Научная статья на тему 'Синтез и свойства нанокристаллических пленок диоксида олова, полученных методом пиролиза аэрозолей'

Синтез и свойства нанокристаллических пленок диоксида олова, полученных методом пиролиза аэрозолей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
487
227
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПИРОЛИЗ АЭРОЗОЛЕЙ / ДИОКСИД ОЛОВА / ГАЗОВЫЙ СЕНСОР / ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ / КРИСТАЛЛИТ

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Печерская Римма Михайловна, Печерская Екатерина Анатольевна, Метальников Алексей Михайлович, Кондрашин Владислав Игоревич, Соловьев Виталий Анатольевич

Рассмотрен метод пиролиза аэрозолей формирования нанокристаллических пленок SnО 2 для сенсорных микросистем. Выявлена корреляция между условиями синтеза и размером кристаллитов SnО 2.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Печерская Римма Михайловна, Печерская Екатерина Анатольевна, Метальников Алексей Михайлович, Кондрашин Владислав Игоревич, Соловьев Виталий Анатольевич

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

Текст научной работы на тему «Синтез и свойства нанокристаллических пленок диоксида олова, полученных методом пиролиза аэрозолей»

УДК 621.382; 537.312

Р. М. Печерская, Е. А. Печерская, А. М. Метальников, В. И. Кондрашин, В. А. Соловьев

СИНТЕЗ И СВОЙСТВА НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ДИОКСИДА ОЛОВА, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ПИРОЛИЗА АЭРОЗОЛЕЙ

Аннотация. Рассмотрен метод пиролиза аэрозолей формирования нанокри-сталлических пленок SnO2 для сенсорных микросистем. Выявлена корреляция между условиями синтеза и размером кристаллитов SnO2.

Ключевые слова: пиролиз аэрозолей, диоксид олова, газовый сенсор, чувствительность, кристаллит.

Abstract. The article considers a method of spray pyrolysis in formation of nanocrystalline SnO2 films for sensor microsystems. The authors discover the correlation between the synthesis conditions and SnO2crystallite size.

Key words: spray pyrolysis, stannic oxide, gaz sensor, sensitivity, crystallite.

Нанокристаллические пленки диоксида олова в настоящее время широко применяются в качестве прозрачных электропроводящих покрытий, а также в качестве чувствительных слоев в датчиках газов для экологического мониторинга, контроля концентрации токсичных и взрывоопасных газов в воздухе. Чувствительность газовых сенсоров на основе SnO2 зависит от размеров кристаллитов наноструктурированного газочувствительного слоя (табл. 1). Она может увеличиваться в десятки раз при приближении размеров отдельного кристаллита к значению, равному удвоенной длине Дебая:

ld -

££0kT

q2 n0

где в - диэлектрическая проницаемость; во - диэлектрическая постоянная; п0 - концентрация носителей заряда; е - заряд электрона; к - постоянная Больцмана; Т - температура.

Таблица 1

Газовая чувствительность 8п02

Контролируемый Размер Чувствительность Каталитическая Рабочая

газ зерна, нм S, отн. ед. добавка, % температура, °С

40 30

H2 20 50 Pd (3) 200

10 80

40 5

CO 20 15 Pt (0,2) 230

10 30

Зависимость чувствительности S от длины Дебая описывается выражением

Б =

АО Ап

ОП

=— Ь

п0

‘В--

где АО - изменение электропроводности электропроводного слоя под действием адсорбированного газа; О0 - исходное значение электропроводности; Ап - изменение концентрации носителей заряда.

При таких размерах 50 % атомов, составляющих наночастицу, находятся на поверхности и участвуют в процессе адсорбции газов [1-4].

В связи с этим важную роль играет процесс получения чувствительного слоя. В настоящее время одним из самых распространенных методов получения пленок является спрей-пиролиз аэрозолей вследствие своей простоты и технологичности. Упрощенная схема установки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Эскиз установки спрей-пиролиза с системой распыления воздуха под давлением

Свойства нанокристаллических пленок, включая толщину, размеры и ориентацию кристаллитов, электрическое сопротивление, газовую чувствительность, определяются следующими основными параметрами осаждения: температурой пиролиза, составом и объемом распыляемого раствора, давлением воздуха, расстоянием между соплом распылителя и подложкой. Для получения слоя 8п02 с требуемой морфологией и однородной структурой необходимо проанализировать, каким образом технологические параметры работы установки оказывают влияние на структурные свойства пленок диоксида олова [4, 5].

Температура пиролиза «участвует» во множестве процессов спрей-пиролиза (испарение растворителя, осаждение капель на подложку с последовательным распространением, разложение раствора). Размер нанокристаллитов и их форма зависят от температуры (рис. 2), размер может достигать 4 нм.

На рис. 3 можно наблюдать уменьшение размеров кристаллитов при увеличении давления воздуха. Данный эффект связан с ростом скорости

аэрозольных потоков и снижением размера капель аэрозоля. Эти параметры определяют время взаимодействия потока аэрозоля с подложкой и концентрацию прекурсоров в паровой фазе вблизи нее [6].

Рис. 3. Зависимость толщины (кривая 1) и размеров кристаллитов (кривые 2, 3) пленки 8и02 от входного давления воздуха

Из рис. 4 видно, что толщина пленки й уменьшается, если расстояние увеличивается. Данная зависимость не подчиняется закону й~1Ц}, характерному для физических методов напыления или испарению из точечных источников. Использование цилиндрического реактора для спрей-пиролиза позволяет уменьшить эффект расширения аэрозольного потока, когда расстояние между распылителем и подложкой увеличивается, и добиться равномерности толщины пленки диоксида олова [7, 9].

В данной работе на примере пленок 8и02 установлено, что метод пиролиза аэрозолей позволяет формировать сложные наноструктурированные материалы с заданными свойствами за счет технологических параметров: тем-

пературы, скорости распыления раствора и расстояния между соплом и подложкой.

d, нм

1----------------1--------------1-----

15 20 25 L, см

Рис. 4. Влияние расстояния между соплом распылителя и подложкой на толщину (кривая 1) и размеры кристаллитов (кривые 2, 3) пленки SnO2

Список литературы

1. Колешко, В. М. Золь-гель методы формирования наноструктурированных материалов для сенсорных микросистем / В. М. Колешко, А. В. Сергейченко // Нано- и микросистемная техника. - 2007. - № 6. - С. 24-28.

2. Соловьев, В. А. Автоматизированная система для получения и контроля свойств тонких пленок / В. А. Соловьев, О. В. Карпанин, А. М. Метальников // Инновационные технологии в машиностроительном комплексе : сб. тр. I Между-нар. науч.-практ. конф. - Пенза, 2011. - С. 163-168.

3. Ganesh E. Patil. Synthesis, characterization and gas sensing performance of SnO2 thin films prepared by spray pyrolysis / Ganesh E. Patil, D. D. Kajale, D. N. Chavan, N. K. Pawar // Bull. Mater. Sci. - 2011. - V. 34, № 1. - P. 1-9.

4. Elangovan, E. Some physical properties of spray deposited SnO2 thin films / E. Elangovan, M. P. Singha, M. S. Dharmaprakashb, K. Ramamurthi // Journal of Optoelectronics and Advanced Materials. - 2004. - V. 6, № 1. - P. 197-203.

5. Korotcenkov, G. Kinetics of gas response to reducing gases of SnO2 films, deposited by spray pyrolysis / G. Korotcenkov, V. Brinzari, V. Golovanov Y. Blinov // Sensors and Actuators. - 2004. - B 98. - P. 41-45.

6. Ki Young Kim, Preparation of nanosize SnO2 particles in an aerosol reactor by pyrolysis of tetra-n-butyl tin / Ki Young Kim, Seung Bin Park // Journal of materials science. - 1999. - № 34. - P. 5783-5788.

7. Kaneko, S. Preparation of Fluorine-doped Tin Oxide by a Spray Pyrolysis Deposition and Its Application to the Fabrication of Dye-sensitized Solar Cell Module / S. Kaneko, S. Kawasaki, P. V. V. Jayaweera and G. R. A. Kumara // www.spdlab.com/ICCG8th.pdf.

8. Brian, D. Pd-doped SnO2 thin films deposited by assisted ultrasonic spraying CVD for gas sensing selectivity and effect of annealing / D. Brian, M. Labeau, J. F. Currie, D. Delabonglise // Sensors and Actuators. - 1998. - B 48. - P. 395-402.

9. Labeau, M. Synthesis of Pd-doped SnO2 films on silicon and interaction with ethanol and CO / M. Labeau, A. M. Gaskov, B. Gautheron, J. P. Senauteur // Thin Solid Films. - 1994. - V. 248. - P. 6-11.

Печерская Римма Михайловна доктор технических наук, профессор, декан факультета естественных наук, нанотехнологий и радиоэлектроники, Пензенский государственный университет

E-mail: fenr@pnzgu.ru

Печерская Екатерина Анатольевна

доктор технических наук, профессор, кафедра нано- и микроэлектроники, Пензенский государственный университет

E-mail: fenr@pnzgu.ru

Метальников Алексей Михайлович

кандидат технических наук, доцент, кафедра нано- и микроэлектроники Пензенский государственный университет

E-mail: fenr@pnzgu.ru

Кондрашин Владислав Игоревич студент, Пензенский государственный университет

E-mail: fenr@pnzgu.ru

Соловьев Виталий Анатольевич

кандидат технических наук, доцент, кафедра нано- и микроэлектроники, Пензенский государственный университет

E-mail: fenr@pnzgu.ru

Pecherskaya Rimma Mikhaylovna Doctor of engineering sciences, professor, dean of the faculty of natural sciences, nano-technologies and radioelectronics, Penza State University

Pecherskaya Ekaterina Anatolyevna

Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of nano-and microelectronics,

Penza State University

Metalnikov Aleksey Mikhaylovich

Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of nano- and microelectronics, Penza State University

Kondrashin Vladislav Igorevich

Student, Penza State University

Solovyov Vitaly Anatolyevich

Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of nano- and microelectronics, Penza State University

УДК 621.382; 537.312

Синтез и свойства нанокристаллических пленок диоксида олова, полученных методом пиролиза аэрозолей / Р. М. Печерская, Е. А. Печерская, А. М. Метальников, В. И. Кондрашин, В. А. Соловьев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. -2012. - № 4 (24). - С. 237-241.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.