Научная статья на тему 'Получение и физико-химические свойства поверхности твердого раствора (CdTe)0. 03(ZnSe)0. 97'

Получение и физико-химические свойства поверхности твердого раствора (CdTe)0. 03(ZnSe)0. 97 Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
89
14
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТВЕРДЫЙ РАСТВОР / АДСОРБЦИЯ / УГАРНЫЙ ГАЗ / СЕНСОР

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Подгорный С.О., Подгорная О.Т., Скутин Е.Д., Демешко И.П., Лукоянова О.В.

Объектом исследования является твердый раствор (CdTe)0.03(ZnSe)0.97. Цель работы получение нового материала первичных преобразователей полупроводниковых сенсоров-датчиков, исследование физико-химических свойств поверхности данного объекта с оценкой возможности его дальнейшего применения в газовом анализе для диагностики СО. Методами изотермической диффузии и термического дискретного испарения в вакууме получены порошки и нанопленки твердого раствора (CdTe)0.03(ZnSe)0.97. Исследована возможность применения твердого раствора (CdTe)0.03(ZnSe)0.97 в газовом анализе. Методами пьезокварцевого микровзвешивания, волюмометрии и ИК-спектроскомии МНПВО изучены адсорбционные свойства (CdTe)0.03(ZnSe)0.97 по отношению к оксиду углерода (II). Установлены закономерности протекания адсорбционных процессов. На основе полученных экспериментальных данных разработан сенсор на микропримеси СО, успешно прошедший лабораторные испытания.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Подгорный С.О., Подгорная О.Т., Скутин Е.Д., Демешко И.П., Лукоянова О.В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Получение и физико-химические свойства поверхности твердого раствора (CdTe)0. 03(ZnSe)0. 97»

ТАБЛИЦА

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИССЛЕДУЕМЫХ ОБРАЗЦОВ

№ партии Шифр* Концентрация кислоты, % Время пропитки, ч. SБЭТ, м2/г

1 ФС - - 413

2 ФМК-80-4 80 4 135

3 ФМК-80-24 80 24 67

4 ФМК-80-8 80 8 69

5 ФМК-40-8 40 8 191

6 ФМК-40-4 40 4 281

7 ФМК-40-24 40 24 250

*ФС - исходный формованный углеродный сорбент; ФМК-80-4, 80-8, 80-24 - формованный углеродный сорбент, пропитанный 80% раствором молочной кислоты при времени пропитки 4, 8, 24 часа с последующей термообработкой; ФМК-40-4, 40-8, 40-24 - формованный углеродный сорбент, пропитанный 40% раствором молочной кислоты при времени пропитки 4, 8, 24 часа с последующей термообработкой.

IV. Выводы и заключение

Исходя из анализа полученных данных, для образца ФМК-80-4, пропитанного 80% раствором молочной кислоты при времени пропитки 4 часа, удельная площадь поверхности формованного сорбента уменьшилась в 3 раза (от 413 до 135 м2/г). При увеличении времени пропитки от 4 до 8 часов удельная площадь поверхности образца уменьшилась в 6 раз (от 413 до 69 м2/г), а при изменении времени пропитки от 8 до 24 ч данный показатель существенно не изменился (образец ФМК-80-8 - 67 м2/г). Таким образом, можно сделать вывод, что при пропитке в 80% молочной кислоте оптимальным временем пропитки является 8 часов (образец ФМК-80-8).

При пропитке образца формованного сорбента 40% раствором молочной кислоты в течение 4 часов удельная площадь поверхности снижается в 1,5 раза (от 413 до 281 м2/г), в течение 8 часов - в 2,2 раза (от 413 до 191 м2/г), в течение 24 часов - в 1,7 раза (от 413 до 250 м2/г), В связи с этим, при использовании 40% раствора модификатора оптимальное время пропитки формованного сорбента также составляет 8 часов (образец ФМК-40-8).

Модифицированные образцы формованного углеродного сорбента, полученные при оптимальных условиях пропитки с последующей термообработкой, ФМК-80-8 и ФМК-40-8 являются наиболее перспективными для дальнейших исследований физико-химических и медико-биологических свойств.

Список литературы

1. Баринов С. В., Герунова Л. К., Тирская Ю. И., Пьянова Л. Г., Бакланова О. Н., Лихолобов В. А. Разработка углеродных сорбентов и перспективы их применения в акушерской практике: моногр. Омск : Изд-во ИП Макшеевой Е. А., 2015. 132 с.

2. Boomsma B., Bikker E., Lansdaal E., Stuut P. L-Lactic Acid - A Safe Antimicrobial for Home- and Personal Care Formulations // Sofw Journal. 2015. V. 141, no 10. Р. 2-5

3. Кира Е. Ф. Биологическая роль кислотности влагалища. Механизмы стабильности и методы коррекции // Акушерство и гинекология. 2013. № 3. С. 102-106.

УДК 541.183

ПОЛУЧЕНИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО РАСТВОРА (CDTE)0.03(ZNSE)0.97

С. О. Подгорный1, О. Т. Подгорная1, Е. Д. Скутин1, Демешко И. П.1, О. В. Лукоянова \ И. В. Муромцев2

'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Институт проблем переработки углеводородов СО РАН, г. Омск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-198-204

Аннотация - Объектом исследования является твердый раствор (CdTe)0 03(ZnSe)097. Цель работы - получение нового материала первичных преобразователей полупроводниковых сенсоров-датчиков, исследование физико-химических свойств поверхности данного объекта с оценкой возможности его дальнейшего применения в газовом анализе для диагностики СО. Методами изотермической диффузии и термического дискретного испарения в вакууме получены порошки и нанопленки твердого раствора (CdTe)0 03(ZnSe)097.

Исследована возможность применения твердого раствора (CdTe)0.03(ZnSe)0.97 в газовом анализе. Методами пьезокварцевого микровзвешивания, волюмометрии и ИК-спектроскомии МНПВО изучены адсорбционные свойства (CdTe)0 03(ZnSe)097 по отношению к оксиду углерода (II). Установлены закономерности протекания адсорбционных процессов. На основе полученных экспериментальных данных разработан сенсор на микропримеси СО, успешно прошедший лабораторные испытания.

Ключевые слова: твердый раствор, адсорбция, угарный газ, сенсор.

I. Введение

В настоящее время оксид углерода (II) находит широкое применение в промышленности органического синтеза. При этом высокая токсичность угарного газа, отсутствие цвета и запаха, часто приводят к тяжелым отравлениям, заканчивающимся летальным исходом. Все это обусловливает необходимость своевременного мониторинга состава технологических сред промышленных предприятий.

Одним из решений обозначенной выше проблемы является экспресс-диагностика содержания СО с использованием сенсорных систем.

Особого внимания заслуживают сенсоры с чувствительным элементом, выполненным в виде поликристаллических пленок алмазоподобных полупроводников типа А2В6, позволяющие эффективно обнаруживать микропримеси токсичных газов при низких, вплоть до комнатной температурах [1].

Существенные улучшения характеристик такого рода сенсоров могут быть достигнуты за счет применения твердых растворов [2], к числу которых относятся компоненты полупроводниковой системы ZnSe-CdTe, изученные в настоящей работе.

Здесь необходимо отметить, что в настоящее время бинарные компоненты системы ZnSe-CdTe находят широкое применение в опто- и микроэлектронике, в частности, при разработке лазеров [3] солнечных элементов [4], детекторов рентгеновского [5] и у-излучения [6]. Уникальные физико-химические поверхностные свойства CdTe и ZnSe обусловливают перспективы их применения в газовом анализе [1].

II. Постановка задачи

Целью работы является получение нового материала первичных преобразователей полупроводниковых сенсоров-датчиков, исследование физико-химических свойств поверхности данного объекта с оценкой возможности его дальнейшего применения в газовом анализе для диагностики СО.

III. Методика эксперимента

Для синтеза твердого раствора в форме порошка использовали метод изотермической диффузии с применением специально разработанной программы температурного нагрева (лабораторная печь Snol 6.7/1300). Получение нанопленок (d=30 - 100 нм) (CdTe)a03(ZnSe)a97 осуществляли методом термического дискретного испарения в вакууме (универсальный вакуумный пост ВУП-5). Аттестацию объектов исследования производили по данным рентгенофазового анализа (дифрактометр D8 Advance (Bruker), Cu-ka излучение, длина волны 0.15406 нм, с применением позиционно-чувствительного детектора LynxEye). Для расшифровки дифрактограмм использовали базу данных по порошковой дифракции ICDD PDF-2 2006, программа EVA (Bruker).

Оценку возможности применения (CdTe)0.03(ZnSe)0.97 в диагностике угарного газа производили на основе результатов адсорбционных исследований, выполненных с привлечением методов волюмометрии и пьезокварце-вого микровзвешивания, (интервалы температур 243 - 453 К и давлений 3 - 15 Па), а также ИК-спетроскопии МНПВО (Фурье-спектрометр инфракрасный ИнфраЛЮМ ФТ-02 с приставкой МНПВО (The PIKE Technologies HATR), материал кристалла - Ge, спектральный диапазон 830 - 4000 см-1). В качестве адсорбатов использовали СО и О2, полученные по методике [7].

IV. Результаты эксперимента и их обсуждение синтез и идентификация твердого раствора

Результаты рентгенофазового анализа свидетельствуют об образовании твердого раствора замещения со структурой сфалерита. При этом на штрих-диаграммах наблюдается характерный сдвиг линий (CdTe)0.03(ZnSe)0.97 при постоянстве их числа относительно линий ZnSe (рис. 1).

Значение параметра элементарной ячейки твердого раствора (CdTe)0 03(ZnSe)a97 занимает промежуточное положение между значениями бинарных компонентов системы ZnSe-CdTe. Также, для твердого раствора характерны минимальные значения размера области когерентного рассеивания (ОКР) и рентгеновской плотности (табл. 1).

Подтверждением завершенности процесса синтеза является отсутствие на штрих-диаграммах (CdTe)a03(ZnSe)a97 дополнительных линий, характерных для непрореагировавших бинарных компонентов.

240 200 160

^ 120

80 40 0

CdTe

\ -(С dTe)o.o3(Zn Se)o.97 ZnSe

\

1 1 1 ,

20

40

60 80 20

Рис.1. Схемы рентгенограмм компонентов системы ZnSe-CdTe

100

120

ТАБЛИЦА 1

ЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ, РЕНТГЕНОВСКОЙ ПЛОТНОСТИ И ОКР КОМПОНЕТОВ СИСТЕМЫ ZNSE-CDTE

Состав «о, А Pr, g/cm3 ОКР(111), А

CdTe 6.4796 5.860 836.4

(CdTe)0.03(ZnSe)0.97 5.6763 5.242 399.4

ZnSe 5.6688 5.263 1328.8

адсорбционные исследования Результаты исследования адсорбционных свойств твердого раствора (CdTe)0.03(ZnSe)0.97 указывают на высокую чувствительность поверхности синтезированного материала по отношению к выбранным адсорбатам (рис. 2, 3).

Рис. 2. Температурные зависимости величины адсорбции СО (а) и О2 (Ь) на твердом растворе (CdTe)0.03(ZnSe)0.97 при Рн: 3 (1), 6.5 (2), 12 (3) Па

Рис. 3. Равновесные изотермы адсорбции СО (а) и О2 (Ь) на твердом растворе (CdTe)0.03(ZnSe)0.97

при Т: 257 (1), 323 (2) и 453 (3) К

Наблюдаемый порядок величины адсорбции СО (10-7 моль/м2) типичен для адсорбционных процессов на порошках алмазоподобных полупроводников.

Кривые температурной зависимости величины адсорбции свидетельствуют о протекании физической адсорбции в интервале температур 257 - 298 К и химической активированной адсорбции начиная с 298 К.

Здесь необходимо отметить, что активированная адсорбция СО, по-видимому, реализуется в одной форме, на что указывает наличие одного восходящего участка на изобарах. Рассчитанные значения дифференциальных теплот адсорбции (д) СО и О2, достигающие 4,5 и 5,1 кДж/моль соответственно, а также изменений энтропии адсорбции (~Л$), составляющие 63,0 - 80,1 Дж/(мольК), характерны для химической природы адсорбционных процессов на алмазоподобных проводниках [1, 2, 7]. Анализ адсорбционных характеристик твердого раствора (CdTe)0.03(ZnSe)0.97 позволят сделать вывод о повышенной адсорбционной чувствительности поверхности данного адсорбента по отношению к О2 по сравнению с СО во всех интервалах исследованных температур и давлений (рис. 4). При этом аналогичные соотношения величин адсорбции указанных адсорбатов характерны и для ZnSe [7].

2.6

0.6 И-1-1-1-1-1-1

240 280 320 360 400 440 480

т,к

Рис. 4. Температурные зависимости величины адсорбции СО (1) и О2 (2) (CdTe)0.03(ZnSe)0.97 при Рн=15 Па

С увеличением степени заполнения поверхности адсорбента наблюдается снижение теплоты адсорбции (рис. 5), что указывает на неоднородный характер поверхности и присутствие на ней различных по силе и энергетическому состоянию активных центров.

5.4

3.4 И-1-1-г-

0.2 0.4 0.6 0.8

а-107, mol./m2

Рис. 5. Зависимости теплоты адсорбции СО (1) и О2 (2) на твердом растворе (CdTe)0.03(ZnSe)0.97 от степени заполнения поверхности

В качестве последних, как и на других компонентах системы ZnSe-CdTe [1, 7], выступают преимущественно координационно-ненасыщенные поверхностные атомы цинка и кадмия в случае адсорбции СО, а также ва-кансионные дефекты типа F-центров в случае адсорбции кислорода.

С таким утверждением согласуются результаты ИК-спектроскопических исследований адсорбции оксида углерода (II). Обращает на себя внимание наличие в ИК-спектрах МНПВО (CdTe)0.03(ZnSe)0.97, экспонированного в атмосфере СО, полос поглощения с частотами в области 2140-2174 см-1 (рис. 6), которые могут быть отнесены к образованию карбонильных комплексов линейной структуры.

ТгапитиНаисе

100

о _

1000 2000 3000 „.1

V, С111

Рис. 6. Фурье ИК-спектры МНПВО поверхности твердого раствора (CdTe)0.03(ZnSe)0.97:1) экспонированного на воздухе; 2) подвергнутого термовакуумной обработке; 3) экспонированного в СО

При сопоставлении адсорбционных характеристик (CdTe)0.03(ZnSe)0.97 и ранее изученных компонентов системы ZnSe-CdTe [1,7] отмечаем повышенную адсорбционную чувствительность (CdTe)0.03(ZnSe)0. 97 по сравнению с ZnSe.

сенсор на микропримеси угарного газа

В итоге, выявленная высокая чувствительность поверхности твердого раствора (CdTe)0.03(ZnSe)0.97 по отношению к СО, в частности уже при комнатной температуре, свидетельствует о целесообразности дальнейшего использования указанного материала в полупроводниковом газовом анализе.

На основе полученных экспериментальных данных разработан сенсор-датчик на микропримеси СО. Первичный преобразователь газоанализатора выполнен в виде пьезокварцевого резонатора АТ-среза с нанесенной наноразмерной ^=30 нм) сорбирующей пленкой твердого раствора (CdTe)0.03(ZnSe)0.97 (рис. 8).

1

_

V_

Рис. 8. Схема первичного преобразователя газоанализатора: 1 - пьезокварцевый резонатор, 2 - нанопленка (CdTe)0.03(ZnSe)0.97

Работа датчика основана на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке и вызывающих изменение частоты пьезокварцевого резонатора. Созданный сенсор успешно прошел лабораторные испытания, в ходе которых продемонстрировал повышенную эффективность в обнаружении СО по сравнению с датчиками на основе ZnSe [8].

VI. Выводы и заключение Получен твердый раствор в форме порошков и наноразмерных пленок. Методами пьезокварцевого микровзвешивания, волюмометрии и ИК-спектроскопии МНПВО выполнены исследования адсорбционных свойств данного материала по отношению к оксиду углерода (II). Установлены закономерности протекания адсорбционных процессов. Создан сенсор-датчик, успешно прошедший лабораторные испытания, рекомендуемый для диагностики угарного газа.

Список литературы

1. Kirovskaya I. A., Podgornyi. S. O. Adsorption of gases on binary and multicomponent semiconductors of the ZnSe-CdTe system // Russian journal of physical chemistry A. 2011.Vol. 85, № 11. P. 1971-1976.

2. Podgornyi S.O. [et al.]. Adsorption properties of the components of the ZnSe-CdTe system. Size effects // Omsk scientific bulletin. 2013. №. 3(123). P. 50-52.

3. Firsov K.N. [et al.]. Room-temperature laser on a ZnSe : Fe2+ polycrystal with undoped faces, excited by an elec-trodischarge HF laser //, Laser Physics Letters. 2016. Vol. 13, № 5. P. 1-5

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

4. Kephart J.M. [et al.]. Band alignment of front contact layers for high-efficiency CdTe solar cells // Solar Energy Materials & Solar Cells. 2016. Vol. 157. P. 266-275.

5. S. Ishikawa S. [et al.]. Fine-pitch CdTe detector for hard X-ray imaging and spectroscopy of the Sun with the FOXSI rocket experiment // Journal of Geophysical Research: Space Physics. 2016. Vol. 121. Iss. 7. P. 6009-6016.

6. Niraula M. [et al.]. Surface Processing of CdTe Detectors Using Hydrogen Bromide-Based Etching Solution // IEEE Electron device letters. 2015. Vol. 36. Iss. 8. P. 856-858.

7. Kirovskaya I. A., Podgornyi S. O. New catalysts for the oxidation of carbon monoxide // Russian journal of physical chemistry A. 2012. Vol. 86, no № 1. P. 14-18.

8. Podgornyi S. O. [et al.]. Zink selenide nanofilms application in carbon monoxide detection // Procedia Engineering. 2016. Vol. 152. P. 474-477

УДК 537.311.31

ВЛИЯНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ТОНКИХ ПЛЕНОК ИЗ МЕДИ И СЕРЕБРА, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ

Д. А. Полонянкин, А. И. Блесман, Д. В. Постников

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-204-208

Аннотация - Формирование методом магнетронного распыления тонких проводящих пленок из меди и серебра благодаря их уникальным электрическим и оптическим свойствам является одним из высокотехнологичных направлений промышленного производства преобразователей солнечной энергии, энергосберегающих покрытий, экранов с плоским дисплеем и сенсорных панелей управления. К основным физическим характеристикам металлических пленок, обусловливающим их проводимость, относятся шероховатость и пористость поверхности, средний размер зерна, внутренние микронапряжения, ориентация и тип решетки, также степень кристалличности пленки. В зависимости от толщины пленок доминирующим механизмом проводимости в них могут выступать обусловленная потоком электронного газа объемная проводимость, а также проводимость по границе зерна. В работе методами сканирующей электронной и лазерной микроскопии, а также методом рентгеновской дифрактометрии проводится исследование влияния микроструктуры и шероховатости поверхности на электрическую проводимость тонких пленок из меди и серебра. Наибольшие значения удельной проводимости 78 МСм-м"1 и 84 МСм-м"1 соответственно для пленок из меди и серебра толщиной 350 нм получены при минимальных значениях шероховатости поверхности и средних размерах зерна.

Ключевые слова: электропроводность, тонкие пленки, медь, серебро.

I. Введение

Применение серебра в промышленном производстве электронных и оптических устройств обусловлено его высокой отражательной способностью, достигающей 98% при длине волны 500 нм, и наименьшим удельным сопротивлением по сравнению с другими металлов [1]. Высокая отражательная способность в видимом диапазоне длин волн, а также большая электропроводность определяют широкое применение покрытий из чистого серебра в производстве оптических отражателей и электрических контактов в микропроцессорной технологии [2].

Медные тонкопленочные покрытия широко используются в микроэлектронике благодаря низкому удельному электрическому сопротивлению, высокой теплопроводности и температуре плавления [3]. Наноструктури-рованные тонкие пленки из меди, сформированные на кремниевых подложках методом магнетронного распыления, используются для изготовления защитных электромагнитных экранов [4-5]. Тонкие медные пленки

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.