СТРУКТУРА, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОЧНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ IN-Y-O-C Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 539.216.2

СТРУКТУРА, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОЧНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ In-Y-O-C

И.В. Бабкина, К. С. Габриельс, А.Л. Гусев1, Ю.Е. Калинин, Н.А. Кондратьева, А.В. Ситников, С.Б. Кущев, С.А. Солдатенко

Воронежский государственный технический университет 394026, Воронеж, Московский пр., 14; e-mail: kalinin48@mail.ru 'Научно-технический центр «ТАТА» 607183, Саров Нижегородской обл., а/я 683, 687 e-mail: gusev@hydrogen.ru

Заключение Совета рецензентов 17.08.09 Заключение Совета экспертов 20.08.09 Принято к публикации 22.08.09

Исследованы структура и электрические свойства нанокристаллических пленок на основе In-O-Y-C. Показано, что структура пленок и фаз зависит от концентрации углерода. Установлено, что комплексное сопротивление изменяется с температурой как у систем с перколяционным переходом. Увеличение концентрации углерода приводит к росту комплексного сопротивления. Показана перспективность исследованных пленок в качестве чувствительных слоев газовых сенсоров водорода.

STRUCTURE, ELECTRICAL AND GAS-SENSITIVE PROPERTIES OF NANOCRYSTALLINE FILM COMPOSITES BASED ON In-Y-O-C

I.V. Babkina, K.S. Gabriels, A.L. Gusev1, Ju. E. Kalinin N.A. Kondratyeva, A.V. Sitnikov, S.B. Kushchev, S.A. Soldatenko,

Voronezh State Technical University 14 Moscow av., Voronezh, 394026 Russia

Воронежский государственный технический университет e-mail: kalinin48@mail.ru *STC «ТАТА»

Post Box Office 683, 687, Sarov, N.Novgorod reg., 607183, Russia e-mail: gusev@hydrogen.ru

Referred: 17.08.09 Expertise: 20.08.09 Accepted: 22.08.09

In the given work are carried out researches of structure, electric properties of nanocrystalline film composites on the basis of In-O-Y-C. It is shown, that the phase structure and structure of compositions depend on concentration of carbon. It is established, that dependence of complex resistance on temperature is characteristic for compositions with structure having a threshold percolation transition. The increase in concentration of carbon leads to increase in a capacitor component of complex resistance. Perspectives of use of such film composites, as the layers sensitive to hydrogen is shown.

Введение

Загрязнение природы продуктами жизнедеятельности человека делает неотложной проблему контроля состояния окружающей среды. Эту проблему невозможно решить без наличия недорогих, экономных и надежных датчиков токсичных и взрывоопасных газов. Для разработки датчиков газов необходимо создание высокочувствительных сенсорных слоев с заданными физическими свойствами. Активные научные и технологические исследования, связанные с различными газовыми датчиками, стимулируются потребностями экологического мониторинга, контроля технологических процессов, аналитического обеспечения техники безопасности и т.д.

Газовые сенсоры на основе металлооксидных полупроводниковых соединений остаются одними из

самых перспективных. В то же время, несмотря на 40 лет, прошедших со времени открытия принципа их действия, до конца не отработана технология их производства и до конца не изучена физика их работы. В основе работы металлооксидных слоев лежит адсорбция молекул газов на поверхностных состояниях нагретого до температуры 100-400° С чувствительного слоя с образованием ионов. В результате возникающего эффекта поля электрическое сопротивление датчика либо увеличивается, либо уменьшается. Кажущаяся простота скрывает много тонкостей как в физике работы, так и в технологии изготовления датчиков. Естественно, первым вопросом является вопрос селективности, так как, с одной стороны, датчики реагируют на большое число восстанавливающих реагентов, что хорошо, но, с другой стороны, это затрудняет определение конкретного реагента.

Статья поступила в редакцию 14.08.2009. Ред. рег. № 587

The article has entered in publishing office 14.08.2009. Ed. reg. No 587

Определить различные газы можно, исходя из оптимальной рабочей температуры Тр, соответствующей максимальной газовой чувствительности. Второй путь - введение «добавок» в количествах, значительно превышающих обычное легирование полупроводниковых материалов.

Чувствительность сенсоров может быть значительно повышена напылением на их поверхность кластеров Р1 и Р^ которые являются эффективными катализаторами. Процесс адсорбции и десорбции газовых молекул на поверхность сенсоров является достаточно сложным и включает, вероятно, перемещение по поверхности молекул и ионов с учетом весьма большой структурированности поверхности, так как пленки металлооксида являются нанокри-сталлическим материалом. На границах кристаллитов образуются потенциальные барьеры, высота которых может определяться как объемной концентрацией носителей заряда, так и адсорбированными ионами газов на поверхности. От размеров кристаллитов зависит активная поверхность сенсора. В связи с этим в ряде случаев стараются получить сенсоры с минимальными размерами кристаллитов. В то же время сенсор работает при повышенных температурах, что может приводить к укрупнению кристаллитов и изменению параметров прибора.

В настоящее время существует весьма широкий набор технологий изготовления сенсоров, включающий спекание керамики, получение толстых пленок золь-гель методом, напыление тонких пленок распылением электронным лучом таблеток окисла, ВЧ маг-нетронным распылением металлооксида и распылением на постоянном токе металлической мишени в атмосфере, содержащей кислород. В каждом из этих методов существует целый ряд различий в использованных технологиях.

Развитие водородной энергетики также поставило задачу разработки дешевых и надежных газовых датчиков. Используемые в настоящее время резистивные сенсоры на основе окислов олова и индия имеют невысокую термическую стабильность при рабочих температурах [1-3]. Это обусловлено процессами термически активированной рекристаллизации пленок активного вещества. В работе [4] было показано, что введение в 1п203 нескольких атомных процентов У позволяет уменьшить размер зерен и стабилизировать поликристаллическую структуру, что существенно повышает газовую чувствительность соединения. Введение в газочувствительный полупроводник атомов углерода, который не имеет твердых растворов с оксидом, в результате процессов самоорганизации может образовать наногранулированный композит, обладающий сенсорными свойствами. Кроме того, атомы углерода не образуют с водородом устойчивых химических соединений, что необходимо для обратимости процессов изменения сопротивления пленки в различных газовых средах.

Цель данной работы - исследование возможности создания нанокристаллической пленочной гетероструктуры на основе 1п-0-У-С и изучение

ее структуры, электрических, газочувствительных свойств в зависимости от состава и термической обработки.

Методы получения и исследования

Исходные пленки композита C^InYO)^^ толщиной 0,5 мкм были получены методом ионно-лучевого распыления составной мишени и конденсацией на ситалловой подложке [5]. Составная мишень состояла из керамических In35,5Y4,2O60,3 и графитовых пластин, распределенных по длине мишени неравномерно, что позволило получать пленки композитов с непрерывно изменяющимся соотношением полупроводниковой и углеродной фаз. Конденсацию пленок проводили в среде чистого аргона.

Для исследования стабильности создаваемых структур был проведен термический отжиг в атмосфере воздуха в интервале температур 300-500° С.

Фазовый состав и структуру пленок композитов проводили методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на приборе ЭМВ-100БР. Для исследования методом ПЭМ пленки толщиной около 100 нм наносили на монокристаллы NaCl. Элементный состав пленок анализировали энергодисперсионной рентгеновской приставкой Oxford INCA Energy 250 на сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM-6380 LV.

Комплексное сопротивление (Z) и угол фазового сдвига (ф) измерялись на частоте 200 кГц измерителем имиттанса МНИПИ Е7-20. Температурные исследования Z и ф проводились в воздушной атмосфере при давлении 380 торр. Нагрев образца осуществлялся со скоростью 2 К/мин в температурном интервале 20-600° С.

Сенсорные свойства полученных гетероструктур определялись по изменению комплексного сопротивления и угла фазового сдвига газочувствительной пленки при выбранной температуре в воздушной среде при давлении 380 торр и в процессе добавления в камеру водорода при давлении 1,2 торр.

Структура пленок In-Y-O+C

На рис. 1 приведены электронограммы, светло-польное и темнопольное ПЭМ изображения пленок композитов с различным содержанием углерода. Анализ электронограмм показал, что фазовый состав пленок с минимальным (~2 ат.%) и максимальным (~15 ат.%) содержанием углерода не отличался: пленки состояли из чистого In и оксида In2O3. В то же время структура пленок была различной. В первом случае обе фазы были нанокристаллическими (рис. 1, d), во втором - фаза чистого In нанокристаллическая, а фаза In2O3 - аморфная. Такое различие в структуре пленочных композитов, очевидно, связано с сегрегацией атомов С на границах зародышей оксида, в результате чего замедляется процесс рекристаллизации пленок.

3

Ж

•и: -

59

Рис. 1. Электронограммы (а, с), светлопольные (b, d (с увеличенным фрагментом)) ПЭМ изображения пленок композитов Cx(In35,5Y4,2O60,3)100-x с минимальным (а, b) и максимальным (с, d) содержанием углерода Fig. 1. Electron-diffraction pattern (a, с), bright-(b, d (with increased fragment)) TEM images of the composite films Cx(In355Y4,2O603)100-x with a minimum (a, b) and maximum (c, d) carbon

Рис. 2. Электронограмма (а), светлопольное (b) и темнопольное (с) ПЭМ изображения пленок композитов (In35,5Y4,2O60,3)i00-xCx с минимальным содержанием углерода после отжига при температуре 300° С в течение 30 мин Fig. 2. Electron-diffraction pattern (a), bright-(b) and dark field (a) TEM images of the composite films Cx(In35.5Y42O6a3)100-x

with low carbon content after annealing at 300° C for 30 min

Присутствие углерода в пленках согласно данным, полученным методом рентгеновского дисперсионного анализа, и отсутствие его на электроно-граммах свидетельствует о том, что структура углеродной фазы аморфная. Темнопольный анализ показал, что размер нанокристаллов фазы и чистого Ш составляет 7-9 нм.

Термический отжиг композитов в среде воздуха в исследуемом интервале температур не приводит к изменению фазового состава (рис. 2).

В то же время в результате частичного окисления чистого индия в пленках наблюдается увеличение количества фазы Кроме того, происходит со-

вершенствование структуры: размер нанокристаллов фаз Ш и после отжига увеличивается приблизительно в два раза.

Анализ электронограмм пленок, сконденсированных в атмосфере смеси аргона и кислорода, с различным содержанием полупроводниковой и углеродной фаз показал, что образцы независимо от концентрации углерода содержат две аморфные фазы: оксида и С.

Электрические свойства

Исследование удельного электрического сопротивления гетерогенных пленок C;t{In35,5Y4,2O60,3)l00-x показало, что в зависимости от содержания углерода величина р меняется на несколько порядков. В пленках с высоким содержанием углерода была обнаружена частотная зависимость комплексного сопротивления и угла фазового сдвига. Поэтому анализ резистивных свойств был проведен на переменном токе с частотой 200-1000 кГц, что позволило выявить не только активную, но и реактивную составляющую сопротивления. На рис. 3 приведены зависимости комплексного сопротивления и угла фазового сдвига композита C;t{In35,5Y4,2O60,3)100-x от содержания углерода на частоте 1 МГц, полученные в атмосфере Ar.

Видно, что зависимость 2(Х) имеет ^-образный вид с резким увеличением значения комплексного сопротивления приблизительно на 3 порядка величин при возрастании концентрации углерода от 3 до 12 ат. %.

10'

5

О N

10"

5 10 15 20

X, ат. %

et 2.0

4-30

-60

-90

ч.

10

b

15

20

X, ат.

Рис. 3. Зависимости комплексного сопротивления (а) и угла фазового сдвига (b) композита CxOn^Y^Oeo^ioo-x от содержания углерода на частоте 1 МГц, полученные в атмосфере Ar

Fig. 3. Dependence of complex resistance (a) and the angle of phase shift (b) composite Cx(In355Y4.206o.3)1oo-x on the carbon content at a frequency of 1 MHz, obtained in an Ar

При этом наблюдается увеличение угла фазового сдвига в отрицательную область, что свидетельствует о возникновении емкостной составляющей комплексного сопротивления.

При концентрации углерода свыше 12 ат. % наблюдается более плавное увеличение Z(X), хотя увеличение угла фазового сдвига не претерпевает существенных изменений. Такое изменение Z(X) и ф(Х) может быть интерпретировано с применением теории перколяции, учитывая гетерогенный характер структуры системы In-Y-O-C, где углерод выступает в качестве диэлектрической фазы. С другой стороны, концентрация углерода, показанная энергодисперсионной рентгеновской приставкой Oxford INCA Energy 250 на сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM-6380 LV, недостаточна, чтобы создать изоляционную прослойку между проводящими гранулами индия или окисла индия, легированного иттрием. Поэтому можно предположить, что углерод может входить в диэлектрическое соединение, которое обеспечивает изоляцию проводящих гранул (это соединение может находиться в аморфном состоянии и не давать рефлексов на полученных электроно-граммах). Анализ возможных соединений атомов, входящих в состав пленки, дает нам единственный возможный вариант - это соединение Y-C-O, так как

углерод не имеет твердых растворов по диаграмме состояний с индием и окислом индия.

На рис. 4 и 5 представлены концентрационные зависимости комплексного сопротивления и угла фазового сдвига композита Сл{1п35,5У4,20бо,3)1оо-х от содержания углерода на частоте 1 МГц, полученные в атмосфере Аг+02, при давлении кислорода 210-5 торр и 2,8-10-5 торр соответственно. Видно, что концентрационные зависимости 1(Х) и ф(Х) в основном повторяют аналогичные характеристики гетерогенной пленки, полученной без добавления активного газа. Хотя анализ электронограмм этих соединений показывает отсутствие кристаллов металлического индия, т.е. в качестве проводящей фазы выступает оксид 1п203. С другой стороны, в работах, проведенных ранее, было показано, что добавление кислорода при получении композитов металл-диэлектрик сдвигает порог перколяции в сторону меньшей концентрации диэлектрической фазы. Это может быть следствием того, что в нашем случае и проводящая, и диэлектрическая фаза являются оксидными соединениями. Несмотря на это, мы можем констатировать, что порог перколяции при добавлении реактивного газа сдвигается в сторону большей концентрации углерода, что может быть следствием изменения соотношения концентрации проводящей и диэлектрической фаз при смене металлических гранул индия на полупроводниковые гранулы 1п203.

о 10'

N

10" ю" 103

/

-

/

■

—i---1—

10 15

а

20

X, ат.%

д а

-20 -40 -60 -80

iiiriliiiiiniiaQ

10

15

b

20

X, ат. %

Рис. 4. Зависимости а - комплексного сопротивления и b -угла фазового сдвига композита СХ (In35,5Y4,2060,3)i00-x от содержания углерода на частоте 1 МГц, полученные в атмосфере Ar+02 при давлении кислорода 210-5 торр Fig. 4. The dependence of complex impedance (a) and the angle of phase shift (b) composite Cx(In35.5Y4.2O60.3)100-x on the carbon content at a frequency of 1 MHz obtained in an atmosphere of Ar+02 oxygen pressure of 210-5 Torr

а

25

M

61

5 10 15 20

Х,ат. %

b

Рис. 5. Зависимости а - комплексного сопротивления и b -угла фазового сдвига композита Cx (In35,5Y42O60,3)100.x от содержания углерода на частоте 1 МГц, полученные в атмосфере Ar+O2 при давлении кислорода 2Д10"5 торр Fig. 5. Dependence of complex resistance (a) and the angle of phase shift (b) composite сх(1п35^4.2060.3)ю0 -х on the carbon content at a frequency of 1 MHz obtained in an atmosphere of Ar+O2 oxygen pressure of 2.8-10"5 Torr

T, °C

а

Рис. 6. Температурные зависимости а - комплексного сопротивления и b - угла фазового сдвига композитов Cx(In35 5Y4 2O60 3)i00-x от концентрации углерода: 1 - х = = 17,8 ат %; 2 - х = 9,9 ат %; 3 - х = 6,9 ат %; 4 - х= 2,5 ат % Fig. 6. Temperature dependence of complex impedance (a) and

the angle of phase shift (b) composites Cx(In35.5Y42O60.3)100-X on the carbon concentration: 1 - x = 17.8 at. %, 2 - x = 9.9 at. %, 3 - x = 6.9 at. %, 4 - x = 2.5 at. %

Исследование температурной зависимости сопротивления гетерофазных пленок 1п^-О-С с различным содержанием углерода позволяет, с одной стороны, изучить температурную стабильность полученных соединений, а с другой - выявить структурные преобразования, происходящие в наногранули-рованных композиционных структурах. На рис. 6 представлены температурные зависимости комплексного сопротивления и угла фазового сдвига композитов 1п^-О-С от концентрации углерода, снятые на частоте 200 кГц.

Температурное поведение комплексного сопротивления гетерогенного соединения С^п^^дО^ш^ имеет сложный характер и зависит от концентрации углерода. При высоком содержании С нагрев до 150° С приводит к экспоненциальному падению Z(T). В области температур 150-300° С скорость уменьшения комплексного сопротивления увеличивается. При дальнейшем росте температуры наблюдается некоторая относительная стабилизация величины 2. В температурном диапазоне 420-520° С выявлено резкое увеличение сопротивления более чем на полтора порядка величины. В композитах О^п^^^О«),^«^ с малым содержанием углерода до температуры 350° С изменения комплексного сопротивления незначительны. При дальнейшем увеличении температуры величина 2 быстро возрастает и при температуре 520° С изменяется на два порядка величины.

Температурные измерения угла фазового сдвига композитов О(Тп23,^2,2О74)100-_у с различным содержанием углерода на частоте 200 КГц представлены на рис. 6, Ь. Для композитов с большим содержанием углеродной фазы увеличение температуры до 210° С приводит к уменьшению ф до практически нулевых значений. При температуре ~500° С наблюдается резкое увеличение угла фазового сдвига.

Для выявления природы увеличения комплексного сопротивления и угла фазового сдвига в диапазоне температур 420-520° С были проведены отжиги композита (1п35,^4,2О60,3)79,4С20,6 в воздушной среде и в вакууме (рис. 7). Видно, что увеличение комплексного сопротивления при высокой температуре вызвано присутствием газовой среды, что можно связать с процессом дополнительного окисления исследуемой пленки. При этом доокисление структуры приводит к возникновению емкостной составляющей комплексного сопротивления. Из приведенных зависимостей можно сделать заключение, что процесс уменьшения значений комплексного сопротивления и угла фазового сдвига не связан с присутствием воздушной среды. Исследование процессов изменения зависимостей комплексного сопротивления и угла фазового сдвига композитов С20,6(1п35,^4,2О60,3)79,4, происходящих с гетерофазной пленкой при температурах до 300° С, представлены на рис. 8. Анализ зависимостей показал, что резкое уменьшение значений 2 и ф при температуре до 250° С носит необратимый характер. Уменьшение значений комплексного сопротивления

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (76) 2009

© Scientific Technical Centre «TATA», 2009

более чем на 2 порядка величины и изменение угла фазового сдвига до нулевых значений может свидетельствовать о существенных изменениях в структуре и составе диэлектрической фазы гетерогенной системы. Электронографические структурные исследования пленок, отожженных при температуре 300° С в течение 30 минут, не выявили причин такого поведения. Сделанные нами выше предположения о сложном составе диэлектрической фазы У-С-0 в аморфном состоянии дает возможность предполагать разрушение соли иттрия при данной температуре отжига. Образующиеся при этом соединения оксида иттрия и углерод (возможно, в аморфном состоянии) уже не являются изолирующей фазой гетерогенной структуры. Рост частиц окиси индия и металлического индия, наблюдаемый при этих температурах, может создать условия, когда оксид иттрия будет растворен в полупроводниковой фазе.

000 0 0 0-

100 0 0 0-

10000-

N

V

.....

I по

200

300

T, °C

b

T, °C

T, °C

Рис. 8. Температурные зависимости а - комплексного сопротивления и b - угла фазового сдвига композитов C20,6(In35,5Y4,2060,3)79,4, отожженных в воздушной атмосфере Fig. 8. Temperature dependence of complex impedance (a) and the angle of phase shift (b) composites C20.6(In35.5Y4.2060.3)79.4, annealed in air

а

а

а

л

о -ill

■ 40

-60-

-80

b

5D0 600

T, °C

Рис. 7. Температурные зависимости а - комплексного сопротивления и b - угла фазового сдвига композитов (C20,6In355Y4,2060,3)79,4, отожженных в воздушной атмосфере (кривые 1, 2) и в вакууме (кривые 3, 4). Кривые 1, 3 соответствуют процессу нагрева, а кривые 2, 4 - охлаждения пленки Fig. 7. Temperature dependence of complex impedance (a) and the angle of phase shift (b) composites (C20.6In35.5Y4.20 60.3)79.4, annealed in air (curves 1, 2) and in vacuum (curves 3, 4). The curves correspond to the process of heating the 1, 3 and curves 2, 4 - cool film

Газовая чувствительность

Наличие в гетерогенной структуре 1п-У-0-С фазы оксида индия, имеющего хорошие сенсорные свойства, в частности к водороду, позволяют нам предположить, что пленки будут иметь значительную газовую чувствительность.

Для проверки данного предположения мы исследовали влияние газовой среды на комплексное сопротивление и угол фазового сдвига пленок С20,6(1п35,5У4,20 60,3)79,4. Испытания проводились при изотермическом отжиге при температуре 250° С в воздушной среде и среде воздух + водород. Предварительно на поверхность образцов был нанесен раствор хлористого палладия в дистиллированной воде. Поскольку поверхностная энергия палладия очень высока (Е8 = 1600 тН/м [6]), то на поверхности легированного иттрием оксида олова формировались мелкодисперсные островки Pd размером от 0,5 до 2 мкм, хаотично распределенные на поверхности пленки. Осажденные островки не имели контакта между собой, т.е. из них не формировалась перколя-ционная система, и не должны были влиять на величину электрического сопротивления пленки до тер-

J№1i

63

мической обработки. После этого пленка подвергалась нагреву до температуры 300-400° С в воздушной атмосфере. Относительное изменение комплексного сопротивления и угла фазового сдвига композитов на частоте 1 МГц при Т = 250° С представлено на рис. 9-11.

Видно, что относительное изменение величины 2 в водородосодержащей среде достигает 140% в пленках С21(1п35^4,2О60,эЬ, 130% в пленках 015(^35^4,2060,3)85 и 40% в пленках С12(1п35,^4,2060,3)88. Анализ полученных зависимостей показал, что с увеличением концентрации углерода сенсорные свойства пленок улучшаются.

5

а

г 100

о-

воздух

воздух

воааух+н,

зф<*нг я

200

800 «СО Время, с

120 0 14 00 1 600

5 зо-

с 25 8 е

° 20.

Е IS

1 6 ш 2

воздух+Нг

воздух+Н

и

Ii

V воздух ■

Vn %

-200

Е О

—Т-.-1-.-,-.-J-.-,-.-,-.-,---,-.-,--

0 200 «О 600 800 1 0ОО 1200 1400 1600 Бремя, о

b

Рис. 9. Временные зависимости относительного изменения а - комплексного сопротивления и b -угла фазового сдвига композитов C21(In35,5Y42O603)79 на частоте 1 МГц при Т = 250° С, при напуске воздуха (Р = 380 торр) и водорода (Р = 2,5 торр) Fig. 9. Time dependence of relative change in the complex impedance (a) and the angle of phase shift (b) composites C21(In355Y4.2O603)79 at a frequency of 1 MHz at T = 250° C, with inlet air (P = 380 Torr) and hydrogen (P = 2.5 Torr)

# 160

EE

X 140 Ф

f 120

0

С 100

s

1 so

T

Ф

ф 60

I

n

i40

u 20

U>

S о

о

X

О -20

воздух

SCO 1000 1500 2000 2900 3000 ,1600 4000 8ремя,с

а

о 60-

0-

воэдух+Н

еоааух+Н

воздух

500

1500 2ГО0

Bp е мя. с

b

—I—

2500

3000 3500 400С

Рис. 10. Временные зависимости относительного изменения а - комплексного сопротивления и b -угла фазового сдвига композитов C15(In35,5Y42O603)85 на частоте 1 МГц при Т = 250° С при напуске воздуха (Р = 380 торр) и водорода (Р = 2,5 торр) Fig. 10. Time dependence of relative change in the complex impedance (a) and the angle of phase shift (b) composites C15(In355Y4.2O603)85 at a frequency of 1 MHz at T = 250° С in air inlet (P = 380 Torr) and hydrogen (P = 2.5 Torr)

64

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (76) 2009

© Scientific Technical Centre «TATA», 2009

i? M

а

Так как сенсорные свойства были измерены на переменном токе, то большой вклад в проводящие свойства вносит емкостная составляющая сопротивления. Поэтому, чтобы определить изменение активной составляющей сопротивления, были сняты частотные зависимости комплексного сопротивления пленок как в среде воздуха, так и в среде воздуха и водорода для всех измеряемых пленок при различных температурах. По результатам этих измерений было вычислено относительное изменение активного сопротивления при различных температурах (см. рис. 12). Анализ этой зависимости показал, что наилучшие сенсорные свойства при температуре 200250° С проявляют композиты, содержащие большую концентрацию углерода.

50

30

3 20-

10-

воэдух

п

воздух

г

■оадух+Н.

«00

1500

2CQ0

Бремя, с

а

25С0

3000

с 15

воэдух+Нг

u

■

t 1000 1S0 0 2 00 0 2 50 0 3000

5

о Время, с

о

b

Рис. 11. Временные зависимости а - комплексного сопротивления и b - угла фазового сдвига композитов C12(In355Y4,2060,3)88 на частоте 1 МГц при Т = 250° С, при напуске воздуха (Р =380 торр) и водорода (Р = 2,5 торр) Fig. 11. Time dependence of relative change in the complex impedance (a) and the angle of phase shift (b) composites C12(In355Y4.2060.3)88 at a frequency of 1 MHz at T = 250 0C in air inlet (P = 380 Torr) and hydrogen (P = 2.5 Torr)

—i—

100

—i—

200

—I—

300

T, °C

—I—

400

Рис. 12. Температурная зависимость относительного изменения сопротивления при добавлении водорода давлением 2,5 торр соединения: 1 - C21(In355Y4,2060,3)79;

2 - C12(In35,5Y4,2060,3)88

Fig. 12. Temperature dependence of the relative resistance change when you add hydrogen pressure of 2.5 Torr compound

1 — C21(In35.5Y4.20 60.3)792 2 — C12On35.5Y4.2060.3b8

Заключение

Разработана технология внедрения углерода в тонкопленочные оксиды индия, легированные иттрием, и перевода аморфной структуры в нанокри-сталлическое состояние.

Структурные исследования гетерогенной системы 1п-У-0-С показали наличие мелкодисперсной фазы 1п и 1п203 размером 7-9 нм, окруженной аморфной диэлектрической фазой.

Исследования температурной зависимости сопротивления показали, что при температурах порядка 150-250° С наблюдается необратимое уменьшение комплексного сопротивление и угла фазового сдвига, которые не зависят от состава газовой среды, в которой проводилась температурная обработка. Такое поведение проводимости связывается с разрушением диэлектрической фазы гетерогенной системы.

Показано, что при температурах термообработки 450-500° С наблюдается увеличение комплексного сопротивления и угла фазового сдвига, которое зависит от состава газовой среды, в которой проводилась температурная обработка, что связывается с процессами доокисления исследуемой пленки.

Исследование газовой чувствительности пленок составов С21(1п35,5У4,20б0,3)79, С15(1п35,5У4,20б0,3)85 и С12(1п35 5У4 2 0 603)88 при температуре 250° С показали, что наилучшие сенсорные свойства проявляют композиты, богатые углеродом. Пленки обладают достаточно хорошими сенсорными свойствами к молекулярному водороду.

Работа выполнена при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям (ГК02.513.11.3469 от 16 июня 2009 г.) и РФФИ (грант № 08-08-99043).

Список литературы

1. Башкиров Л. А. Об использовании фазового перехода металл-полупроводник в оксидах металлов и их соединениях для создания химических сенсоров / Л. А. Башкиров, У. Барби, Ю. К. Гунько // Актуальные проблемы физики твердого тела. 2003. С. 146-162.

2. Кисин В.В., Сысоев В.В., Ворошилов С.А., Симаков В.В. Влияние адсорбции кислорода на проводимость тонких пленок оксида олова // Физика и техника полупроводников. 2000. Т. 34, № 3. С. 314-317.

3. Kohl D. Function and application of gas sensors // J. Phys. D: Appl. Phys. 2001. Vol. 34. P. R125-R149.

4. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е., Самохина О.И., Ситников А.В. Влияние водорода на электропроводность оксида олова, легированного иттрием // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30, Вып. 11. С. 78-84.

5. Калинин Ю.Е., Пономаренко А. Т., Ситников А.В., Стогней О.В. Гранулированные нанокомпозиты металл-диэлектрик с аморфной структурой // Физика и химия обработки материалов. 2001. № 5. C. 14-20.

6. Свойства элементов. Часть 1, Физические свойства. М.: Металлургия, 1976. С. 228.

ПОДПИСКА НА РОССИЙСКИЕ НАУЧНЫЕ ЖУРНАЛЫ

е LIB ПАПУЛ II

Научная Электронная Библиотека продолжает кампанию по подписке на отечественную научную периодику в электронном формате на 2009 г. Полнотекстовая коллекция представляет журналы по всем отраслям современного знания. Всего на платформе eLIBRARY.RU сейчас размещено российских журналов: 1273, из которых доступно по подписке 802. Практически все публикации из этой коллекции относятся к категории «рецензируемых», многие из них входят в «Перечень изданий ВАК» (актуальная редакция Перечня, апрель 2008 г.)

Российские журналы на платформе eLIBRARY.RU представлены в виде нескольких коллекций:

• Журналы издательства НАУКА • Российские журналы на eLIBRARY.RU •

• Журналы Дальневосточного отделения РАН •

• Журналы Самарского государственного технического университета •

• Реферативные журналы ВИНИТИ • Реферативные журналы ИНИОН •

• Реферативные журналы ЦНСХБ •

Полный перечень подписных журналов представлен в Прайс-листе.

Оформить годовую подписку на текущие и архивные выпуски журналов, приобрести отдельные номера изданий могут частные лица и организации любой формы собственности и вида деятельности - университеты, институты РАН и других академий, отраслевые НИИ и научные центры, библиотеки, государственные органы и коммерческие структуры. Российские журналы доступны теперь в электронном виде не только отечественным, но и зарубежным подписчикам. Научная Электронная Библиотека работает со всеми, кого интересует научная периодика.

Для того чтобы получить доступ к подписным изданиям, необходимо зарегистрироваться на сервере eLIBRARY.RU и подписать Лицензионное соглашение, которое регламентирует порядок и правила работы и использования электронных ресурсов.

Заявки на подписку, вопросы, комментарии направляйте в отдел маркетинга и продаж

Арефьев Павел Геннадьевич Поздеева Татьяна

Тел.: 7 (495) 935 0101 Факс: 7 (495) 935 0002 Тел.: 7 (495) 935 0101 Факс: 7 (495) 935 0002

Email: arefiev@elibrary.ru Email: pozdeeva@elibrary.ru

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (76) 2009

© Scientific Technical Centre «TATA», 2009