 4 для образца на основе диоксида олова в полулогарифмических координатах представлены типичные частотные зависимости реальных Re(Z) и мнимых компонент Im(Z) комплексного сопротивления в присутствии паров ацетона при температуре детектирования 300ºС (где частота, измеряемая в герцах). На графике частотной зависимости реактивной составляющей комплексного сопротивления ImZ наблюдается один релаксационный максимум, удовлетворяющий условию , где угловая частота, время релаксации поляризации. На рис. 5 приведены диаграммы Найквиста в атмосфере воздуха и в присутствии паров ацетона при температуре детектирования 300ºС.

Рис. 3. Кинетика адсорбционного отклика сопротивления образца на основе диоксида олова при периодическом воздействии 1000 ppm паров ацетона

Рис. 4. Частотные зависимости реальных и мнимых компонент комплексного сопротивления в присутствии паров ацетона при температуре детектирования 300 ºС

Рис. 5. Диаграммы Найквиста в атмосфере воздуха и в присутствии паров ацетона при температуре детектирования 300 ºС.

Анализ экспериментальных результатов, полученных с помощью созданной комбинированной установки и с помощью специально разработанной программы для ЭВМ, а также теоретических модельных представлений позволил сделать вывод о том, что в условиях изменения газовой среды можно управлять адмиттансным откликом путем наложения на нанокомпозиционные материалы на основе металлооксидов, полученных золь-гель методом и методом гидропиролитического синтеза, возмущающего воздействия с переменной частотой в диапазоне температур от 300 до 400ºС, что раскрывает новые перспективы для увеличения чувствительности и селективности мультисенсорных систем типа «электронный нос», в которых низкая селективность полупроводниковых наноструктур, являющаяся основным недостатком приборов газового контроля, превращается в неоспоримое достоинство.

В работе были установлены новые возможности для увеличения чувствительности и селективности систем типа «электронный нос», использование возмущающего электрического воздействия с переменной частотой на образец с иерархической структурой пор при определенной рабочей температуре. Для этого в созданной программе была реализована функция построения лепестковых диаграмм, принцип отображения которых сводился к нормированию рассчитанных величин газочувствительности по снятым экспериментальным данным в атмосфере воздуха и в среде восстанавливающих газов-реагентов.

Рис. 6. Лепестковая диаграмма

В качестве иллюстрирующих примеров на рис. 6 приведены лепестковые диаграммы, показывающие различие чувствительности при различных условиях детектирования. Отдельному лучу на лепестковой диаграмме соответствует определенная рабочая частота из диапазона от 100 Гц до 1 МГц и температура детектирования. В дальнейшем планируется модернизация программного продукта и осуществление определения состава газовой среды путем сопоставления построенной лепестковой диаграммы в условиях детектирования газа с уже известными диаграммами из базы данных, находящейся в памяти компьютера.

Созданная в работе комбинированная установка представляет интерес для диагностики пористых объектов, которым в настоящее время предается большое значение в связи с развитием изоляционных слоев микро- и наноэлектроники [15]. Таким образом, настоящая работа является продолжением исследований, начатых В СПбГЭТУ (ЛЭТИ) 20 лет назад [16, 17].


Литература:
  1. Gopel W. Solid-state chemical sensors: atomistic models and research trends // Sensors and Actuators. –1989. –V.16. – P.167-197.

  2. Мясников И.А. Сухарев В.Я., Куприянов Л.Ю., Завьялов С.А. Полупроводниковые сенсоры для физико-химических исследований. / – М.:Наука, 1991. – 327с.

  3. Давыдов С.Ю., Мошников В.А., Томаев В.В. Адсорбционные процессы в поликристаллических полупроводниковых сенсорах./ СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб., 1998.

  4. Сенсорные свойства по отношению к сероводороду и электропроводность поликристаллических пленок SnO2<Cu> / Б.А. Акимов, А.В. Албул, А.М. Гаськов и др. // Физика и техника полупроводников. – 1997. – T. 31. – N 4. – C.400–404.

  5. Morrison R.S. Selectivity in Semiconductor Gas Sensor // Sensor and Actuators. – 1987. –V.12. – P.425–441.

  6. Микропроцессорный газоаналитический модуль. / А.Е.Сенькин, Б.И.Селезнев, А.И.Максимов, В.А.Мошников // Вестник новгородского государственного университета. – 2004. – №26. – С. 161–167.

  7. Electronic nose: current status and future trends / F. Rock, N. Barsan, U. Weimar // Chem. Rev. – 2008. – V. 108. – P. 705725.

  8. Применение метода нейронных сетей для анализа отклика однокристальной мультисенсорной системы идентификации газов / В.В. Cысоев, В.Ю. Мусатов, А.В. Силаев и др. // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2007. – № 1(21). Вып. 1. – C. 80–87.

  9. A gradient microarray electronic nose based on percolating SnO2 nanowire sensing elements / V.V. Sysoev, J. Goschnick, T. Schneider et al. // Nano Letters. – 2007. – V. 7, Iss. 10. – P. 3182–3188.

  10. Hierarchical nanostructured semiconductor porous materials for gas sensors /V.A. Moshnikov, I.E. Gracheva, V.V. Kuznezov et al. // Journal of Non-Crystalline Solids. – 2010. – V. 356, N. 37-40. P. 2020–2025.,

  11. Мошников В.А., Грачева И.Е. Сетчатые газочувствительные нанокомпозиты на основе диоксидов олова и кремния. // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. – 2009. – № S30. – С. 92–98.

  12. Porous silicon with embedded metal oxides for gas sensing applications. / V.A. Moshnikov, I.Е. Gracheva, A.S. Lenshin et.al. // Journal of Non-Crystalline Solids. 2012. – V. 358, N. 3. – С.590–595.

  13. Автоматизированная установка для измерения газочувствительности сенсоров на основе полупроводниковых нанокомпозитов. / И.Е.Грачева, А.И. Максимов, В.А. Мошников, М.Е. Плех // Приборы и техника эксперимента. – 2008. – № 3. – С. 143–146.

  14. Аньчков М.Г., Грачева И.Е., Мошников В.А. Расчет данных для анализа газочувствительности, полученных с помощью прибора E7-20 (E7-20) // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010615471. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ: 27 августа 2010 г.

  15. Васильев В.А., Серегин Д.С., Воротилов К.А. Материалы с пористой структурой для устройств микро- и наноэлектроники. // Материалы V Международной научно-технической конференции, 23 – 27 октября 2007 г. Intermatic – 2007, часть 3. – C. 7–26.

  16. . Bakin A.S., Bestaev M.V., Dimitrov D.Tz., Moshnikov V.A., Tairov Yu.M. SNO2 BASED GAS SENSITIVE SENSOR // Thin Solid Films. 1997. Т. 296. № 1-2. С. 168-171.

  17. Вощилова Р.М., Димитров Д.П., Долотов Н.И., Кузьмин А.Р., Махин А.В., Мошников В.А., Таиров Ю.М. Формирование структуры газочувствительных слоев диоксида олова, полученных реактивным магнетронным распылением // Физика и техника полупроводников. 1995. Т. 29. № 11. С. 1987.

Основные термины (генерируются автоматически): паров ацетона, паров ацетона, присутствии паров ацетона, присутствии паров ацетона, диоксида олова, диоксида олова, основе диоксида олова, основе диоксида олова, Мошников В.А, температуре детектирования, основе металлооксидов, температуре детектирования, комплексного сопротивления, ppm паров ацетона, ppm паров ацетона, типа «электронный нос», основе полупроводниковых нанокомпозитов, отклика сопротивления образца, адсорбционного отклика сопротивления, отклика сопротивления образца.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос