CC BY
42
Михайличенко Александр Валерьевич E-mail: [email protected].
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; аспирант.
Чередниченко Дмитрий Иванович
E-mail: [email protected]
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; профессор.
Dzhuplin Vladimir Nikolaevich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
2, Shevchenko Street, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371611.
The Department of Micro- and Nanoelectronics; Associate Professor.
Mikhaylichenko Alexandr Valer’evich
E-mail: [email protected].
The Department of Micro- and Nanoelectronics; Postgraduate Student.
Cherdnichenko Dmitry Ivanovich
E-mail: [email protected].
The Department of Micro- and Nanoelectronics; Professor.
УДК 621.315.592:539.213:539.217.5:541.64
НА. Макеева, Jly Пин, BA. Иванец, T.B. Семенистая, Н.К. Плуготаренко,
А.Н. Королев
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ОТКЛИКА НА ДИОКСИД АЗОТА ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА С ПОМОЩЬЮ МЕТОДОВ ТЕОРИИ САМООРГАНИЗАЦИИ*
Исследовано влияние морфологии поверхности материала на газочувствительные характеристики Cu-содержащих пленок полиакрилонитрша (ПАН) с применением теории самоорганизации.
Cu-
ПАН. Исследована морфология поверхности образцов методом атомно-силовой микроско-( ).
характеристики с позиций теории самоорганизации.
Металлорганические функциональные полимеры; сенсорный элемент; газочувствительные тонкоплёночные материалы.
N.A. Makeeva, Lu Ping, V.A. Ivanets, T.V. Semenistaya, N.K. Plugotarenko,
A.N. Korolev
FORECASTING THE RESPONSE TO NITROGEN DIOXIDE OF GAS-SENSING MATERIAL BASED ON POLYACRYLONITRILE WITH THE METHODS OF THE THEORY OF SELF-ORGANIZATION
The aim of this work was the study of the morphology of the surface of the material on the gas-sensitive characteristics of Cu-containing films of polyacrylonitrile (PAN) with application of the theory of self- organization.
* Данная работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и образования РФ (ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.», государственный контракт № 02.740.11.0122).
Conducting nanocomposite films based on Cu-containing PAN were received. The surface morphology of the samples by the method of atomic-force microscopy (AFM). The influence of the surface morphology of the films on their gas- sensitive characteristics from the standpoint of the theory of self- organization was determined.
rganometallic functional polymers; sensor element; gas- sensitive thin-film materials.
Введение. В последнее время развитие нау ки и техники требует создания новых материалов, обладающих специфическими физико-химическими свойствами. Исследуются пленки электропроводящих полисопряженных полимеров, свойства которых могут быть изменены в широких пределах путем изменения структуры и состава полимерной матрицы.
В области исследований свойств тонких пленок недостаточно изучено влияние их состава, морфологии поверхности и структуры на газочувствительные характеристики тонкопленочных материалов.
Знание механизмов образования пленок материала позволяет прогнозировать появление его различных структур, а также управлять его свойствами.
Целью данной работы явилось исследование влияния морфологии поверхности материала на газочувствительные характеристики медьсодержащих пленок ПАН с применением теории самоорганизации.
В работах [1-4] рассматриваются процессы формирования плёнок материалов с позиций теории самоорганизации, аппарат которой позволяет оценить степень хаотичности системы, не прибегая к полному ее описанию. Такой подход дает возможность управлять процессами формирования материала и прогнозировать его свойства.
Поскольку морфология поверхности плёнок отражает процессы, протекающие при формировании структуры материала, в качестве характеристики поверхности была выбрана функция распределения по высоте профиля пленок, так как в распределении вещества по поверхности содержится информация о пространственно-временной динамике формирования пленки [1, 5, 6].
Основным способом анализа динамики сложных систем является метод вло-. , -шифровано по любой динамической или пространственной характеристике, так как любой сигнал от системы содержит в себе информацию обо всех процессах ,
быть рассмотрены как единое целое. Таким образом, исследовать динамику систе-, -ные промежутки времени. Полученная последовательность данных обрабатывалась по алгоритму Г рассбергера-Прокаччиа.
Экспериментальная часть. По технологии [7] были получены образцы пленок ПАН с различным содержанием меди. Измерения сопротивления у полученных образцов пленок проводили с использованием тераомметра Е6 - 13А и мультиметра.
Определение газочувствительных характеристик полученных образцов осуществляли в измерительной камере при плотно закрытой крышке, оснащенной штуцерами для ввода и вывода газа. Газ подавали микропорциями в измеритель, . -верхностью образца производилась продувка камеры потоком воздуха. Чувствительность образца пленки к диоксиду азота оценивали с помощью коэффициента чувствительности S, который рассчитывали как отношение разности сопротивления образца в воздухе и в атмосфере детектируемого газа к сопротивлению его в воздухе.
Для выявления порядка в структуре поверхности пленки и анализа динамики ее формирования использовали экспериментальные данные, полученные с помощью ACM (микроскоп Solver P47 Pro в полуконтактном режиме). Морфология
поверхности исследуемых образцов плёнок в областях размером 5x5 мкм2 была обработана по методу вложения Такенса. Функция распределения по высоте профиля поверхности p=f(h) изучаемых пленок отсчитывалась от некоторого уровня h, принятого за нулевой.
С использованием программы Image Analysis обработали 65 536 точек изображения поверхности каждого образца для построения данной функции. Полученную последовательность значений функции обработали по алгоритму Грасс-бергера-Прокаччиа, построили зависимости D = f(ln г), где D - корреляционная размерность, г - длина грани куба в n-мерном пространстве [8] и использовали для нахождения первого показателя Ляпунова.
Фрактальная размерность (Бг) была рассчитана с использованием программы С\уус1с1юп по методу триангуляции.
Рис. 1. АСМ-изображения поверхности плёнки ПАН/Сы, 1 масс.% Си, термоотжиг при 200 ‘С в течение 840 .чин
01 2 34 5 б pm
Рис. 2. АСМ-изображения поверхности плёнки ПАН/Си, 2 масс.% Си, термоотжиг при 200 ‘С в течение 840 .чин
Результаты и их обсуждение. Исходя из результатов измерений величины поверхностного сопротивления и рассчитанных коэффициентов газочувствитель-ности полученных образцов, были выбраны образцы для анализа морфологии поверхности и обработки по методу вложения Такенса. Это было сделано с целью рассмотрения процесса формирования структуры материала с позиций теории самоорганизации и прогнозирования величины его отклика на N02.
-
(см. рис. 1-4).
Рис. 3. АСМ-изображение поверхности плёнки ПАН/Си, 3 масс.% Си, термоотжиг при 200 ‘С в течение 840 .чин
Рис. 4. АСМ-изображение поверхности плёнки ПАН/Си, 1 масс.% Си, ИК-отжиг в два этапа: при 200 ‘С в течение 10 .чин., при 500 ‘С в течение 10 .чин
Была проведена оценка степени организации поверхности образцов пленок: произведен расчет корреляционной и фрактальной размерности поверхности образцов, а также первого показателя Ляпунова, построены зависимости корреляционной размерности от длины грани куба в п-мерном пространстве (рис. 5).
Величина фрактальной размерности отражает развитость поверхности пленок, а корреляционная размерность Б - степень упорядоченности и самоорганизации поверхности пленки.
Первый показатель Ляпунова использовали в качестве количественной меры устойчивости структуры материала пленок.
3,5 1.4
Рис. 5. Зависимость D=f(log2r): а — ПАН/Сы, 1 масс.% Си, ИК-отжиг 200 ‘
10 мин., 500 £С 10 мин.; б — ПАН/Си, 1 масс.% Си, термоотжиг 200 ‘ 840мин.; в — ПАН/Си, 2 масс.% Си, термоотжиг 200 ‘ 840мин.; г — ПАН/Си, 3 масс.% Си,
термоотжиг 200 °С 840 мин
В табл. 1 представлены результаты расчётов размерности образцов и значения коэффициента газочувствительности выбранных медьсодержащих пленок ПАН.
По виду зависимостей, приведенных на рис. 5, и по положительному значению первого показателя Ляпунова можно судить о наличии самоорганизующихся структур во всех исследуемых образцах. Увеличение значения величины корреляционной размерности указывает на усложнение типа структурной орга-.
Величина фрактальной размерности и значение первого показателя Ляпунова образцов, полученных в одних и тех же технологических режимах, находятся в .
Из приведенных характеристик видно, что образец № 1 является наименее устойчивым и обладает наименьшими значениями коэффициента газочувстви-.
Оказалось, что поверхность образца № 3 характеризуется тремя типами структур с различной корреляционной размерностью. Этот образец обладает самыми высокими значениями коэффициента газочувствительности.
Таблица 1
Характеристика медьсодержащих пленок ПАН
№ п/п Образец Чувствительность при 20 °С, отн. ед. Концентрация N0^ ррт Величина корреля- ционной размерно- сти Б Величина фрактальной размерности Пер- вый показа- тель Ляпу- нова
73 146 219 292
1 ПАН/Си, 1 масс.% Си, ИК-отжиг 200 °С 10 мин., 500 °С в 10 мин 0,1 0,15 0,13 0,1 1,7 2,13 0,064
2 /Си, 1 масс.% Си, термоотжиг 200 °С 840 мин 0,33 0,35 0,27 0,2 0,9 2,29 0,043
3 /Си, 2 масс.% Си, термоотжиг 200 °С 840 мин 0,45 0,49 0,7 0,4 2 1,5 0,8 2,25 0,045
4 /Си, 3 масс.% Си, термоотжиг 200 °С 840 мин 0,39 0,18 0,1 - 1,5 2,27 0,042
Выводы. Таким образом, выбор технологических параметров определяет развитость, упорядоченность и устойчивость поверхности пленок материалов, что позволяет прогнозировать их газочувствительные свойства: упорядоченность и развитость поверхности пленок материалов обусловливает их высокие газочувствительные характеристики.
Авторы выражают благодарность сотрудникам НОЦ «Нанотехнологии» ЮФУ: профессору ОА. Агееву, магистранту Н.И. Сербу за помощь в проведении исследований методом АСМ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вихров СМ., Бодягин Н.В., Ларина ТТ., Муре алое СМ. Процессы роста неупорядоченных полупроводников с позиции теории самоорганизации // Физика и техника полупроводников. - 2005. - Т. 39, № 8. - С. 953-959.
2. Ава чева ТТ., Бодягин НМ., Вихров СМ., Муре алое СМ. Исследования самоорганизация
//
полупроводников. - 2008. - Т. 42, № 5. - С. 513-518.
3. . ., . ., . ., . . -
пости поверхности эпитаксиального п-ОаД8 в локальном пределе // Физика и техника полупроводников. - 2009. - Т. 43. № 1. - С. 38-47.
4. . ., . ., . .
примесей и О в 2п8е // Физика и техника полупроводников. - 2007. - Т. 41, № 2.
- С. 129-133.
5. . ., . ., . ., . ., . .,
Кушхов Х.Б. Получение нанокристаллических оксидных пленок сложного состава // Труды II межд. семинара «Теплофизические свойства веществ (жидкие металлы и сплавы, наносистемы)». - Нальчик: Каб.-Балк. ун-т, 2006. - С. 156-158.
6. Plugotarenco N.K., Nazarova T.N., Korolev A.N., Petrov V.V., Semenistaya T.V. Influence of processing methods on the surface morphology of the SiOx(SnOy) films for gas sensors applications // Sensor electronics and microsystem technologies. - 2006. - № 2. - P. 30-34.
7. Макеева НА., Нванец BA., Семенистая ТВ., Плуготаренко НК. Исследование особенностей формирования наноразмерных газочувствительных материалов на основе медьсодержащего полиакрилонитрила // Труды IV Международной научной конференции «Физико-химические основы формирования и модификации микро- и наноструктур».
- Харьков: НФТЦ МОН и НАН Украины, 2010. - Т. 2. - С. 464-468.
8. Андриевский РА., Рагуля AM. Наноструктурные материалы. - М.: Академия, 2005. - 190 с.
. . ., . .
Макеева Наталья Андреевна
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: [email protected].
347928, . , . , 2
Тел.: 88634371624.
Кафедра химии и экологии; аспирант.
Jly Пин
E-mail: [email protected].
Кафедра химии и экологии; аспирант.
Иванец Виктория Анатольевна
E-mail: [email protected].
Кафедра химии и экологии; магистрант.
Семенистая Татьяна Валерьевна E-mail: [email protected].
Кафедра химии и экологии; к.х.н.
Плуготаренко Нина Константиновна
E-mail: [email protected].
Кафедра химии и экологии; к.т.н.; доцент.
Королев Алексей Николаевич E-mail: [email protected].
Кафедра химии и экологии; заведующий кафедрой; д.т.н.; профессор.
Makeeva Natalia Andreevna
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
2, Shevchenko Street, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371624.
The Department of Chemistry and Ecology; Postgraduate Student.
Lu Ping
E-mail: [email protected].
The Department of Chemistry and Ecology; Postgraduate Student.
Ivanets Victoria Anatoljevna
E-mail: [email protected].
The Department of Chemistry and Ecology; Undergraduate Student.
Semenistaya Tatiana Valerjevna
E-mail: [email protected].
The Department of Chemistry and Ecology; Cand. of Ch. Sc.
Plugotarenko Nina Konstantinovna
E-mail: [email protected].
The Department of Chemistry and Ecology; Cand. of Eng. Sc.; Associate Professor.
Korolev Alexey Nikolaevich
E-mail: [email protected].
The Department of Chemistry and Ecology;
Head of Department; Dr. of Eng. Sc., Professor.
УДК 681.586.72:543.27.08
AT. Захаров, С А. Богданов, АЛ. Лытюк
МОДЕЛИРОВАНИЕ АДСОРБЦИОННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ НАНОКОМПОЗИТНЫХ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ*
Представлена модель расчета адсорбционной чувствительности тонкопленочных структур на основе нанокомпозитных полупроводников. Результаты моделирования сви-,
быть в первом приближении использована для расчета адсорбционной чувствительности тонкопленочных структур на основе нанокомпозитных полупроводников и прогнозирования оптимальных режимов функционирования сенсорных элементов.
Адсорбционная чувствительность; нанокомпозитный полупроводник; уровень Ферми; уравнение Пуассона; электростатический потенциал; сопротивление чувствительного .
A.G. Zaxarov, S.A. Bogdanov, A.A. Ly'tyuk MODELLING OF ADSORPTION SENSITIVITY OF NANOCOMPOSITE SEMICONDUCTORS BASED THIN FILM STRUCTURES
Model for calculation of adsorption sensitivity of nanocomposite semiconductors
based thin film structures is presented in the article. Results of modeling indicate that the model is physically adequate and can be exploited for approximate calculation of adsorption sensitivity of nanocomposite semiconductors based thin layer structures and prognostication of sensors optimal operation regimes.
Adsorption sensitivity; nanocomposite semiconductor; Fermi level; Poisson equation; electrostatic potential; sensitive layer resistivity.
Развитие систем автоматического управления и контроля производства, повышение требований охраны труда и экологической безопасности стимулируют повышенный интерес к разработке сенсоров различных физических и химических , , . них являются полупроводниковые сенсоры, принцип действия которых основан на изменении электрофизических свойств и характеристик чувствительного слоя (ЧС) сенсора в результате физико-химических процессов на границе раздела ЧС - газо-.
В настоящее время актуальной проблемой является изучение влияния газовой среды на физические свойства тонких пленок на основе нанокомпозитных по-
* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования РФ (ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.», гос. контракт № 02.740.11.0122.)
