CC BY
32
19. Krotov V.I., Malyshev I.V. Fenomenologicheskaya teoriya diffuzionnykh svoystv nositeley zaryada v sverkhreshetkakh i poluprovodnikakh s proizvol'nym zakonom dispersii [Phenome-nological theory of diffusion properties of charge carriers in superlattices and semiconductors with an arbitrary law of dispersion], Elektronnaya tekhnika. Ser. 6: Materialy [Electronics. Series: Materials], 1984, Issue 1 (186), pp. 42-45.
20. Malyshev I.V., Fil K.A., Goncharova A.A. The Behavior Analysis of the Current Density Hot Carriers Variable Component in Semiconductors of AInBV Type, 2017 International Conference on «Physics and Mechanics of New Materials and There Applications» (PHENMA 2017), Jabalpur, India, pp. 166-167.
21. Malyshev I.V., Parshina N.V. Uchet vliyaniya diffuzionnoy komponenty toka goryachikh nositeley v vykhodnoy ob"emnoy provodimosti sovremennykh poluprovodnikovykh struktur [Accounting for the influence of the diffusion component of the hot carrier current in the output volume conductivity of modern semiconductor structures], Nauchnyy zhurnal KubGAU [Scientific Journal of KubSAU], 2017, No. 134 (10), pp. 1-6. Available at: http://ej.kubagro.ru/2017/ 10/pdf/79.pdf.
22. Malyshev I.V., Fil' K.A., Goncharova O.A. Analiz chastotnykh kharakteristik parametrov ob"emnoy provodimosti poluprovodnikov tipa AIIIBV v sil'nykh elektricheskikh polyakh [Analysis of frequency characteristics of volume conductivity parameters of AIIIBV type semiconductors in strong electric fields], Nauka i obrazovanie na rubezhe tysyacheletiy: Cb. nauchno-issledovatel'skikh rabot [Science and education at the turn of the Millennium: Collection of research papers]. Issue 1. Kislovodsk, 2017, pp. 140-144.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор Н.Н. Смирнов.
Малышев Игорь Владимирович - Южный федеральный университет; e-mail: [email protected]; 347915, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2; тел.: 89185372656; к.т.н.; доцент.
Осадчий Евгений Николаевич - e-mail: [email protected]; тел.: 89281727627; к.т.н.; доцент.
Malyshev Igor Vladimirovich - Southern Federal University; e-mail: [email protected]; 2, Shevchenko street, Taganrog, 347915, Russia; phone: +79185372656; cand. of eng. sc.; associate professor.
Osadchy Eugeny Nikolaevich - e-mail: [email protected]; phone: +79281727627; cand. of eng. sc.; associate professor.
УДК 621.382.2/3:544.6.018.2:544.6.018.47-039.7 DOI 10.23683/2311-3103-2019-6-85-94
М.Н. Григорьев, Т.С. Михайлова, Т.Н. Мясоедова
РЕЗИСТИВНЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЙ-УГЛЕРОДНЫХ ПЛЕНОК ДЛЯ СЕНСОРОВ ГАЗОВ
Представлены результаты работ по разработке резистивных структур сенсорных элементов на основе кремний-углеродных пленок, которые, согласно литературным данным, обладают высокой стабильностью. Кремний-углеродные пленки получали методом электрохимического осаждения из раствора гексаметилдисилазана с метанолом в соотношении 1:9. В качестве подложек для изготовления резистивных структур сенсоров использовали структуры двух типов: диэлектрическую подложку с высокоомным подслоем хрома и диэлектрическую подложку с подслоем меди в виде группы тонких щелей. Кремний-углеродные пленки осаждали на поверхность при плотности тока 50 мА/см2. При этом время осаждения на подложки из поликора с высокоомным подслоем хрома составило 30 мин, а на диэлектрическую подложку с подслоем меди в виде группы тонких щелей -4 часа. Структура полученных образцов была изучена с использованием метода раманов-ской спектроскопии. Показано, что кремний-углеродные пленки обладают сложной структурой, включающей различные фазы карбида кремния, графита и алмаза. Газочувствительные свойства резистивных структур были оценены по отношению к оксиду углеро-
да и метану с концентрациями 16 и 297 ppm соответственно при рабочей температуре 200 °С. Бъти изучены электрофизические характеристики резистивных структур методом вольтамперометрии, а также методом Мотта-Шоттки, позволяющим оценить тип проводимости кремний-углеродных пленок в составе разработанных резистивных структур. Определено, что резистивные структуры обоих типов демонстрируют проводимость p-типа при комнатной температуре, а резистивная структура на диэлектрической подложке с подслоем меди, на котором методом фотолитографии сформированы группы щелей размером 80-100 мкм для осаждения кремний-углеродной пленки, изменяет тип проводимости при нагревании до 200 С с p на п.
Кремний-углеродные пленки; электрохимическое осаждение; сенсор газа; резистивная структура; метод Мотта-Шоттки.
M.N. Grigoryev, T.S. Mikhailova, T.N. Myasoedova
RESISTIVE STRUCTURES BASED ON SILICON-CARBON FILMS FOR GAS
SENSORS APPLICATION
The paper presents the results of work on the development of resistive structures of sensor elements based on silicon-carbon films, which according to the literature data have high stability. Silicon-carbon films were prepared by electrochemical deposition from a solution of hexamethyldisilazane with methanol in a ratio of 1:9. Two types of structures were used as substrates for the manufacture of resistive sensor structures: a dielectric substrate with a high resistance chromium sublayer and a dielectric substrate with a copper sublayer in the form of a group of thin slits. Silicon-carbon films were deposited on the surface at a current density of 50 mA / cm2. In this case, the deposition time on the substrate of polycor with a high resistance chromium sublayer was 30 minutes, and on the dielectric substrate with a copper sublayer in the form of a group of thin slits-4 hours. The structure of the obtained samples was studied using the method of Raman spectroscopy. It is shown that silicon-carbon films have a complex structure including various phases of silicon carbide, graphite and diamond. Gas sensing properties of sensor elements was evaluated against carbon monoxide and methane with concentrations of 16 and 297ppm, respectively at operating temperature of200°C. was studied electrophysical characteristics of RC structures by voltammetry as well as by Mott -Schottky, allowing to estimate the conductivity type of silicon-carbon films composed of designed RC structures. It was determined that the resistive structures of both types demonstrate p-type conductivity at room temperature, and the resistive structure on a dielectric substrate with a copper sublayer changes the type of conductivity when heated to 200 Сfrom p to n.
Silicon-carbon films; electrochemical deposition; gas sensor; resistive structure; Mott-Schottky method.
Введение. Микроэлектроника и электронные технологии активно используются во всех сферах жизни современного общества и влияют на уровень его развития, что позволяет говорить о высокой значимости данной области науки и техники. Успехи самой микроэлектроники зависят от свойств применяющихся в ней материалов, от возможностей используемой технологии при создания различных устройств. От материалов и технологий напрямую зависят параметры и характеристики микроэлектронных изделий. Все это указывает на необходимость и важность исследований в области новых материалов и разработки технологий их получения. К таким новым материалам можно отнести, в том числе, кремний-углеродные пленки (КУП). В частности, выбор структур на основе КУП в качестве газочувствительного материала сенсоров обуславливается их термостойкостью, устойчивостью к агрессивным средам, широким диапазоном удельного сопротивления, хорошей теплопроводностью и наличием высокой площади поверхности, а у определенных образцов также возможностью создания металлсодержащих нано-композитов из различных металлов на их основе [1-5].
В настоящее время широко распространены химические газовые сенсоры на основе твердотельных полупроводников. Основным их преимуществом является относительная простота конструкции, низкая стоимость изготовления, высокая надежность. По принципу работы чувствительного элемента все химические сенсоры подразделяются на четыре группы: электрохимические, оптические, масс-чувствительные, теплочувствительные [6].
Полупроводниковые газовые сенсоры по типу конструкции делятся на рези-стивные полупроводниковые и структуры металл - диэлектрик - полупроводник (МДП - структуры) или металл - полупроводник (диод Шоттки) [7].
В газовой сенсорике используются две МДП - структуры: МДП - конденсаторы МДП - транзисторы [8]. Принцип работы МДП - конденсатора заключается в изменение вольт - фарадной характеристики в процессе адсорбции атомов газа на поверхность затвора. В МДП - транзисторах происходит изменение порогового напряжения, которое ведет к сдвигу вольт - амперной характеристики. Таким образом, в этих структурах затвор является чувствительным элементом, а процесс адсорбции газов на затворе меняет его поверхностный заряд и соответственно потенциал, это изменение пропорционально количеству адсорбированного газа. Механизм газочувствительности сенсоров на основе диодов Шоттки заключается в изменении заряда на границе металл/полупроводник, что приводит к изменению тока диода.
Резистивные полупроводниковые сенсоры газов в настоящее время являются наиболее коммерчески доступными, так как сочетание тонко- и толстопленочных технологий позволяет создать очень дешевое и массовое производство этих сенсоров. Наиболее исследованные и широко представленные сенсоры резистивного типа - это сенсоры на основе полупроводниковых оксидов металлов (ПОМ), таких как SnO2, ZnO, WO3, Fe2O3, а также на основе многокомпонентных
нанокомпозитных пленок на их основе [9].
В общем случае сенсор резистивного типа представляет собой небольшую диэлектрическую подложку, на которую нанесен газочувствительный слой, измерительные контакты и нагревательный элемент. Нагревательный элемент необходим, поскольку процессы, протекающие на поверхности полупроводника при хе-мосорбции газов, зависят от температуры. Диапазон рабочих температур сенсоров на основе ПОМ составляет 200-400 °С.
Сенсоры резистивного типа на основе ПОМ обладают высокой чувствительностью (до 1 ррт для водорода и ряда других газов), быстродействием (несколько десятков секунд), миниатюрностью и небольшой стоимостью при массовом производстве [10]. Однако, для того чтобы добиться такого быстродействия и чувствительности, сенсоры нагревают до высоких температур, что приводит к деградации газочувствительного слоя и выходу прибора из строя, поэтому необходимо использовать композитные материалы на основе ПОМ для повышения стабильности и термической устойчивости.
Целью данной работы является разработка резистивных структур сенсоров газов, на основе кремний-углеродных пленок, полученных методом электрохимического осаждение, и исследование их электрофизических свойств.
Эксперимент. В данной работе были исследованы два типа резистивных структур, на основе кремний-углеродных пленок, полученных методом электрохимического осаждения из органических растворов. Принцип работы резистивных структур основан на регистрации изменения электрического сопротивления при внешнем воздействии, например, при воздействии газов или паров различных веществ [11]. Для получения КУП был использован метод электрохимического осаждения, применение и особенности реализации которого были подробно обосно-
ваны в работах [12, 13]. Особенностью метода, электрохимического осаждения является возможность формирования пленок только на электропроводящих поверхностях, что приводит к тому, что весь электрический ток резистивных структур будет протекать через этот высокопроводящий, по сравнению с КУП, слой. Для устранения этого явления были разработаны конструкции резистивных структур двух типов: 1) структура на поликоре с высокоомным подслоем хрома; 2) структура с КУП между группами тонких щелей из проводящих материалов на диэлектрике. Для реализации данных структур сенсоров были разработаны технологические процессы, охарактеризованные ниже (табл. 1).
Таблица 1
Этапы технологического процесса изготовления резистивных структур
на основе КУП
Структура с высокоомным подслоем хрома (Тип 1) Структура на диэлектрике с медным подслоем с группой щелей (Тип 2)
I. Очистка подложки в перекисно-аммиачном растворе. Материал: поликор ВК-100. Габариты: 60х48х1 мм. I. Нарезка подложки на образцы. Материал подложки: R03000 c толщиной пленки меди 9 мкм. Размер образцов: 24х20х0,5 мм.
II. Нанесение подслоя методом магнетронного распыления. Материал подслоя: хром &. Толщина подслоя: ~ 10 нм. Поверхностное сопротивление ~ 200 Ом/а II. Нанесение и сушка фоторезиста.
III. Нарезка подложки на образцы. Размер образцов: 24х15х1 мм. III. Экспонирование и проявление фоторезиста.
IV. Осаждение кремний - углеродной пленки электрохимическим методом. IV. Травление меди.
V. Формирование электрических контактов (хром - медь - хром), с помощью магнетронного распыления через маску. Толщина контактов: ~ 3 мкм. V. Удаление фоторезиста. Ширина сформированных щелей ~ 80-100 мкм.
VI. Осаждение кремний-углеродной пленки электрохимическим методом в щели
Осаждение кремний-углеродной пленки осуществлялось из раствора на основе гексаметилдисилазана и метанола (соотношение 1:9) при плотности тока 50 мА/см2 Время осаждения зависело от типа структуры. Так, длительность осаждения на структуру с высокоомным подслоем хрома составила 30 мин, а на структуру с группами щелей на проводящем подслое - 4 часа. При этом толщина пленки, оцененная методом интерференционной микроскопии, составила 500 нм и 4 мкм для структур Тип 1 и Тип 2, соответственно. Схематично изображение изготовленных резистивных структур представлено на рис. 1.
Изучение структуры кремний-углеродных пленок. Кремний-углеродные пленки в составе резистивных структур были исследованы методом рамановской спектроскопии (рис. 2).
Рис. 1. Схематичные изображения конструкций сенсорных элементов:
а - Тип 1; б - Тип 2
Рис. 2. Рамановские спектры кремний-углеродных пленок в составе резистивных
структур: 1 - Тип 1; 2 - Тип 2
На спектрах присутствуют пики, отнесенные к связям Si-C при 580,62 см-1 и 620,9 см-1 для пленок в составе структур Тип 1 и Тип 2, соответственно. Присутствие двух пиков в диапазоне 1000-1700 см-1 характерно для углеродных кластеров (в: 1500 - 1600 см-1 и D: 1330 - 1350 см-1). Пик D наблюдался в обоих спектрах комбинационного рассеяния, тогда как пик G наблюдался только в спектрах для пленки в составе структуры Тип2 при ~1586 см-1. Пик G отвечает за sp2 связи, соответствующие тем, которые наблюдаются в графите. Пик D наблюдается при ~1339 (Тип 1) и 1342,27 (Тип 2) см-1, он отвечает за связи sp3, наблюдаемым в алмазе [14]. Установлено, что пики 1196 см-1 и 1185,6 см-1 определяются наличием нанокристаллических фаз алмаза [15].
Интенсивности пиков D и G КУП в составе структуры Тип 1 были выше, чем для КУП в составе Тип 2. Высокая интенсивность пика D подтверждает наличие ненасыщенных углеводородов на поверхности наночастиц фаз карбида кремния SiC [16].
Исследование электрофизических свойств и механизма проводимости. Исследование вольт--амперных характеристик (ВАХ) для электрических контактов резистивных структур на основе КУП показало, что характер кривых ВАХ соответствует омическим контактам, сопротивление которых не зависит от величины напряжения и его знака, для обоих образцов (рис. 4).
Исследования газочувствительных характеристик сенсорных элементов проводили по отношению к газам восстановителям СН4 и СО.
Для проведения исследований газовой чувствительности в измерительную камеру, оснащенную нагревательным элементом, помещался исследуемый образец. Нагрев образца сенсорного элемента осуществлялся источником постоянного тока. В камеру подавался газ заданной концентрации. При этом происходило из-
менение поверхностного сопротивления пленки. После максимального изменения сопротивления, осуществлялась продувка камеры воздухом. Результаты измерения заносились в память персонального компьютера, где хранились до их последующей обработки.
I (мкА) 0.4 0.3 0.2 0.1
-5 -4 -3 -2
а)
I(мкА) 40 б)
30. >
20.
10
5 4 -iJs^AH 1 2 3 4 5
-20. U (В)
-30.
-40.
1 2 3 4 5
U (В)
Рис. 4. ВАХ для электрических контактов резистивных структур: а - Тип 1; б - Тип 2
Типичные динамические характеристики двух типов резистивных структур при 200 °С показаны на рис. 5. Соотношение сигнал/шум при откликах пленок на газ будет тем меньше, чем меньше концентрация газа. Порог чувствительности устанавливают обычно при соотношении сигнал/шум равным 3 [17], что и было принято за минимальное соотношение для определения того, что отклик есть. У исследованных пленок отклик слабый, поэтому на рисунке заметны шумы, т.к. шкала представлена на узком диапазоне сопротивлений.
СЕЪ 297 ррш
О С£
0,345
s. |
s СО 16 ppi
200 400
Время, сек:
а
200 400
Врем |Г с
б
Рис. 5. Динамические кривые отклика сенсоров различной структуры:
а - Тип 1; б - Тип 2
При изучении газочувствительных характеристик разрабатываемых сенсорных элементов было установлено, что при рабочих температурах резистивная структуры Тип 1 Тип 2 обладают p- и п-типом проводимости, соответственно. Для понимания природы проводимости были проведен анализ по методу Мотта-Шоттки [18] с применением метода импендансометрии. При этом был измерен импеданс структур на основе КУП в диапазоне потенциалов от -0,5 до +0,5 в растворе 3 М КОН. В качестве электрода сравнения использовали хлорсеребряный электрод, а в качестве вспомогательного электрода - графитовую пластинку.
Для определения типа проводимости строят график Мотта-Шоттки, который представляет собой кривую зависимости квадрата обратной емкости от величины потенциала. Данный потенциал обычно подается в диапазоне частот 3-10 кГц. По характерным наклонам построенной кривой определяют тип проводимости пленок. Емкость рассчитывается через импеданс измеряемой системы электрод -раствор по уравнению [19]:
2*7T*f*Z'
где f - частота сигнала (Гц), Ъ - полный импеданс системы (Ом).
На рис. 6 представлены графики Мотта-Шоттки для двух типов структур, имеющие как отрицательные (п-тип проводимости), так и положительные (р-тип проводимости) наклоны в линейных областях графиков, что связано с многофазной структурой пленок, подтвержденной методом рамановской спектроскопии. Установлено, что отрицательные наклоны (п-тип проводимости) на обоих графиках ниже, тогда как положительные наклоны для р-типа выше, что подразумевает низкую плотность носителей заряда и невысокую проводимость области п-типа [20]. Таким образом, мы предполагаем, что резистивные структуры обоих типов демонстрируют проводимость р-типа при комнатной температуре.
Потспцнал, В
Рис. 6. Графики Мотта-Шоттки для КУП (частота 5 кГц)
При этом структура Типа 2 демонстрирует n-тип проводимости при 200 °C, что говорит о том, что проводимость КУП может изменяться при нагреве. Этот факт может быть объяснен структурой кремний-углеродной пленки, образованной в результате электрохимического осаждения. Данные рамановской спектроскопии (рис. 2) показывают большую долю упорядоченных фаз 6H SiC и графитовых фаз n-типа, проводимость которых активируется температурой [21].
Заключение. Резистивные структуры на основе КУП показали отклик по отношению к СО и СН4 при 200 °С.
Также, было показано, что конфигурация резистивной структуры сенсора оказывает значительное влияние на его электрофизические свойства.
Так резистивная структура на диэлектрической подложке с подслоем меди, на котором методом фотолитографии сформированы группы щелей размером 80100 мкм для осаждения кремний-углеродной пленки, изменяет тип проводимости при нагревании до 200 °С с p на n, что может быть связано с наличием фаз карбида кремния с n-типом проводимости, которые активирует при нагреве.
Для усиления газочувствительных свойств сенсоров на основе КУП, необходимо внедрение металлсодержащих частиц в кремний-углеродную матрицу.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Liu A.Y., Cohen M.L. Prediction of new low compressibility solids // Science. - 1989. - Vol. 245. - P. 841-842.
2. Kouakou P., Brien V., Assouar B. [et al.] Preliminary synthesis of carbon nitride thin films by N2/CH4 microwave plasma assisted chemical vapour deposition: characterisation of the discharge and the obtained films // Plasma Process. Polym. - 2007. - Vol. 4. - P. S210-S214.
3. ЧаплыгинЮ.А. Нанотехнологии в электронике. - М.: Техносфера, 2005. - 448 с.
4. Файнер Н.И. От кремнийорганических соединений-предшественников - к многофункциональному карбонитриду кремния // Журнал общей химии. - 2012. - Т. 82. - Вып. 1.
- С. 47-56.
5. DingX.-Z. [et al.]. Structural and mechanical properties of Ti-containing diamond-like carbon films deposited by filtered cathodic vacuum arc // Thin Solid Films. - 2002. - Vol. 408, No. 1.
- P. 183-187.
6. Lundstrom I. Gas sensors // Sensors and Actuators B. - 1996. - Vol. 35. - P. 11-19.
7. Васильев Р.Б., Рябова Л.И., Румянцева М.Н. [и др.]. Полупроводниковые газовые датчики // Успехи химии. - 2004. - Т. 73. - С. 1019-1038.
8. Агеев О.А., Мамиконова В.М., Петров В.В. [и др.]. Микроэлектронные преобразователи неэлектрических величин: учеб. пособие. - Таганрог: ТРТУ, 2000. - 153 с.
9. Петров В.В., Королев А.Н. Наноразмерные оксидные материалы для сенсоров газов.
- Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2008. - 152 с.
10. Обвинцева Л.А. Полупроводниковые металлооксидные сенсоры для определения химически активных газовых примесей в воздушной среде // Российский химический журнал. - 2008. - № 2. - С. 113-121.
11. Николаев Ю.Н., Пинигин М.А. Повышение эффективности контроля уровня загрязнения атмосферного воздуха // Датчики и системы. - 2013. - № 1. - С. 49-51.
12. Григорьев М.Н., Михайлова Т.С., Мясоедова Т.Н. Получение кремний-углеродных пленок на электропроводящей и диэлектрической подложках методом электрохимического осаждения // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2018. - № 7 (201). - С. 56-66.
13. GrigoryevM.N, Myasoedova T.N, Mikhailova T.S. The electrochemical deposition of silicon -carbon thin films from organic solution. - http://iopscience.iop.org/issue/1742-6596/1124/8.
14. Ferrari A.C., Robertson J. Raman spectroscopy of amorphous, nanostructured, diamond-like carbon, and nanodiamond // J. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. - 2004. - Vol. 362. - P. 2477-2512.
15. Chu P.K., Liuhe Li. Characterization of amorphous and nanocrystalline carbon films // Material chemistry and Physics. - 2006. - Vol. 96. - P. 253-277.
16. Iijima M., Kamiya H. Surface modification of silicon carbide nanoparticles by Azo Radical Initiators // J. Phys. Chem. C. - 2008. - Vol. 112. - P. 11786-11790.
17. Ren M., Kang X., Li L. Electrochemical sensor based on Ni/reduced graphene oxide nanohybrids for selective detection of ascorbic acid // J. Dis. Sci. and Tech. - 2019.
18. Swain G., Sultana S., Naik B., Parida K. Coupling of crumpled-type novel MoS2 with CeO2 nanoparticles: a noble-metal-free p-n heterojunction composite for visible light photocatalytic H2 production // ACS Omega. - 2017. - Vol. 2, Issue 7. - P. 3745-3753.
19. Жерин И.И. [и др.]. Основы Электрохимических методов анализа. - Томск: Томский политехнический университет, 2013. - 101 с.
20. Liu Y., Yu Y.-X., Zhang W.-D. MoS2/CdS heterojunction with high photoelectrochemical activity for H2 evolution under visible light: the role of MoS2 // J. Phys. Chem. C. - 2013. - Vol. 117, Issue 25. - P. 12949-12957.
21. Zhang H., Feng J., Fei T. [et al.]. SnO2 nanoparticles-reduced graphene oxide nanocomposites for NO2 sensing at low operating temperature // Sens. Actuators B. Chem. - 2014. - Vol. 190.
- P. 472-478.
REFERENCES
1. Liu A.Y., Cohen M.L. Prediction of new low compressibility solids, Science, 1989, Vol. 245, pp. 841-842.
2. Kouakou P., Brien V., Assouar B. [et al.] Preliminary synthesis of carbon nitride thin films by N2/CH4 microwave plasma assisted chemical vapour deposition: characterisation of the discharge and the obtained films, Plasma Process. Polym., 2007, Vol. 4, pp. S210-S214.
3. Chaplygin Yu.A. Nanotekhnologii v elektronike [Nanotechnology in electronics]. Moscow: Tekhnosfera, 2005, 448 p.
4. Fayner N.I. Ot kremniyorganicheskikh soedineniy-predshestvennikov - k mnogofunktsional'nomu karbonitridu kremniya [From organosilicon precursor compounds to multifunctional silicon carbonitride], Zhurnal obshchey khimii [Journal of General chemistry], 2012, Vol. 82, Issue 1, pp. 47-56.
5. Ding X.-Z. [et al.]. Structural and mechanical properties of Ti-containing diamond-like carbon films deposited by filtered cathodic vacuum arc, Thin Solid Films, 2002, Vol. 408, No. 1, pp. 183-187.
6. Lundstrom I. Gas sensors, Sensors and Actuators B, 1996, Vol. 35, pp. 11-19.
7. Vasil'ev R.B., Ryabova L.I., Rumyantseva M.N. [i dr.]. Poluprovodnikovye gazovye datchiki [Semiconductor gas sensors], Uspekhi khimii [Advances in chemistry], 2004, Vol. 73, pp. 1019-1038.
8. Ageev O.A., Mamikonova V.M., Petrov V.V. [i dr.]. Mikroelektronnye preobrazovateli neelektricheskikh velichin: ucheb. posobie [Microelectronic converters of non-electric quantities: a textbook]. Taganrog: TRTU, 2000, 153 p.
9. Petrov V. V., Korolev A.N. Nanorazmernye oksidnye materialy dlya sensorov gazov [Nanoscale oxide materials for gas sensors]. Taganrog: TTI YuFU, 2008, 152 p.
10. Obvintseva L.A. Poluprovodnikovye metallooksidnye sensory dlya opredeleniya khimicheski aktivnykh gazovykh primesey v vozdushnoy srede [Semiconductor metal oxide sensors for determining chemically active gas impurities in the air], Rossiyskiy khimicheskiy zhurnal [Russian chemical journal], 2008, No. 2, pp. 113-121.
11. Nikolaev Yu.N., Pinigin M.A. Povyshenie effektivnosti kontrolya urovnya zagryazneniya atmosfernogo vozdukha [Improving the efficiency of monitoring the level of air pollution], Datchiki i sistemy [Sensors and systems], 2013, No. 1, pp. 49-51.
12. Grigor'ev M.N., Mikhaylova T.S., Myasoedova T.N. Poluchenie kremniy-uglerodnykh plenok na elektroprovodyashchey i dielektricheskoy podlozhkakh metodom elektrokhimicheskogo osazhdeniya. [Preparation of silicon-carbon films on electrically conductive and dielectric substrates by electrochemical deposition], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2018, No. 7 (201), pp. 56-66.
13. GrigoryevM.N, Myasoedova T.N, Mikhailova T.S. The electrochemical deposition of silicon -carbon thin films from organic solution. Available at: http://iopscience.iop.org/issue/1742-6596/1124/8.
14. Ferrari A.C., Robertson J. Raman spectroscopy of amorphous, nanostructured, diamond-like carbon, and nanodiamond, J. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A, 2004, Vol. 362, pp. 2477-2512.
15. Chu P.K., Liuhe Li. Characterization of amorphous and nanocrystalline carbon films, Material chemistry and Physics, 2006, Vol. 96, pp. 253-277.
16. Iijima M., Kamiya H. Surface modification of silicon carbide nanoparticles by Azo Radical Initiators, J. Phys. Chem. C, 2008, Vol. 112, pp. 11786-11790.
17. Ren M., Kang X., Li L. Electrochemical sensor based on Ni/reduced graphene oxide nanohybrids for selective detection of ascorbic acid, J. Dis. Sci. and Tech., 2019.
18. Swain G., Sultana S., Naik B., Parida K. Coupling of crumpled-type novel MoS2 with CeO2 nanoparticles: a noble-metal-free p-n heterojunction composite for visible light photocatalytic H2 production, ACS Omega, 2017, Vol. 2, Issue 7, pp. 3745-3753.
19. Zherin I.I. [i dr.]. Osnovy Elektrokhimicheskikh metodov analiza [Fundamentals of Electrochemical analysis methods]. Tomsk: Tomskiy politekhnicheskiy universitet, 2013, 101 p.
20. Liu Y., Yu Y.-X., Zhang W.-D. MoS2/CdS heterojunction with high photoelectrochemical activity for H2 evolution under visible light: the role of MoS2, J. Phys. Chem. C, 2013, Vol. 117, Issue 25, pp. 12949-12957.
21. Zhang H., Feng J., Fei T. [et al.]. SnO2 nanoparticles-reduced graphene oxide nanocomposites for NO2 sensing at low operating temperature, Sens. Actuators B. Chem., 2014, Vol. 190, pp. 472-478.
Статью рекомендовала к опубликованию к.т.н., доцент Т. А. Бедная.
Григорьев Михаил Николаевич - АО «ТНИИС»; e-mail: [email protected];
347913, г. Таганрог, ул. Седова, 3; инженер.
Михайлова Татьяна Сергеевна - Южный федеральный университет; e-mail:
[email protected]; 347928, г. Таганрог, ул. Чехова, 2; кафедра техносферной безопасности и химии; аспирант.
Мясоедова Татьяна Николаевна - e-mail: [email protected]; кафедра техносферной
безопасности и химии; к.т.н.; доцент.
Grigoryev Mikhail Nikolaevich - JSC «TNIIS»; e-mail: [email protected]; 3, Sedova street, Taganrog, 347913, Russia; engineer.
Mikhailova Tatiana Sergeevna - Southern Federal University; the department of technospheric safety and chemistry, e-mail: [email protected]; 2, Chekhova street, Taganrog, 347928, Russia; the department of technospheric safety and chemistry; postgraduate student.
Myasoedova Tatiana Nikolaevna - e-mail: [email protected]; the department of technospheric safety and chemistry; cand. of eng. sc.; associate professor.
УДК 620.3; 533.6.08; 53.06 DOI 10.23683/2311-3103-2019-6-94-100
В.В. Петров, А.П. Старникова
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ГАЗА НА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ МАССИВА НАНОСТЕРЖНЕЙ ОКСИДА
ЦИНКА*
Известно, что наноструктурированные материалы на основе оксидных полупроводников имеют большой потенциал для практического применения. В частности, наноструктуры на основе оксида цинка (ZnO) используются для изготовления чувствительных элементов газовых датчиков, фото- и пьезопреобразователей и харвестеров энергии. Оксидные полупроводники обладают значительной температурной зависимостью сопротивления. В связи с этим была проведена экспериментальная и теоретическая оценка влияния скорости потока газа на сопротивление сенсорного элемента на основе массива ZnO наностержней. Было показано, что чувствительный элемент на основе массива ZnO наностержней может быть использован для измерения малых скоростей потока газа. Массивы ZnO наностержней были выращены на стеклянной подложке с применением химических технологий и имели преимущественно вертикальную ориентацию с высотой 590-660 нм и средний поперечный размер около 30-40 нм. Поверх наностержней наносилась контактная металлизация V-Cu-Ni толщиной 0,2-0,3 мкм. В дальнейшем, были измерены зависимости электрического сопротивления сформированного чувствительного элемента от температуры и от скорости потока воздуха. Было показано, что при подаче потока воздуха со скоростью от 0 до 12,5 см3/с на нагретый до 200 0С чувствительный элемент, его сопротивление линейно растет в пределах до 20%. Расчеты, проведенные на основе температурной зависимости сопротивления показали, что такое увеличение сопротивления чувствительного элемента соответствует снижению температуры ZnO на-ностержней на 4 градуса. Проведенные теоретические оценки показали, что причиной увеличения сопротивления является снижение на несколько градусов температуры свободных концов ZnO наностержней при их обдуве потоком воздуха.
Наноструктуры; оксид цинка; наностержни оксида цинка; электрическое сопротивление; скорость потока газа.
V.V. Petrov, A.P. Starnikova
RESEARCH OF THE INFLUENCE OF GAS FLOW SPEED ON THE ELECTRIC RESISTANCE OF A SENSOR ELEMENT BASED ON AN ARRAY OF ZINC OXIDE NANORODS
It is known that nanostructured materials based on oxide semiconductors have great potentialfor practical application. In particular, zinc oxide (ZnO) nanostructures are used to manufacture sensitive elements ofgas sensors, photo and piezoelectric transducers, and energy harvesters. Oxide semiconductors have a significant temperature dependence of resistance. In this regard, an experimental and theoretical assessment was made of the effect of the gas flow rate on the resistance ofa sensor element based
* Исследование выполнено при частичной финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-29-11019.
