ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК ОКИСЛОВ МЕТАЛЛОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ КРЕМНИЕМ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Сенсоры водорода

ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК ОКИСЛОВ МЕТАЛЛОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ КРЕМНИЕМ

А. Л. Гусев, И. В. Золотухин, Ю. Е. Калинин, Л. Н. Короткое, О. И. Самохина, А. В. Ситников, Б. А. Спиридонов

Воронежский государственный технический университет Московский пр., 14, Воронеж, 394026, Россия Телефон: (0732) 46-66-47, факс: (0732) 46-32-77, e-mail: kalinin@ns1.vstu.ac.ru

Для получения композиционных наноструктур окиси олова, стабилизированных кремнием, был применен метод ионно-лучевого распыления. Образцы, полученные в результате напыления, представляли собой пленки толщиной 0,15-1,5 мкм и имели аморфную структуру. Для осаждения каталитического палладия использовался химический метод осаждения палладия на поверхности полученных ионно-лучевым методом пленок оксида олова, легированных кремнием.

Полученная в результате термического отжига структура имеет мелкозернистую структуру. Наиболее крупные зерна ~ 100 нм наблюдаются в сплаве с минимальным содержанием кремния. По мере увеличения содержания кремния в результате кристаллизации аморфной фазы размер зерна снижается до d <5 нм.

В исходном аморфном состоянии пленки Sn27 ^ 9068 5 имеют очень высокие значения удельного электрического сопротивления. Нагрев в атмосфере аргона приводит к экспоненциальному снижению удельного электрического сопротивления, которое сменяется резким падением при температуре кристаллизации. После кристаллизации величина электрического сопротивления пленок снижается на несколько порядков.

Уменьшение концентрации легирующей примеси кремния приводит к снижению температуры кристаллизации пленок Sn30 2Si2 5 0 67 5 до Тх = 500 0С и пленок Sn32 6067 4 до Тх = 425 0С, т. е. введение атомов кремния в тонкие пленки окиси олова способствует термической устойчивости аморфного состояния и росту температуры кристаллизации. Введение атомов кремния способствует росту величины удельного электрического сопротивления пленок в кристаллическом состоянии.

Поскольку температура кристаллизации всех исследованных пленок была ниже 600 0С, то для ее перевода в кристаллическое состояние и стабилизации структуры был использован изотермический отжиг образцов при Т = 600 0С в течение 60 мин на воздухе. Исследования чувствительности пленок к водороду показали, что кремний, повышая термическую устойчивость аморфной структуры пленки, одновременно замедляет процессы реакции водорода с образцом, уменьшая тем самым газовую чувствительность.

Для исследования влияния катализатора на термическую и газовую чувствительность пленок двуокиси олова были выбраны пленки Sn31Si15067 5, обладающие оптимальной концентрацией легирующей примеси кремния. Поскольку поверхностная энергия палладия очень высока, то на поверхности легированного оксида олова формировались тонкодисперсные островки Pd

размером от 0,5 до 2 мкм, хаотично распределенные на поверхности пленки. Нанесение палладия не изменило величину удельного электрического сопротивления аморфных пленок Sn31Si150675 при комнатной температуре, однако повысило температуру кристаллизации до 600 0С. Более того, после кратковременного отжига при 600 0С в течение 5 минут и кристаллизации пленки величина удельного электрического сопротивления возрастает почти на порядок по сравнению с исходным состоянием.

Введение водорода в аргоновую среду приводит к скачкообразному росту электрического сопротивления примерно на 3 %, и в течение 10 минут электрическое сопротивление удерживается на постоянном уровне. При откачке Аг+Н2 до значений, характерных для вакуума (~ 10-4 Торр) электрическое сопротивление резко (за 1 мин) уменьшается, и затем при напуске аргона опять наблюдается медленный рост электрического сопротивления на 2,5 % в течение 10 мин, который сменяется быстрым ростом электрического сопротивления при добавлении в аргон водорода. Таким образом, электрическое сопротивление пленки Sn31Si150675 с островками палладия на поверхности, структура которого находится в квазиаморфном состоянии, в вакууме ~ 10-4 Торр характеризуется относительно высоким значением удельного электрического сопротивления, которое, затем, достаточно медленно возрастает в аргоновой среде и очень быстро — при добавлении в аргон молекулярного водорода с парциальным давлением ~ 7,6 Торр.

Совершенно другие закономерности изменения электрического сопротивления наблюдаются в том случае, когда пленка Sn31Si150675 стала нанокристаллической. В этом случае смена вакуума на аргоновую газовую среду также сопровождается ростом электрического сопротивления примерно на 10 % за 15 минут, а напуск водорода в аргоновую среду сопровождается резким (за 1 мин) снижением электрического сопротивления на 25 %. Удаление водорода, напуск аргона и выдержка в аргоновой среде в течение 10 мин увеличивают электрическое сопротивление до первоначального значения. Введение водорода в аргон вновь приводит к скачкообразному изменению электрического сопротивления на 22,5 %. Изменение электрического сопротивления осуществляются примерно за 1 минуту.

Работа выполнена при поддержке Международного научно-технического центра (МНТЦ) (проект № 1580).

ISJAEE Специальный выпуск (2003)