CC BY
207
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: [email protected]
Печерская Екатерина Анатольевна
доктор технических наук, профессор, кафедра нано- и микроэлектроники, Пензенский государственный университет
E-mail: [email protected]
Метальников Алексей Михайлович
кандидат технических наук, доцент, кафедра нано- и микроэлектроники Пензенский государственный университет
E-mail: [email protected]
Кондрашин Владислав Игоревич студент, Пензенский государственный университет
E-mail: [email protected]
Соловьев Виталий Анатольевич
кандидат технических наук, доцент, кафедра нано- и микроэлектроники, Пензенский государственный университет
E-mail: [email protected]
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.
