Сенсорные свойства и диффузия газов в пористых нанокомпозитных слоях на основе полупроводниковых оксидов металлов | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: ,

Рубрика: Физика

Опубликовано в Молодой учёный №3 (83) февраль-1 2015 г.

Дата публикации: 01.02.2015

Статья просмотрена: 89 раз

Библиографическое описание:

Игошина С. Е., Карманов А. А. Сенсорные свойства и диффузия газов в пористых нанокомпозитных слоях на основе полупроводниковых оксидов металлов // Молодой ученый. — 2015. — №3. — С. 43-47. — URL https://moluch.ru/archive/83/15351/ (дата обращения: 23.07.2018).

В последнее время объектом изучения все чаще становится макро-, мезо- и микропористость наноматериалов [1–5], оказывающая существенное влияние на процесс взаимодействия газов с чувствительными элементами сенсоров на основе полупроводниковых оксидов металлов, главным образом, диоксида олова — SnO2 [6–9].

Следует отметить, что существующие известные модели газочувствительности [10–12] явным образом не учитывают пористость чувствительного элемента сенсора. Основываясь на результатах работы [13], была разработана модель, учитывающая молекулярную и кнудсеновскую диффузию газов и позволяющая определять изменение сопротивления (Rg/R0) пористых нанокомпозитных слоев на основе полупроводниковых оксидов при воздействии на них газов, как с постоянной концентрацией, так и при её изменении с постоянной скоростью [14]:

                                                                    (1)

где C0 — начальная концентрации молекул газа; λ — скорость роста концентрации молекул газа [c-1]; L — толщина нанокомпозитного слоя; 0ttmax — время воздействия газа; N — количество пор в пленке; K — константа поверхностной реакции [c-1]; DT — теоретический коэффициент диффузии; a — некоторая константа, зависящая от типа газа (положительная для восстановителей и отрицательная для окислителей) и конкретных механизмов взаимодействия газов с пленками на основе полупроводниковых оксидов [ppm-1].

В качестве экспериментального образца, для проверки адекватности разработанной модели, использовались пористые нанокомпозитные слои, синтезируемые золь-гель методом [15–19]. Поры в таких слоях возникают на этапе термической обработки, который сопровождается высвобождением растворителя из полимерной сетки геля, приводящим к образованию системы макропор, размер которых составляет свыше 50нм (рисунок 1).

Рис. 1. АСМ-изображения поверхности пористых нанокомпозитных слоев на основе SiO2-SnO2-

 

Проводящие ветви таких макропористых объектов также не являются сплошными, а представляют собой мезопористый материал, состоящий из проводящих и непроводящих зерен. Размер мезопор в проводящих ветвях составляет 2–50 нм. Необходимо отметить, что структура зерен объектов, из которых состоят проводящие ветви макропористых тел также пористая, с размерами пор, не поддающихся диагностике методами АСМ [20–21].

На рисунке 2 показано относительное изменение сопротивления пленок на основе диоксид олова — диоксид кремния при воздействии газов-восстановителей (паров этанола). Сравнительный анализ результатов показывает, что полученная модель адекватно описывает экспериментальные данные [22].

Рис. 2. Относительное изменение сопротивления пленок на основе диоксид олова — диоксид кремния при воздействии газов-восстановителей (паров этанола)

 

График на рисунке 1 содержит три типичных области, характеризующие относительное изменение сопротивления пористых нанокомпозитных слоев. Область I соответствует сопротивлению слоя на воздухе в отсутствие анализируемых газов. В области II наблюдается резкое уменьшение сопротивления при воздействии газов восстановителей (паров этанола), концентрация которых увеличивается с постоянной скоростью, пока не достигнет величины Cmax=1000 ppm. Его изменение описывается уравнением (1). Область III отвечает восстановлению сопротивления слоя после прекращения воздействия газов-восстановителей.

Следует отметить, что предложенная модель не только описывает газочувствительность, но и позволяет определить преобладающий тип диффузии в данном материале, что важно для дальнейшего прогнозирования параметров сенсоров. Используя результаты работы [23], будем оценивать режимы диффузии в пористом материале через калибровочный параметр , где Di — коэффициент диффузии (молекулярной или кнудсеновской соответственно), Lпор — длина поры.

В таблице 1 представлены параметры диффузии Кнудсена и Фика для типичных размеров пор. Сравнив калибровочный параметр, рассчитанный по экспериментальным данным с данными таблицы 1, можно определить режим работы исследуемого сенсора.

Таблица 1

Параметры диффузии Кнудсена и Фика для типичных размеров пор

 

Диффузия Фика

Кнудсеновская диффузия

Di

≈10–5м/с2

≈10–5м/с2

Lпор

1–20 мкм

<1мкм

r

1–2 мкм

1–10 нм

≈105 с-1

≈108 с-1

 

Для оценки калибровочного параметра преобразуем выражение (1) к следующему виду [24]:

                                                                          (2)

где  — функции, характеризующие относительное изменение сопротивления пористых нанокомпозитных слоев на основе полупроводниковых оксидов в зависимости от калибровочного коэффициента; S — площадь поверхности пленки; r –средний радиус пор; s — пористость нанокомпозитного слоя.

Калибровочный коэффициент определяется на основе решения системы уравнений (2), используя экспериментальные данные в области II (рисунок 2), где наблюдается резкое уменьшение сопротивления при воздействии газов — восстановителей, а также зная пористость нанокомпозитных слоев [25], определенную, например, по АСМ-изображениям (рисунок 1). Так для рассматриваемых слоев на основе SiO2-SnO2, величина , что указывает на преобладание кнудсеновской диффузии.

Таким образом, предложена модель газочувствительности, учитывающая молекулярную и кнудсеновскую диффузию газов макро-, мезо- и микропорах нанокомпозитных слоев на основе полупроводниковых оксидов. Показано, что предложенная модель адекватно описывает экспериментальные данные и может быть использована для прогнозирования выходных параметров сенсоров, в основе работы которых лежит процесс адсорбции/десорбции газов. Продемонстрирована возможность определения преобладающего типа диффузии газов в чувствительных элементах сенсоров, что позволяет управлять их чувствительностью и временем отклика.

 

Литература:

 

1.         Грачева И. Е., Карпова С. С., Мошников В. А., Пщелко Н. С. Сетчатые иерархические структуры с электроадгезионными контактами // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». — 2010. — № 8. — С. 27–32.

2.         Аверин И. А., Сигаев А. П., Карманов А. А., Пронин И. А., Игошина С. Е., Кудашов А. А. Влияние отжига на качественный состав наноструктурированных материалов на основе SiO2, SiO2-SnO2, SiO2-SnO2-In2O3 // Труды международного симпозиума Надежность и качество. — 2014. — Т. 2. — С. 133–136.

3.         Мошников В. А., Соколова Е. Н., Спивак Ю. М. Формирование и анализ структур на основе пористого оксида алюминия // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». — 2011. — № 2. — С. 13–19.

4.         Игошина С. Е., Карманов А. А., Сигаев А. П. Вакуумметры с чувствительными элементами на основе пористых наноструктурированных материалов состава SiO2-SnO2 // Молодой ученый. — 2014. — № 11. — С. 52–55.

5.         Леньшин А. С., Кашкров 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.

6.         Аверин И. А., Пронин И. А., Мошников В. А., Димитров Д. Ц., Якушова Н. Д., Карманов А. А., Кузнецова М. В. Анализ каталитических и адсорбционных свойств d-металлов-модификаторов диоксида олова // Нано- и микросистемная техника. — 2014. — № 9. — С. 15–19.

7.         Аверин И. А., Игошина С. Е., Карманов А. А. Исследование частотных зависимостей емкости наноструктур на основе SiO2-SnO2 // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. — 2013. — № 3 (27). — С. 168–175.

8.         Аверин И. А., Карманов А. А., Пронин И. А. Моделирование процессов газочувствительности сетчатых композитов на основе SiO2-SnO2 // Труды международного симпозиума Надежность и качество. — 2012. — Т. 1. — С. 214–216.

9.         Аверин И. А., Мошников В. А., Пронин И. А. Влияние типа и концентрации собственных дефектов на свойства структур диоксида олова // Нано- и микросистемная техника. — 2013. — № 1. — С. 27–29.

10.     Пронин И. А., Аверин И. А., Мошников В. А., Якушова Н. Д., Кузнецова М. В., Карманов А. А. Перколяционная модель газового сенсора на основе полупроводниковых оксидных наноматериалов с иерархической структурой пор // Нано- и микросистемная техника. — 2014. — № 9. — С 15–19.

11.     Аверин И. А., Пронин И. А., Карманов А. А. Исследование газочувствительности сенсоров на основе наноструктурированных композиционных материалов SiO2-SnO2 // Нано- и микросистемная техника. — 2013. — № 5. — С. 23–26.

12.     Аверин И. А., Пронин И. А., Карманов А. А. Разработка перколяционной модели газовых сенсоров // Труды международного симпозиума Надежность и качество. — 2014. — Т. 1. — С. 161–163.

13.     Sakai Go, Matsunaga Naoki, Shimanoe Kengo, Yamazoe Noboru. Theory of gas-diffusion sensitivity for thin film semiconductor gas sensor // Sensors and Actuators B. — 2001. — V.80. — P.125–131.

14.     Игошина С. Е., Аверин И. А., Карманов А. А., Моделирование газочувствительности пористых пленок на основе полупроводниковых оксидов // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. — 2014. — № 48. — С. 115–119.

15.     Аверин И. А., Карманов А. А., Мошников В. А., Печерская Р. М., Пронин И. А. Особенности синтеза и исследования нанокомпозитных пленок, полученных золь-гель методом // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. — 2012. — № 2. — С. 155–162.

16.     Аверин И. А., Игошина С. Е., Карманов А. А., Пронин И. А. Моделирование образования золь-гель нанокомпозитных пленок // Труды международного симпозиума Надежность и качество. — 2013. — Т. 2. — С. 201–205.

17.     Смирнова И. В., Шилова О. А., Мошников В. А., Панов М. Ф., Шевченко В. В., Клименко Н. С. Исследование физико-химических свойств, структуры и состава наноразмерных боросиликатных пленок, полученных золь-гель методом // Физика и химия стекла. — 2006. — Т. 32. — № 4. — С. 632–646.

18.     Карманов А. А. Особенности синтеза материалов для чувствительных элементов мультисенсорных систем золь-гель методом // Труды международного симпозиума Надежность и качество. — 2013. — Т. 2. — С. 115–118.

19.     Аверин И. А., Карманов А. А., Пронин И. А., Печерская Р. М. Использование ИК-спектроскопии для анализа тонких стекловидных пленок, полученных золь-гель методом // УНИВЕРСИТЕТСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ Сборник статей XV Международной научно-методической конференции, посвященной 50-летию полета первого космонавта Ю. А. Гагарина. Под редакцией: В. И. Волчихина, Р. М. Печерской. — 2011. — С. 227–228.

20.     Грачева И. Е., Максимов А. И., Мошников В. А. Анализ особенностей строения фрактальных нанокомпозитов на основе диоксида олова методами атомно-силовой микроскопии и рентгеновского фазового анализа // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2009. — № 10. — С. 16–23.

21.     Пронин И. А., Аверин И. А., Димитров Д. Ц., Карманов А. А. Особенности структурообразования и модели синтеза нанокомпозитных материалов состава SiO2-MexOy, полученных с помощью золь-гель технологии // Нано- и микросистемная техника. — 2014. — № 8. — С. 3–7.

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

23.     Ozdemir S. Formation, characterization and flow dynamics of nanostructure modified sensitive and selective gas sensors based on porous silicon // A Thesis Presented to The Academic Faculty. — Georgia Institute of Technology. — 2011. — 185 p.

24.     Игошина С. Е., Аверин И. А., Карманов А. А. Оценка преобладающего типа диффузии газов в пористых нанокомпозитных слоях на основе смешанных оксидов // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. — 2014. — Т. 11. — № 4–2. — С. 567–571.

25.     Аверин И. А., Сигаев А. П., Пронин И. А., Кудашов А. А., Игошина С. Е., Карманов А. А. Исследование качественного состава наноструктур на основе SiO2, SiO2-SnO2, SiO2-SnO2-In2O3 и его зависимость от температуры отжига // УНИВЕРСИТЕТСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ XVIII Международная научно-методическая конференция, посвященная 200-летию со дня рождения М. Ю. Лермонтова. под ред. А. Д. Гулякова, Р. М.Печерской. Пенза, 2014. С. 521–523.

Основные термины (генерируются автоматически): слой, калибровочный параметр, пар этанола, III, рисунок, резкое уменьшение сопротивления, предложенная модель, Параметр диффузии, относительное изменение сопротивления пленок, относительное изменение сопротивления, область, калибровочный коэффициент, данные, воздействие газов-восстановителей, чувствительный элемент сенсоров.


Похожие статьи

Разработка перколяционной модели газовых сенсоров

Изменение электропроводности газочувствительных слоев связано с хемосорбцией газов-окислителей и восстановителей и последующим

Рассмотрим чувствительный элемент газового сенсора, селективно распознающий какой-либо газ-восстановитель.

Разработка перколяционной модели газовых сенсоров

Изменение электропроводности газочувствительных слоев связано с хемосорбцией газов-окислителей и восстановителей и последующим

Рассмотрим чувствительный элемент газового сенсора, селективно распознающий какой-либо газ-восстановитель.

Анализ газочувствительности полупроводниковых наноматериалов...

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]...

Анализ газочувствительности полупроводниковых наноматериалов...

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]...

Разработка лабораторного стенда для количественного...

Сенсорные свойства и диффузия газов в пористых нанокомпозитных слоях на основе полупроводниковых оксидов металлов. Исследование полупроводниковых материалов методом микроскопии сопротивления растекания.

Разработка лабораторного стенда для количественного...

Сенсорные свойства и диффузия газов в пористых нанокомпозитных слоях на основе полупроводниковых оксидов металлов. Исследование полупроводниковых материалов методом микроскопии сопротивления растекания.

Исследование процессов деградации свойств... | Молодой ученый

Рис. 1. Относительное изменение сопротивления наноструктурированных плёнок на основе SiO2-SnO2-In2O3.

Очевидно, что эти изменения определяются диффузией, в первую очередь, молекул кислорода вдоль межзеренных границ и пор, имеющихся в пленке, в объем...

Исследование процессов деградации свойств... | Молодой ученый

Рис. 1. Относительное изменение сопротивления наноструктурированных плёнок на основе SiO2-SnO2-In2O3.

Очевидно, что эти изменения определяются диффузией, в первую очередь, молекул кислорода вдоль межзеренных границ и пор, имеющихся в пленке, в объем...

Обработка результатов экспериментальных исследований влияния...

где  — сопротивление сдвигу;  — деформация сдвига. При обработке данных были получены зависимости изменения величины модуля сдвига от величины сдвиговых деформаций, из чего можно сделать вывод, что величина модуля сдвига образца, отобранного...

Обработка результатов экспериментальных исследований влияния...

где  — сопротивление сдвигу;  — деформация сдвига. При обработке данных были получены зависимости изменения величины модуля сдвига от величины сдвиговых деформаций, из чего можно сделать вывод, что величина модуля сдвига образца, отобранного...

Устранение гальванических искажении при обработке данных...

При индукционном эффекте закономерности в расположении искажённых кривых МТЗ относительно неискажённых имеют более сложный характер.

Рис. 3. кривая сопротивления по данным М-ЗСБ.

Устранение гальванических искажении при обработке данных...

При индукционном эффекте закономерности в расположении искажённых кривых МТЗ относительно неискажённых имеют более сложный характер.

Рис. 3. кривая сопротивления по данным М-ЗСБ.

Исследование влияния соотношения сторон прямоугольного сопла...

В тоже время детальное исследование горения неперемешанных газов, истекающих, из произвольного

Предположим, что течение симметрично относительно оси и плоскостей , , которые

На рис.3 в двух режимных параметрах mu, приведены изменения коэффициента...

Исследование влияния соотношения сторон прямоугольного сопла...

В тоже время детальное исследование горения неперемешанных газов, истекающих, из произвольного

Предположим, что течение симметрично относительно оси и плоскостей , , которые

На рис.3 в двух режимных параметрах mu, приведены изменения коэффициента...

Моделирование и исследование тепломассообменных процессов...

В опытах варьировались параметры и удельный расход приточного воздуха, высота слоя, начальная температура продукта.

при Re=2,2·104÷3,15·105, где Num и Prm – массообменные критерии Нуссельта и Прандтля; D – коэффициент диффузии водяного пара в воздухе при...

Моделирование и исследование тепломассообменных процессов...

В опытах варьировались параметры и удельный расход приточного воздуха, высота слоя, начальная температура продукта.

при Re=2,2·104÷3,15·105, где Num и Prm – массообменные критерии Нуссельта и Прандтля; D – коэффициент диффузии водяного пара в воздухе при...

Возможность и перспективы использования нанотехнологии...

Уменьшение сопротивления самолетов, выполняющих длительный крейсерский полет, приводит к значительному снижению расхода топлива.

Рис. 2. Изменение коэффициента аккомодации с помощью нанотехнологии (1-исходная поверхность; 2-модифицированная...

Возможность и перспективы использования нанотехнологии...

Уменьшение сопротивления самолетов, выполняющих длительный крейсерский полет, приводит к значительному снижению расхода топлива.

Рис. 2. Изменение коэффициента аккомодации с помощью нанотехнологии (1-исходная поверхность; 2-модифицированная...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Разработка перколяционной модели газовых сенсоров

Изменение электропроводности газочувствительных слоев связано с хемосорбцией газов-окислителей и восстановителей и последующим

Рассмотрим чувствительный элемент газового сенсора, селективно распознающий какой-либо газ-восстановитель.

Разработка перколяционной модели газовых сенсоров

Изменение электропроводности газочувствительных слоев связано с хемосорбцией газов-окислителей и восстановителей и последующим

Рассмотрим чувствительный элемент газового сенсора, селективно распознающий какой-либо газ-восстановитель.

Анализ газочувствительности полупроводниковых наноматериалов...

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]...

Анализ газочувствительности полупроводниковых наноматериалов...

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]...

Разработка лабораторного стенда для количественного...

Сенсорные свойства и диффузия газов в пористых нанокомпозитных слоях на основе полупроводниковых оксидов металлов. Исследование полупроводниковых материалов методом микроскопии сопротивления растекания.

Разработка лабораторного стенда для количественного...

Сенсорные свойства и диффузия газов в пористых нанокомпозитных слоях на основе полупроводниковых оксидов металлов. Исследование полупроводниковых материалов методом микроскопии сопротивления растекания.

Исследование процессов деградации свойств... | Молодой ученый

Рис. 1. Относительное изменение сопротивления наноструктурированных плёнок на основе SiO2-SnO2-In2O3.

Очевидно, что эти изменения определяются диффузией, в первую очередь, молекул кислорода вдоль межзеренных границ и пор, имеющихся в пленке, в объем...

Исследование процессов деградации свойств... | Молодой ученый

Рис. 1. Относительное изменение сопротивления наноструктурированных плёнок на основе SiO2-SnO2-In2O3.

Очевидно, что эти изменения определяются диффузией, в первую очередь, молекул кислорода вдоль межзеренных границ и пор, имеющихся в пленке, в объем...

Обработка результатов экспериментальных исследований влияния...

где  — сопротивление сдвигу;  — деформация сдвига. При обработке данных были получены зависимости изменения величины модуля сдвига от величины сдвиговых деформаций, из чего можно сделать вывод, что величина модуля сдвига образца, отобранного...

Обработка результатов экспериментальных исследований влияния...

где  — сопротивление сдвигу;  — деформация сдвига. При обработке данных были получены зависимости изменения величины модуля сдвига от величины сдвиговых деформаций, из чего можно сделать вывод, что величина модуля сдвига образца, отобранного...

Устранение гальванических искажении при обработке данных...

При индукционном эффекте закономерности в расположении искажённых кривых МТЗ относительно неискажённых имеют более сложный характер.

Рис. 3. кривая сопротивления по данным М-ЗСБ.

Устранение гальванических искажении при обработке данных...

При индукционном эффекте закономерности в расположении искажённых кривых МТЗ относительно неискажённых имеют более сложный характер.

Рис. 3. кривая сопротивления по данным М-ЗСБ.

Исследование влияния соотношения сторон прямоугольного сопла...

В тоже время детальное исследование горения неперемешанных газов, истекающих, из произвольного

Предположим, что течение симметрично относительно оси и плоскостей , , которые

На рис.3 в двух режимных параметрах mu, приведены изменения коэффициента...

Исследование влияния соотношения сторон прямоугольного сопла...

В тоже время детальное исследование горения неперемешанных газов, истекающих, из произвольного

Предположим, что течение симметрично относительно оси и плоскостей , , которые

На рис.3 в двух режимных параметрах mu, приведены изменения коэффициента...

Моделирование и исследование тепломассообменных процессов...

В опытах варьировались параметры и удельный расход приточного воздуха, высота слоя, начальная температура продукта.

при Re=2,2·104÷3,15·105, где Num и Prm – массообменные критерии Нуссельта и Прандтля; D – коэффициент диффузии водяного пара в воздухе при...

Моделирование и исследование тепломассообменных процессов...

В опытах варьировались параметры и удельный расход приточного воздуха, высота слоя, начальная температура продукта.

при Re=2,2·104÷3,15·105, где Num и Prm – массообменные критерии Нуссельта и Прандтля; D – коэффициент диффузии водяного пара в воздухе при...

Возможность и перспективы использования нанотехнологии...

Уменьшение сопротивления самолетов, выполняющих длительный крейсерский полет, приводит к значительному снижению расхода топлива.

Рис. 2. Изменение коэффициента аккомодации с помощью нанотехнологии (1-исходная поверхность; 2-модифицированная...

Возможность и перспективы использования нанотехнологии...

Уменьшение сопротивления самолетов, выполняющих длительный крейсерский полет, приводит к значительному снижению расхода топлива.

Рис. 2. Изменение коэффициента аккомодации с помощью нанотехнологии (1-исходная поверхность; 2-модифицированная...

Задать вопрос