авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 12 |

«Министерство образования и науки Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ...»

-- [ Страница 8 ] --

t E (5.30) p( E, T, t ) 1 exp exp ф kT 0 После введения параметра E0 (t ),было получено следующее выражение:

E E, (5.31) p( E, T, E0 (t )) 1 exp exp kT где E0 (t ) kT ln(t / ф0 ) (5.32) Таким образом, в [282] получена зависимость времени генерации элек тронов с поверхностных состояний от энергии состояния и температуры.

Далее для анализа производной вероятности тепловой генерации по энер гии автор [282] использовал ее связь с дельта – функцией Дирака p( E0, E, T ) 1 1 1 (5.33) GN ( E0, E ) kT ( E E0 ) exp kT ( E E0 ) exp E 0 kT При 1 / kT (5.33) становится дельта функцией Дирака. Откуда следует, если T 0, то CN (T, E0, E ) ( E E0 ).

Число электронов, генерированных с поверхностных состояний Nss(E), при непрерывном распределении уровней по энергиям определяется выражени ем [284] EC Nss ( E ) p( E, t )dE, (5.34) N (t ) EV где вероятность опустошения уровня с энергией E p( E, t ).

Подставив вместо t E0 (t ), получили EC (5.35) N ( E0 ) Nss ( E ) p( E,T, E0 )dE EV Дальнейшие преобразования привели к выражению E C Ns ( E ) p (5.36) Nss ( E ) dE E0 E EV Из свойств GN ( E0, E, T ) при низкой температуре следует E Ns ( E ) C (5.37) Nss ( E )д( E E0 )dE Nss ( E0 ) E0 EV Количество электронов, покинувших дискретные поверхностные состоя ния, определяется следующим выражением:

N (t ) N SS ( Ei ) p ( Ei, T, t ) (5.38) i Подставив в (5.38) (5.31) и продифференцировав (5.38) по E0 (t) получили n pi (5.39) Nss ( E0 ) Nssi ( Ei ) E i Далее, используя формулу (5.33), было записано выражение n n 1 1 kT ( E E0 ) exp kT ( E E 0 ) (5.40) Nss ( E0 ) Nss i ( Ei )GN ( E0, E, T ) Nss i ( Ei ) exp kT i 1 i Полученное выражение удобно использовать для обработки эксперимен тальных данных плотности поверхностных состояний.

Таким образом, в [282] получена математическая модель, описывающая плотность поверхностных состояний. Исходными данными для модели являют ся экспериментальные результаты плотности поверхностных состояний при конкретной температуре T0 (температура эксперимента).

С помощью предложенной модели автор [282] исследует дискретный спектр плотности поверхностных состояний на границе раздела SiO2 – Si, его зависимости от температуры. Предложенная в работе модель увеличивает раз решающую способность метода нестационарной спектроскопии поверхностных уровней и релаксационных методов, которые применяют для измерения энерге тического спектра плотности состояний.

Газовые сенсоры на основе тонкопленочных структур имеют ряд пре имуществ по сравнению со спеченными порошковыми слоями или толстыми пленками. Тонкие пленки характеризуются большим соотношением между по верхностью и объемом и совместимы с планарными технологиями.

Газовая чувствительность пленок SnO2 тем выше, чем меньше размер зер на поликристаллов, так как взаимодействие поверхности полупроводниковой пленки с газом проявляется в изменении области пространственного заряда и поверхностного сопротивления пленки. Размер зерна поликристалла зависит от температуры и условий кристаллизации аморфной пленки.

При изотермическом отжиге высокотемпературному воздействию подвер гается не только газочувствительная пленка, но и подложка, и все конструктив ные элементы датчика. Это может приводить к возникновению различных тер мических процессов в пленке и в подложке.

В [285] установлены условия, при которых можно сформировать кристал лическую структуру слоя и получить газочувствительность без последующего высокотемпературного отжига.

Пленки SnO2, полученные в вакууме из стехиометрического источника, становятся газочувствительными после их отжига в кислороде [286]. Это связа но с тем, что во время процесса осаждения часть кислорода неизбежно откачи вается из области формирования пленки. В результате осаждается аморфный или гетерофазный слой, содержащий Sn, SnO и SnO2, гомогенизация которого требует последующей многочасовой обработки при высоких температурах [287], что затрудняет интеграцию активного слоя в сложные, например интел лектуальные, сенсоры.

Построение и экспериментальная проверка модели процесса низкотемпе ратурного формирования газочувствительного слоя методом реактивного рас пыления стехиометрической мишени, позволяющей связать состав осаждаемо го слоя с параметрами технологического процесса и оборудования, рассматри валось в [285].

Рассмотрено реактивное распыление с высокочастотным смещением ми шени SnO2. Считалось, что металл и кислород распыляются с одинаковой по стоянной скоростью. Атомы Sn осаждались на стенки и подложку, а кислород увеличивал парциальное давление кислорода p в камере. На величину p влияло также поступление кислорода из внешнего источника. Считалось, что при рас ходе q0 количество молекул кислорода в камере увеличивается со скоростью N a g0 (5.41) V Откачка вызывала уменьшение числа молекул кислорода со скоростью pSN a /P0V0, (5.42) где S — скорость откачки насоса. При проектировании вакуумных технологи ческих систем обычно добиваются независимости S от p. Наконец, из области с давлением p в соответствии с молекулярно-кинетической теорией за единицу времени на единицу поверхности стенок камеры и подложки поступает поток атомов кислорода, равный F 2p (5.43) 2рmkT 1/ где m — масса молекулы кислорода. Учитывалось, что хемосорбция кислорода происходит с захватом свободного электрона. Считая, что в результате разли чия в концентрациях свободных носителей заряда атомы кислорода прилипают к SnO хуже, чем к Sn, а к SnO2 не прилипают совсем, авторы получили условие постоянства давления кислорода в камере g шу б зв, (5.44) где, - доли поверхности стенок камеры и подложки, покрытые Sn, SnO и SnO2 соответственно;

з — коэффициент прилипания кислорода к SnO;

g = 1 + q0Na/V0fAt - натекание кислорода;

= SNap/F0V0As - эффективность откачки;

= FAs/2fAt - относительный поток кислорода на стенки камеры и подложку;

At и As - площади мишени и осаждаемой пленки соответственно.

Получено [285], что в отсутствие внешнего напуска кислорода ( g = 1) пленка состоит из смеси фаз Sn, SnO и S nO 2. C ростом величины расхода ки слорода формируется пленка, близкая по составу к SnO, а при дальнейшем уве личении g - к SnO2. Если создавать на подложке условия, препятствующие кри сталлизации SnO, то можно ожидать, что при малых расходах кислорода будут формироваться аморфные слои, а при больших - поликристаллические. Таким образом, предложенная модель [285] позволяет связать состав осаждаемого слоя с параметрами технологического процесса и оборудования, а также опре делить условия, при которых газочувствительные слои могут быть сформиро ваны при низких температурах.

Важным моментом является то, что принцип действия полупроводнико вых газовых сенсоров основан на зависимости электропроводности чувстви тельного слоя сенсоров от содержания газов в окружающей среде [288].

В [288] рассматриваются корреляции между микроструктурой и парамет рами хемосорбции кислорода на поверхности нанокристаллических SnO2 и In2O3. Систематические исследования электрофизических свойств полупровод никовых оксидов в зависимости от парциального давления кислорода в газовой фазе позволили определить преобладающий тип частиц хемосорбированного кислорода в температурном интервале 200-400 °С, соответствующем диапазону рабочих температур газовых сенсоров резистивного типа. Энергия активации хемосорбции кислорода оценена из температурных зависимостей константы скорости изменения электропроводности материалов.

Анализ совокупности полученных данных позволяет заключить, что раз мер кристаллических зерен нанокристаллических полупроводниковых оксидов влияет на хемосорбцию кислорода на их поверхности, причем механизм реали зуется как через химический, так и через электронный фактор. С ростом разме ров кристаллитов SnO2, с одной стороны, уменьшается эффективная энергия активации взаимодействия SnO2 с кислородом, а с другой - увеличивается кон центрация электронов, обладающих достаточной энергией для преодоления барьера, создаваемого отрицательно заряженной поверхностью. Это приводит к увеличению степени заполнения поверхности хемосорбированным кислородом и увеличению доли атомных форм О-(адс), О2-(адс). Таким образом, впервые пока зано, что температура не является единственным параметром, определяющим преобладающий тип частиц кислорода, хемосорбированного на поверхности полупроводниковых оксидов.

Изменение преобладающего типа частиц хемосорбированного кислорода приводит к изменению заряда поверхности и, следовательно, реакционной спо собности полупроводникового оксида при взаимодействии с газами восстановителями (донорами электронов) и газами-окислителями (акцепторами электронов). Это в свою очередь определяет величину сенсорного сигнала при детектировании различных газов. Таким образом, управление микроструктурой полупроводникового сенсорного материала позволяет стимулировать взаимо действие его с определяемым газом и предоставляет дополнительные возмож ности для увеличения селективности полупроводниковых газовых сенсоров.

В работе [289] рассмотрены возможные структурные комплексы, обра зующиеся при высокотемпературном термическом окислении кремния в погра ничном слое в системе Si-SiO2. На основании концепции пограничного слоя предложена математическая модель кинетики полимеризации кремний кислородных кластеров. Отмечено влияние диффузионного потока этих класте ров на процентное содержание цепочек SiO4-тетраэдров разной длины в объеме SiO2.

Известно, что структура границы раздела Si/SiO2 является предметом ин тенсивных исследований в области субмикронной технологии [290, 291].

При построении модели авторы придерживаются модели непрерывной границы раздела Si/SiO2.

Рассматривалось произвольное поперечное сечение в зоне полимериза ции. Поскольку граница раздела Si-SiO2 непрерывно перемещается в процессе окисления вглубь полупроводника (для определенности предположим влево), горизонтальная координата этого сечения увеличивается. Следовательно, дви жение по временной координате t в предположении постоянства скорости окисления эквивалентно перемещению по пространственной координате. В ра боте рассматривался приток мономера в данное сечение, который обозначим j.

Концентрацию мономера в слое обозначили x 0,а полимера из ( i + 1) звеньев x i. Рассматривали сечение, имеющее некоторую конечную толщину, в целом однородное, записали протекающие реакции (вплоть до образования (n + 1) членного полимера, n N = 9):

k x 0 x 0 x k x1 x 0 x, (5.45).....................

k N x N 1 x 0 x N здесь k 0,...., k N 1 - константы скоростей соответствующих химических реакций.

dx dt j x0, t k 0 x 0 k1 x 0 x1.....

dx1 k x 2 k x x dt 00.........................................

(5.46) dx n k x x k x x n 1 n 1 0 nn dt.............................................

dx N dt k N 1 x N 1 x Учитывая, что вязкоупругие свойства растущего слоя SiO2 позволяют считать реакции его образования диффузионно-контролируемыми (i 0), поэтому 2 RT i 1. (5.47) ki Для расчета используется зависимость, известная в физике полимеров, в качестве аппроксимации для данного случая:

N 1 x n (t ) n з з 0 1 n11 (5.48) N xn (t ) n Введем поток мономера j( x 0, t), попадающий в рассматриваемое попе речное сечение извне и зависящий, от времени.

Вязкость пограничного слоя полагали постоянной величиной.

Тогда рассматривается одно уравнение относительно x0 (о), и еще одно относительно x1 (о) и ( N 1) уравнений относительно xi (t ), i 1.

dx f о k1 x dо, (5.49) dxi ki 1 xi 1 ki xi i 2, N dо здесь в качестве f (о), выступает слагаемое k 0 x0, записанное через новую коор динату о.

Общим решением однородного уравнения будет n xi (о) C k uik exp(ki о) (5.50) k Было замечено, что первая компонента xо зависит только от первой из постоянных C k. Это облегчает применение формулы Коши для решения неод нородной системы. Таким образом, была получена следующая формула n xо C11u1 exp k1о f о exp k1 о оdо Ck exp k k оu k. (5.51) k при начальном условии xi 0 0, x1 0 0, C1 Ck 0.

Возвращаясь к зависимости z 0 о, имеем dx0 d ( x0 ) (5.52) dt, dо x0 dt j( x0 ) k0 x0 2 j( x0 ) k 0 x 2 j 1 exp(bt ) j ck (5.53) x0 (t ), b 2 jk k0 1 exp( bt ) j ck f (о) k 0 x0 (о) k 0 j(1 exp(2k 0о)) k0 c 2 exp(2k0о) (5.54) На скорость убывания мономера сильно влияет его сходная концентра ция, поскольку величина с состоит в показателе экспоненты. То же самое мож но сказать о влиянии величины потока j.

Таким образом, в работе [289] показана связь кинетики высокотемпера турного окисления кремния, процессов полимеризации в пограничном слое и структурных особенностей пограничного слоя.

В [292] представлены результаты моделирования процессов термического отжига пористого кремния под действием высокотемпературного нагрева как в однородном температурном поле, так и в условиях наличия в системе линейно го градиента температур. Известно, что определяющим фактором роста эпитак сиальных пленок на пористых слоях кремния является его термический отжиг, поэтому исследование данного процесса оказывается весьма перспективным направлением.

Для моделирования процесса отжига пористого кремния (por-Si) в работе был использован метод Монте-Карло, реализованный с помощью алгоритма, основанного на быстрой схеме Максима [293]. Основные характеристики мето да следующие. Модель por-Si представляет собой участок кристаллической ре шетки в форме параллелепипеда заданного размера, с алмазоподобной конфи гурацией атомов. Нижняя часть массива атомов состоит из сплошных слоев кремния и соответствует монокристаллической подложке, а верхняя пронизана порами с варьируемой глубиной и величиной поперечного размера. Ориентация образца выбиралась так, чтобы его верхняя грань составляла плоскость (111).

Модельные размеры кристалла в работе могли доходить до 2.5 106 атомных мест, что при размере подложки 50 х 50 ячеек соответствовало толщине до 1000 монослоев. Диаметр формируемых прямоугольных пор и расстояния меж ду ними могли варьироваться от 4 до 20 монослоев, что обеспечивало измене ние пористости от 5 до 60%. Температура в объеме пористого кремния могла задаваться произвольным образом, но практически исследовалось только ли нейное распределение температуры в направлении, перпендикулярном поверх ности. Максимальное количество рассматриваемых событий в работе достигало 2·109. Диффузионный скачок атома моделировался как переход частицы из сво ей позиции в одно из свободных мест в первой или второй координационной сфере. Вероятность такого перехода определялась полной энергией взаимодей ствия атомов E n1 E1 n2 E2, где n1, n2 - количество соседних атомов в 1-й и 2-й сферах, а E1 = 1,24эВ, E2 = 0,1 э В [294, 295] - соответствующие энергии взаимо действия.

Таким образом, в работе было проведено моделирование длительного от жига пористого кремния методом Монте-Карло и установлено, что происходят перекрытие пор сверху и образование дополнительных перемычек в центре пор. Оказалось, что в зависимости от распределения температур в пористом слое среднее время перекрывания поры варьируется от 20 до 30 мин при темпе ратуре отжига 1373 K, а время формирования перемычки от 1,5 до 4,5 ч. При перепаде температур до 300 K перемычка формируется сравнительно медленно (4,5 ч), но достаточно быстро стабилизируется (0,5 ч) и принимает окончатель ный вид. В случае отсутствия градиента температуры время образования пере мычки оказывается значительно меньше и составляет всего 1,2 ч отжига. При этом на перемычку продолжают нарастать атомы кремния, так что ее форма стабилизируется после 5 ч отжига. Также моделирование показало, что сечение поры, в соответствии с экспериментальными данными [ 2 9 6 ], п р и н имает фор му, ограненную плоскостями (111) и (113).

Исследование моделей нанокристаллических пленок газочувствительных материалов. В работе [2 6 8 ] рассмотрено формирование однокристальных мультисенсорных систем на основе оксидных нановолокон. Для моделирования газочувствительных свойств некоторых нановолокон SnO2, на их поверхность были нанесены неперколяционные кластеры Ni. Показано, что поверхностная примесь никеля оказывает акцептороподобное воздействие на проводимость нановолокна, уменьшая более чем на порядок концентрацию свободных носи телей, что существенно увеличивает его хеморезистивный отклик к газам восстановителям. Представлен отклик исследованных нановолокон к воздейст вию H2 в смеси с кислородом. Установлено, что различия отклика S оксидных нановолокон к газам, определяемого как относительное изменение проводимо сти, описываются в первом приближении соотношением между поперечным диаметром нановолокна D и длиной области пространственного заряда W, ин дуцированной в приповерхностном слое нановолокна, согласно 4W. (5.55) S D Показано, что совокупный сенсорный отклик нановолокон SnO2, SnO2:Ni, TiO2 является селективным по отношению к Н2 и СО.

Отмечено, что общие физико-химические процессы взаимодействия по верхности оксидных нановолокон, имеющих поперечные геометрические раз меры в диапазоне 1001000 нм, с газами, по-видимому, не имеют фундамен тальных отличий от процессов на поверхности макрокристаллов или поликри сталлических слоев. Однако вклад морфологии матрицы нановолоконного слоя в механизм преобразования сигнала является существенным. Токоперенос по цепочкам нановолокон имеет перколяционный характер, при котором проводи мость между двумя соседними электродами определяется наличием «дорожек»

проводимости через контактирующие монокристаллические нановолокна.

Электронный транспорт через такую перколяционную цепочку может быть рассчитан численными методами. Тем не менее основные особенности га зочувствительности таких матриц могут быть объяснены качественно, учиты вая вклад в газовый отклик от контактов между нановолокнами R0 eV s exp, (5.56) R kT узлов где R0 и R – сопротивления сенсора на воздухе (кислороде) и при воздействии газа-восстановителя;

T – рабочая температура.

eVS R0 D D D 2 LD, (5.57) R D 2W kT где D – диаметр нановолокна, W – изменение длины области пространствен ного заряда в приповерхностном слое нановолокна вследствие адсорбции газов.

Полученные результаты по анализу газораспознавательной способности однокристальных мультисенсорных микросистем на основе матриц нановоло кон SnO2 показывают, что формирование матриц оксидных нановолокон раз личной плотности оказывается достаточно простым и технологически возмож ным подходом для изготовления новых мультисенсорных чипов с высокой га зораспознавательной способностью. Дальнейшая дифференциация газочувст вительных свойств возможна с помощью методов (легирование, вариации тем пературы и др.), успешно апробированных при применении тонких пленок.

В [297] представлены результаты исследований модели нанокристалличе ских пленок газочувствительных материалов (ГЧМ) с использованием про граммы MATHCAD. В иммитационном режиме проводился анализ проводимо сти поверхности пленки газочувствительных материалов при адсорбции моле кул анализируемого газа на поверхности пленки ГЧМ.

Поверхность нанокристаллических пленок газочувствительных материа лов (ГЧМ) являющихся основой химических сенсоров газа представляется в виде неупорядоченно расположенных кристаллитов, с размерами в несколько нанометров. ГЧМ таких сенсоров являются полупроводниковые оксиды p- и d элементов (SnO2, ZnO, MoO3, WO3 и др.), а также их композиты. При приложе нии к контактам сенсора постоянного электрического поля возникает ток, вели чина которого определяется проводимостью нанокристаллического материала.

В случае, если область распространения волновой функции в кристалле соот ветствует размерам зерна, то тогда проводимость пленки зависит от единичной проводимости, которая определяется вероятностью перехода электрона с i-го на j-ый нанокристаллит.

По результатам работы сделан вывод, что изменяя топологию сенсора можно влиять на чувствительность сопротивления сенсора на основе оксидов кремния с добавками оксида серебра при чередующемся воздействии аммиака с концентрацией 500 ppm и чистого воздуха. Исходное сопротивление сенсора составляло около 960 кОм. Видно, что при воздействии анализируемого газа сопротивление сенсора уменьшается до величин 930-940 кОм.

Сенсоры газов, построенные на основе изменения удельной электропро водности полупроводниковых металлоксидных тонкопленочных материалов, находят широкое применение для детектирования газов-поллютантов, техноло гических и горючих газов. Однако существующие сенсоры требуют оптимиза ции параметров, таких как газовая чувствительность, быстродействие и селек тивность. Одним из путей оптимизации является разработка для сенсоров мно гокомпонентных оксидных материалов сложного состава.

В работе [298] показано, что пленки, полученные по золь-гель технологии, в результате тщательного подбора состава газочувствительного материала (ГЧМ) могут быть селективными. В частности, при нанесении на пленку SnO2, легированную гадолинием, пленки оксида кремния, полученной по золь-гель-технологии и легированной палладием и платиной, получаем сен сор, обладающий селективной чувствительностью к оксиду азота (IV) на возду хе.

Ранее в работах [299, 300] были исследованы свойства ГЧМ на основе ок сидов кремния, олова и серебра, получаемого по золь-гель-технологии из спир товых растворов тетраэтоксисилана (ТЭОС), модифицированных добавками соединений олова и серебра. Сенсоры, изготовленные на основе тонких пленок указанного ГЧМ, проявляли чувствительность по отношению к аммиаку в диа пазоне концентраций 1...200 ррm при рабочих температурах, близких к комнат ной.

Особенностью пленок, получаемых по золь-гель-технологии, является то, что их электрические свойства, в частности сопротивление, мало зависят от влажности окружающей среды [299-301]. Такая незначительная чувствитель ность ГЧМ к парам воды объясняется тем, что для селикагелей, к которым можно отнести и полученные из золь-гель-растворов пленки ГЧМ, при умень шении размеров частиц (кристаллитов) на несколько порядков снижается сте пень их гидратации, т. е. способность адсорбировать молекулы воды из возду ха.

В данной работе исследуются электрофизические свойства и газочувстви тельные характеристики ГЧМ на основе оксидов кремния, олова и меди, полу ченные из спиртовых растворов ТЭОС и проявляющие селективную чувстви тельность к диоксиду азота в диапазоне рабочих температур 100...200 °С.

Исследования электрофизических свойств и газочувствительных характе ристик образцов пленок ГЧМ проводили на автоматизированном стенде [302].

Для этого на поверхности образцов пленок ГЧМ на расстоянии 5 мм друг от друга вжиганием серебро - содержащей пасты формировали контактные пло щадки. С помощью стенда измеряли температурные зависимости поверхност ного сопротивления пленок, по результатам которых проводили расчет энергии активации проводимости Еа, концентрации носителей заряда n и ширины за прещенной зоны материала Eg. Для изучения чувствительности сенсоров к раз личным газам и влажности воздуха в газовом блоке автоматизированного стен да формировали газовую смесь с необходимой концентрацией измеряемого газа или паров воды, которую вводили в измерительную камеру. Кроме этого, ши рину запрещенной зоны рассчитывали по результатам измерения коэффициента оптического поглощения пленок ГЧМ на спектрофотометре СФ-26 в диапазоне длин волн 200...600 нм [303]. Для этого использовали образцы пленок, нанесен ные на кварцевую подложку.

Элементный анализ пленок состава SiO2-SnOx-CuOy, полученных из рас творов с соотношением Sn/Cu = 3,2 показал наличие оксидных соединений (SiO2, SnOx, CuO), a также органических компонентов раствора, которые не улетучились (связи C-H), их концентрация невелика (не более 9 %). Анализ со держания элементов в пленке показывает, что атомов меди - 2,4 %, олова - 7, %, а соотношение в пленке Sn/Cu равно 3, это соответствует соотношению Sn/Cu в растворе.

Газочувствительные характеристики образцов пленок ГЧМ состава SiO2 SnOx-CuOy исследовали по отношению к диоксиду азота, сероводороду, ам миаку и хлороводороду. Газочувствительность пленок характеризовали коэф фициентом чувствительности Sk, который для взаимодействия газов-доноров с оксидными полупроводниками n-типа проводимости (или газов-акцепторов с оксидными полупроводниками p-типа проводимости) определяется формулой у gas у, (5.58) Sk у где у gas - электрическая проводимость пленки газочувствительного материала при воздействии газа заданной концентрации;

у 0 - электрическая проводимость пленки ГЧМ в воздухе при отсутствии газа (соответствует значению проводи мости пленки при концентрации 0 ррm).

Таким образом, результаты исследований показали, что полученный ГЧМ состава SiO2-SnOx-CuOy можно характеризовать как аморфный SiO2 с равно мерно распределенными в нем кристаллитами оксидов олова (SnO, SnO2, Sn2O3, Sn3O4, меди (CuO, Cu2O) и силикатов олова (SnSiO3), размеры которых растут при увеличении температуры отжига с 773 до 873К с 10...13 нм до 14...22 нм, соответственно. Пленка ГЧМ характеризуется наличием 3,4-членных кисло родно-кремниевых кольцевых структур, а соотношение Sn/Cu при ее образова нии из пленкообразующего золь-гель-раствора сохраняется. На поверхности пленки присутствуют, в основном, "кратеровидные" поры, определяющие ее развитость.

Полученный ГЧМ имеет полупроводниковый характер проводимости с энергией активации 0,15...0,17 эВ и шириной запрещенной зоны 0,34...0,5 эВ.

Концентрация носителей заряда составляет (6...7)1015 см-3.

Газочувствительные характеристики при температурах нагрева 100... °C проявляются к диоксиду азота и зависят от атомарного соотношения Sn/Cu в пленке ГЧМ и от температуры ее отжига. Сенсоры диоксида азота, изготовлен ные на основе пленок ГЧМ состава SiO2-SnOx-CuOy, будут иметь динамический диапазон 0...50 ррm при рабочих температурах 100, 150 °C и 0...70 ррm при ра бочих температурах 200 °C. При этом наблюдается отсутствие влияния влаги на результаты измерений.

Таким образом решается актуальная научная проблема создания в рамках групповых технологий микро- и наноэлектроники мультисенсорных систем на основе хеморезисторов из металлооксидных тонких пленок и наноструктур, предназначенных для проведения качественного и количественного анализа га зового состава окружающей среды.

5.2 Выбор методов формирования и способов формирования композици онных материалов Экспертную оценку следует проводить по следующим критериям. По скольку объектом исследования являются газочувствительные полупроводни ковые пленки SnO2 и In2O3, а также твердых растворов на их основе, следует учесть особенности их применения в качестве материалов чувствительных эле ментов газовых сенсоров. На сегодняшний день достоверно известно, что се лективность полупроводниковых металлооксидных пленок может изменяться в зависимости от температуры, качественного и количественного состава приме сей, выполняющих функцию катализатора.

Современные полупроводниковые газовые датчики на основе металлоок сидов имеют рабочий диапазон температур порядка 1800С….3000С. Конкретное значение рабочей температуры датчика зависит от анализируемой среды, тре буемой точности, перекрестной чувствительности к другим газам, технологии получения материла чувствительного элемента, минимального времени восста новления газочувствительности, конструкции элементов датчика и т.д. Сниже ние рабочей температуры датчика остается актуальной и на сегодняшний день.

Это связано не только с необходимостью снижения потребляемой мощности датчика, но и повышением его надежности и увеличением срока службы. По следнее предполагает, что условия эксплуатации датчика, в идеальном случае, соответствует температуре окружающей среды.

Для решения этих задач разработчики и исследователи проводят масштаб ные исследования в двух направлениях:

1) поиск новых и совершенствование используемых технологий полу чения газочувствительных пленок чувствительных элементов;

2) оптимизация качественного и количественного состава каталитиче ской примеси.

Выше проведенный анализ показывает, что эти задачи взаимосвязаны. Ме тод и соответственно технология получения газочувствительной пленки сенсо ра определяют возможности легирования каталитической примесью, а также равномерность ее распределения.

С точки зрения контроля структуры и состава формируемой пленки особое внимание уделяется лишь стехиометрической составляющей. Для полупровод никовых оксидов металлов, в силу особенностей широко используемых в на стоящее время промышленных методов получения газочувствительных пленок, существует проблема кислородных вакансий в анионной подрешетке, а также неконтролируемый синтез материала переменного состава (например, в случае напыления и формирования пленок диоксида олова возможно получение мате рила переменного состава SnO2 – SnO – Sn).

Газочувствительность пленок очевидным образом будет зависеть от степе ни развитости поверхности (отношения площади кристаллитов или кластеров к их объему) и чистоты поверхности с точки зрения ее адсорбционной способно сти. Поэтому в последние годы особое внимание привлекают методы, позво ляющие получать пленки, состоящие из наноразмерных образований газочувст вительного материала (или включающие в себя таковые).

На современном этапе методы получения полупроводниковых газочувст вительных пленок на основе оксидов металлов должны обеспечить следующие показатели:

1) воспроизведение заданного стехиометрического состава;

2) возможность легирования и равномерного распределения каталити ческой примеси;

3) получение пленок с максимально возможной «адсорбционной по верхностью»;

4) технологическая воспроизводимость результатов синтеза пленок;

5) возможность внедрения в массовое промышленное изготовление из делий;

6) возможность получения материала с контролируемым размером на норазмерных кластеров;

7) возможность контролируемого изменения средних размеров кри сталлитов или наноразмерных кластеров.

При выполнении этих условий материал должен иметь соответствующие механические свойства, позволяющие сохранять на время эксплуатации цело стность конструкции чувствительного элемента (включая адгезионные свойства пленки или матрицы к подложке).

Пленки полупроводниковых оксидов металлов получают различными спо собами: напыление в вакууме физическими методами, трафаретная печать, ано дирование, химическое осаждение. Методику получения чистых пленок метал ла с последующим окислением мы не рассматриваем, так как она уже давно признана не перспективной как с точки зрения кинетики процессов окисления, так и с технологической точки зрения.

Среди вакуумных методов тонкопленочной технологии свое применение нашли методы термовакуумного осаждения, магнетронного распыления и им пульсного лазерного испарения (лазерная абляция).

Термовакуумное осаждение не позволяет получать пленки химических со единений заданного состава и имеет сложности легирования при осаждении материала на подложку. Такие методы приемлемы только в тех случаях, когда это не влияет на основные функциональные характеристики напыляемых мате риалов. Для получения чувствительных элементов газовых сенсоров эти мето ды бесперспективны.

Метод магнетронного распыления применяется в промышленности и про должает быть предметом исследований. Причиной такого парадокса является проблемы технологической воспроизводимости и сложности в методе легиро вания пленок в процессе синтеза. Если обобщить результаты исследования, связанные с получением тонких пленок полупроводниковых пленок оксидов металлов методом реактивного магнетронного распыления, то вполне очевиден становится факт: оптимальные режимы и технологические параметры напыле ния сильно отличаются в различных работах.

Это связано с условиями образования пленки. Химическое соединение об разуется на самой мишени, во время транспорта распыленного металла, и, на конец, на подложке. Условия формирования зависят не только от парциального давления кислорода или давления рабочей смеси газов. Это зависит от конст рукции магратрона, взаимного расположения элементов распылительной сис темы, индукции и конфигурации магнитного поля и т.д. Поэтому воспроизвести эксперимент на другом оборудовании с аналогичными параметрами напыления практически не возможно. А поиск оптимальных режимов занимает достаточно много времени. С учетом большой вариации каталитической примеси процесс оптимизации постоянно становится предметом научных исследований.

Метод импульсного лазерного испарения по своему принципу реализации не может быть основой массового промышленного производства изделий. Ме тод может служить для получения уникальных или исследовательских образцов с целью исследования их свойств и дальнейшего поиска оптимальных способов воспроизведения результатов.

Метод трафаретной печати (толстопленочная технология) является очень технологичным и производительным. Основная проблема для его реализации – отсутствие соответствующих паст для формирования полупроводникового чув ствительного элемента газового сенсора. Метод известен и широко применяет ся уже более полувека. Но, к сожалению, до сих пор не получен состав полу проводниковой пасты, которая смогла бы удовлетворить по своим характери стикам требования к чувствительным элементам газовых датчиков. Однако ме тод трафаретной печати находит все более широкое применение для формиро вания резистивных нагревательных элементов полупроводниковых газовых датчиков.

Методы анодирования олова не используются по причине шунтирования верхнего полупроводникового слоя нижним слоем металла. В отличие от алю миния, анодирование не приводит к образованию трехслойной структуры. Ме тод анодирования, возможно, можно пытаться использовать только для получе ния пористой матрицы оксида алюминия для последующего осаждения газо чувствительного материла.

Среди методов химического осаждения уже внедрена спрей-технология и проявляется интерес к золь-гель процессу. Метод химического осаждения из паровой фазы (так называемая CVD-технология), по сравнению с вышепере численными, американскими учеными (еще в 80-х годах) для оксидов металлов была признана бесперспективной. Хотя эта технология до сих пор является наиболее применяемой для получения покрытий из поликремния для солнеч ных элементов (в том числе и на гибкие носители большой площади) и фото элементов на основе полупроводников AIIBVI (типа сульфида кадмия).

Практически оба метода удовлетворяют всем перечисленным выше крите риям. В сравнении золь-гель метод является более предпочтительным по сле дующим причинам:

1) более простой способ равномерного легирования (однородность ле гирования достигается однородностью исходного золя, что не созда ет никаких проблем);

2) управляемый контроль дисперсностью;

3) получение структурированных наноструктур;

4) возможность получения (в ходе исследований) дополнительных улучшений характеристик газочувствительного слоя за счет эффек тов наномасштабирования структуры.

5.3 Выбор методов и средств исследования свойств композиционных материалов и параметров газовых сенсоров Ряд действующих стандартов содержит рекомендации по выбору методов и средств технических измерений. Например, в [326] изложены общие указания по выбору методов и средств технических измерений, исходя только из их мет рологических характеристик. В работе [327] рассмотрен метод «точность – эко номическая эффективность», основанный на установленной связи между точ ностью измерения и экономической эффективностью регистрирующих прибо ров, который заключается в использовании принципа равноточности измерений базовым и новым прибором, различие в точности трансформируется в различие трудоемкости получения равноточных результатов. В то же время, существую щие рекомендации не затрагивают требования, касающиеся степени автомати зации измерений, затрат на метрологическое обслуживание средств измерений и других факторов, связанных с эксплуатационными, эргономическими и т. п.

свойствами методик выполнения измерений. На рисунке 5.1 представлена клас сификация требований, предъявляемых к методам и средствам измерений.

Проанализируем возможность применения методов векторной оптимиза ции к выбору альтернативной измерительной установки по двум критериям k1 : x min x ;

k 2: g min g, где x –показатели точности, присущие альтер нативным методам исследований (метрологические характеристики средств измерений в случае применения экспериментальных методов и погрешности адекватности в случае использования теоретических методов), удовлетворяю щим по всем другим техническим требованиям (диапазонам измерений, степе p ни автоматизации и т.д.), x, где p, p доп - соответственно погрешность p доп метода и предельно допускаемая погрешность, которая не должна быть превы шена в результате выбора альтернативного метода исследования;

g – показате ли затрат на реализацию соответствующего альтернативного метода, которому c присущи затраты с, тогда g при предельно допускаемых затратах cдоп.

cдоп Целью является выбор оптимальных (в рассматриваемом случае, минимальных) значений параметров.

При использовании методов векторной оптимизации в общем случае мо гут быть выделены три этапа [328]:

1) определение частных показателей и критериев эффективности;

2) нахождение множества Парето, формулировка задачи многокритери альной оптимизации в виде:

K ( a ) opt aA K ( a ), (5.59) где K k1,k 2,...,k I - векторный критерий, представляющий собой отображе K a - векторная оценка альтернативы a A ;

R i - шкала;

opt – ние K : A R i ;

оператор оптимизации, определяющий семантику оптимальности;

3) устранение многокритериальности путем решения (5.59), общее реше ние имеет вид:

D a A : a 1 optaA K a. (5.60) Технико-экономические требования к методам и средствам измерений Технические требования Экономические требования Стоимость оборудова Номенклатура парамет ния, сроки выполнения Возможность автомати ров (функциональных работ, затраты на изме зации процесса измере зависимостей);

рения, метрологическое ний и обработки резуль диапазоны измерений;

обслуживание, потери, татов предельно допускаемые вызываемые погрешно погрешности результа стью измерений тов измерений Рисунок 5.1 – Классификация требований к методам и средствам измерений Рассмотрим применение принципа Парето для выявления множества оп тимальных методов исследования из множества альтернатив по двум перечис ленным выше критериям х и g. В простейшем случае, когда метод (измерения или моделирования) предназначен для измерения или моделирования только одного параметра x, выбор множества Парето осуществляется стандартным об x, g 1 является строго предпочтительнее x, g 2, разом: точка если k1 x, g 1 k1 x, g 2 и k 2 x, g 1 k 2 x, g 2, причем хотя бы одно из нера венств должно быть строгим, то есть переход в предпочтительную точку дол жен привести к одновременному уменьшению значений параметров по обоим критериям.

При сложных исследовательских задачах измерительные системы долж ны обеспечивать измерение не одной физической величины, а их множества. В общем случае для каждого параметра присущи индивидуальные предельные погрешности измерений, что приводит к усложнению выбора оптимальных средств измерений.

На рисунке 5.2 изображена область критериев Fk для рассматриваемых значений x и g [329]. Если количество измеряемых параметров более одного, то точность каждой установки характеризуется таким же количеством факторов, а следовательно, сравнивать между собой по критерию min K l можно только одноименные параметры (имеющие одинаковые первые индексы в обозначени ях, например, x11, x12, x13, x14.

Это, в свою очередь, обуславливает пустое множество D (см. выражение (5.60). Тогда для принятия решения возможно уменьшение количества сравни ваемых точностных параметров (таблица 5.1)до количества альтернативных ус тановок и увеличение числа критериев на единицу. По сути, рассмотрение кри терия k2 (см. выражение (5.61) аналогично применению метода последова тельных уступок решения задач векторной оптимизации.

g 1, x14 x34 xср 4 x 0,6 xср1 x11, x x 0, x23 xср x13 x xср x12 x x 0, 0 0,2 0,4 x 0,6 0,8 1, Рисунок 5.2 – Область критериев для рассматриваемых значений x и g Таблица 5.1 – Показатели точности и затрат Модуль Среднее Значение по- значение отклонений Обозначение по- Значение пока казателя за- значений показате казателя точно- зателя точно трат, ля точно- показателя сти, xil сти, xil g l точности, сти, xсрl xотl 0,43 0,50 0,37 0, x 0,43 0, x 0,25 0, x 0,62 0,32 0,78 0, x 0,80 0, x 0,92 0, x 0,34 0,45 0,50 0, x 0,50 0, x 0,65 0, x 0,10 1,0 0,17 0, x 0,25 0, x 0,15 0, x То есть критерий k 2 отображает отклонение значения критерия k1 от среднего. Введем следующие критерии:

k1 : xср min xср ;

k 2 : xот minmaxxот ;

k3: g min g, (5.61) где xср - среднее значение, в зависимости от существенности приоритетов обеспечения точности измерения физических величин выбирают среднеариф метическое (приоритеты равны) или средневзвешенное арифметическое (вес назначается путем ранжирования) значение x для параметров, определяемых конкретным методом, например, для первого метода x x21 x31 0,43 0,43 0, xср1 11 0,37 ;

xот - модуль отклонения xil от 3 среднего значения xср, maxxот - максимальное отклонение от среднего для данной измерительной установки, например, в нашем случае:

xот11 xот 21 xср1 x11 xср x21 0,37 0,43 0,06, xот31 xср x31 0,37 0,25 0,12, maxxот1 0,12. (5.62) Значения xсрl, xотl для всех методов занесены в таблицу 5.1.

Далее для формирования множества Парето осуществляется переход к точкам, удовлетворяющим критериям (5.62). В соответствии с записью вектор ного критерия K k1, k 2, k3 необходимо рассмотреть точки xсрl ;

xотl ;

xотl, соответствующие каждой реализации измерительных установок, имеющей ин декс l. В рассматриваемом примере получим четыре точки: (0,37;

0,12;

0,5);

(0,78;

0,16;

0,32);

(0,50;

0,16;

0,45);

(0,17;

0,08;

1,0). Введение в рассмотрение дополнительного критерия позволяет устранить главный недостаток аддитив ной свертки компонентов показателя точности PR по совокупности измеряемых физических величин, который заключается в том, что уменьшение одного из критериев вплоть до нулевого значения может быть покрыто возрастанием дру гого критерия.

Рассмотрим аддитивную свертку K компонентов k1, k 2, k3 векторного критерия:

M K m k m, (5.63) m где m - весовой коэффициент (коэффициент важности) критерия k m, совпада ет по смыслу с коэффициентом значимости частного показателя качества и оп ределяется коэффициентами Фишберна.

Например, в нашем случае при равнозначности всех трех показателей ка чества анализируемых методов исследований имеем: K1 0,333, K 2 0,420, K 3 0,370, K 4 0,416, откуда следует предпочтение третьего метода, посколь ку K 3 min K l, и этот метод наилучшим образом удовлетворяет заданному критерию.

Если же при заданных показателях качества методов исследования необ ходимо отобрать тот из них, который имеет минимальное значение критерия точности при показателях затрат g 1, то по формуле (5.63) определяется ад дитивная свертка компонентов векторного критерия только применительно к показателям точности. В этом случае получим: K1 0,245, K 2 0,470, K 3 0,330, K 4 0,125, откуда следует вывод о предпочтении четвертого мето да, поскольку он имеет наилучшие показатели точности, K 4 min K l.

В выражениях (5.63) в качестве отклонения xот может рассматриваться среднеквадратичное отклонение, оцениваемое известными методами теории вероятности.

Методы исследования морфологии, качественного анализа и электриче ских свойств материалов, параметров сенсоров. Синтез композиционных ма териалов осуществляется в условиях многовариантных равновесий, когда изме нение одного из термодинамических параметров вызывает изменение процес сов формирования, морфологии поверхности, электрофизических свойств ма териалов и выходных параметров приборов на их основе. Поэтому разработка методики получения газочувствительных пленок с заданными свойствами и чувствительных элементов сенсоров на основе композиционных материалов с контролируемыми выходными параметрами должна базироваться на цепочки закономерностей: условия получения – морфоструктура – свойства композици онных материалов - выходные параметры сенсоров. Для получения таких зако номерностей необходимо комплексное изучение свойств композиционных ма териалов, включающие исследования кинетики формирования, морфострукту ры пленок их электрических свойств с использованием современного аналити ческого оборудования.

Для анализа структуры материалов и определения её параметров сущест вуют различные методы, сравнительные характеристики которых приведены в таблице 5.2. Предел разрешения оптических микроскопов ограничен длиной волны видимого света.

Таблица 5.2 – Сравнительная характеристика различных методов микро скопического исследования поверхности твердых тел Рабочая Размерность Воздействие на Метод Увеличение среда изображения образец Оптический воздух, 103 2D неразрушающий жидкость микроскоп Сканирующий 106 вакуум 2D неразрушающий электронный микроскоп Лазерный 104 воздух 2D неразрушающий микроскоп Ионный мик- 109 вакуум 2D разрушающий роскоп воздух, Сканирующий 10 3D неразрушающий жидкость, зондовый вакуум микроскоп Большинство методов по исследованию морфологии поверхности на микро- и наноуровне, таких как рентгеновская и ионная дифракция, дифракция медленных электронов, электронная оже-спектроскопия позволяют получить только усредненную по поверхности образца картину расположения атомов и не дают информации о высоте и форме поверхностных структурных элементов.

Более того, использование этих методов не дает возможности в деталях разгля деть морфологию поверхностной структуры, требует высокого вакуума, а также не исключают изменений поверхности образца. Сканирующий электронный микроскоп, работающий только в вакууме, позволяет разрешать структурные элементы нанометрового масштаба, но при этом образец должен быть прово дящим, чтобы исключить накопление электрического заряда. Этот метод по зволяет определить псевдотрёхмерное изображение наноструктурных объектов, но не может дать истинного трёхмерного пространственного представления о рельефе, а для получения высокого разрешения требует высокого вакуума и ор ганизации электропроводящего покрытия, деформирующего анализируемую поверхность.

Использование сканирующего зондового микроскопа в режиме скани рующей туннельной (СТМ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ) позволяет решить частично перечисленные проблемы и изучать рельеф как проводящих, так и диэлектрических материалов. Исследования морфологии поверхности различных конденсированных сред (металлов, полупроводников, диэлектриков) методами сканирующей зондовой микроскопии можно проводить как на возду хе, так и в жидкости или в вакууме, и получать трехмерные изображения струк туры с высоким пространственным разрешением. Таким образом, использова ние СЗМ значительно упрощает решение ряда задач для изучения материалов наноразмерного уровня.

Для исследования динамических процессов формирования материалов золь-гель методом, колебательных и электронных состояний наноструктур пла нируется использовать Фурье-спектрометр, где анализ качественного состава материалов основывается на исследование пиков и полос поглощения в инфра красных спектрах пропускания.

При интерпретации ИК-спектров наиболее информативными являются области 2500-1500 см-1 и 4000-2500 см-1. Анализ первой из них позволяет опре делить в структуре соединения непредельные фрагменты: C=C, CC, C=O, C=N, CN, ароматические и гетероароматические ядра. Полосы поглощения в области 4000-2500 см-1 позволяют однозначно идентифицировать такие функ циональные группы как O–H, N–H, S–H, а также различные типы связей угле род–водород Csp3–H, Csp2–H, Csp–H, (O=) C–H (альдегид). При обнаружении в них характеристичных полос валентных колебаний определенных типов связей ре комендуется дополнительно найти полосы соответствующих деформационных колебаний в области 1500-500 см-1, например, в случае связей O–H, N–H, С–H.

Количественный анализ базируется на сопоставлении формы и амплиту ды измеренных спектров анализируемого образца и градуировочных спектров в заданной области спектра. Погрешность, как правило, составляет доли процен та.

Современные спектрометры позволяют регистрировать ИК-спектры газо образных, жидких и твердых образцов.

Анализ электрических свойств газочувствительных пленок и параметров чувствительных элементов сенсоров должен включать исследования частотных и температурных зависимостей сопротивления и емкости (диэлектрической проницаемости).

Для измерения диэлектрической проницаемости в широком частотном диапазоне наиболее широко в настоящее время применяются измерители, реа лизующие метод прямого преобразования комплексной проводимости объекта измерения. Используя современные цифровые технологии синтеза измеритель ного сигнала, построения широкополосных преобразователей ток-напряжение, методы цифровой обработки сигналов они позволяют с высокой точностью производить измерение комплексной проводимости измерительной ячейки в широком диапазоне частот с высокой точностью.

Основными элементами измерителя, с помощью которого реализуется ме тод проводимости источник напряжения воздействия и преобразователь ток напряжение. Если преобразователь ток-напряжение в конкретном преобразова теле не обладает нулевым входным сопротивлением (значением, которым мож но пренебречь), то напряжение на выходе источника измерительного сигнала будет отличаться от напряжения на измерительной ячейке. Погрешность изме рений, обусловленную этим фактором, либо компенсируют схемотехнически в аналоговой форме, усложняя структуру преобразователя и выделяя в чистом виде напряжение на объекте, либо корректируют результат преобразования при числовой обработке измерительных сигналов.


Широкое применение для построения различных узлов преобразователей комплексной проводимости и комплексного сопротивления нашли операцион ные усилители. На основе них строятся широкополосные операционные схемы высокоточных, управляемых напряжением источников напряжения и источни ков тока, преобразователей ток-напряжение с близким к нулю входным сопро тивлением, повторителей напряжения с высоким входным сопротивлением. Все эти устройства обладают высокой линейностью своих характеристик в широ ком диапазоне изменения измерительных сигналов. На основе одной операци онной схемы можно реализовать даже несколько функций преобразователя, на пример, выполнить управляемый напряжением источник тока и повторитель напряжения. Все линейные узлы измерительных преобразователей по методу проводимости, выполненные на операционных усилителях, строятся на основе операционных схем с применением в них как параллельной отрицательной об ратной связи по току и последовательной отрицательной обратной связи по на пряжению, так и комбинированной обратной связи, в которой используется как отрицательная, так и положительная обратная связь.

Поскольку, при измерениях диэлектрических параметров определяется зависимость электрического смещения в материале от электрического поля, значение напряженности которого должно быть заданным и контролируемым, то измерительный преобразователь строится по схеме, в которой осуществляет ся преобразование комплексной проводимости измерительной ячейки в ток.

Основными узлами данного преобразователя являются источник напряжения и преобразователь ток-напряжение, характеристиками которого в основном оп ределяются метрологические характеристики всего преобразователя.

Высокоточный преобразователь ток-напряжение с близким к нулю вход ным сопротивлением строится на базе операционного усилителя. Операционная схема такого преобразователя выполнена на основе применения параллельной отрицательной обратной связи по току.

Эквипотенциальность нулю инвертирующего входа операционного уси лителя в этой схеме делает ее входное сопротивление практически равным ну лю, а сопротивление обратной связи определяет функцию преобразования и все ее характеристики (точность, линейность, температурную и временную ста бильность и др.). Однако при высокоточных измерениях необходимо учитывать статические и динамические характеристики операционного усилителя.

Проводимость измерительной ячейки при измерениях диэлектрических параметров имеет емкостной характер, при этом, ток смещения обычно преоб ладает над током проводимости, обусловленном свободными носителями заря да в материале. Ток смещения пропорционален частоте измерительного сигнала (частоте изменения напряженности электрического поля в материале), поэтому, при использовании в качестве пассивного преобразователя используется ем кость. Такой преобразователь является интегрирующим, напряжение на его вы ходе пропорционально непосредственно электрическому смещению в диэлек трике, а его амплитуда не зависит от частоты измерительного сигнала (зависи мость амплитуды от частоты определяется только активными потерями в ис следуемом диэлектрике). Таким образом, данный преобразователь выполняет нормирующую функцию в отношении амплитуды измерительного сигнала в частотном диапазоне. Кроме того, он выполняет еще функцию низкочастотного фильтра и уменьшает уровень высокочастотных помех в измерительном сигна ле.

Выводы 1. Проанализированы особенности хеморезистивного эффекта в полупро водниках, влияние геометрии и микроструктуры газочувствительных полупро водников на условия хемосорбции газов на их поверхности и электронный транспорт в объеме.

2. Показано, что электрофизические свойства газочувствительных полу проводников модифицируются с помощью "поверхностного" или "объемного" легирования. Вклад каждого из этих механизмов определяется процессами в системе легирующий материал-полупроводник, которые, в свою очередь, зада ются условиями работы и изготовления структур. Механизм газовой чувстви тельности гетероструктур SnO2/Si и SnO2(Me)/Si связан с изменением высоты барьера на гетерогранице SnO2 - Si и модификацией плотности поверхностных состояний.

3. Для дифференциации локальных свойств сенсорных сегментов газо чувствительной пленки предлагается применение вариаций внешне индуциро ванных или «внутренних» факторов:

1) нанесение мембранного покрытия Si02 варьируемой толщины поверх газочувствительной пленки;

2) вариация толщины газочувствительной оксидной пленки.

4. Исследование физико-химических, электрофизических и газочувстви тельных характеристик нанокомпозитных пленок SiO2—SnOx— CuOy показало, что для них справедлив полупроводниковый характер проводимости с энергией активации 0,15...0,17 эВ и шириной запрещенной зоны 0,34...0,5 эВ. Концен трация носителей заряда составляет (6...7)1015 см-3.

5. Газочувствительные характеристики при температурах нагрева 100...200 °C проявляются для диоксида азота и зависят от атомарного соотно шения Sn/Cu в пленке ГЧМ и от температуры ее отжига. Сенсоры диоксида азота, изготовленные на основе пленок ГЧМ состава SiO2—SnOx—CuOy, име ют динамический диапазон 0...50 ррт при рабочих температурах 100, 150 °C и 0...70 ррт при рабочих температурах 200 °C. При этом наблюдается отсутствие влияния влаги на результаты измерений.

6. Вариация внутренних свойств или внешне индуцированные изменения условий работы хеморезистивных неорганических полупроводников позволяют управлять селективностью их отклика к газу, и, соответственно, формировать на их основе (в т.ч. однокристальные) мультисенсорные системы для приборов «электронный нос».

7. Получение газочувствительных пленок золь-гель методом, является, на сегодняшний день, наиболее перспективным направлением получения материла чувствительных элементов полупроводниковых газовых датчиков.

8. Выбор оптимальных значений параметров при использовании методов векторной оптимизации в общем случае включает три этапа: определение част ных показателей и критериев эффективности;

нахождение множества Парето;

устранение многокритериальности.

9. Исследования с использованием Фурье-спектрометра обеспечат изуче ние динамических процессов образования композиционных материалов, их со става на различных стадиях формирования золь-гель методом.

10. Применение сканирующей зондовой микроскопии позволит опреде лить параметры морфоструктуры композиционных материалов для различных условий синтеза.

11. Результаты исследований, полученные с использованием Фурье спектрометра и атомно-силового микроскопа, будут положены в основу теоре тических моделей формирования композиционных материалов на низкоразмер ном уровне.

12. Измерения частотных и температурных зависимостей сопротивления и емкости газочувствительных пленок и чувствительных элементов сенсоров позволят исследовать важный параметр газовых сенсоров – чувствительность, а также физические процессы, протекающие в них при различных температурах и частотах.

6 Выбор моделей формирования и свойств композиционных материалов 6.1 Выбор моделей формирования композиционных материалов на низко размерном уровне Синергетическая модель. Основное понятие синергетики — определение структуры как состояния, возникающего в результате многовариантного и не однозначного поведения таких многоэлементных структур или многофактор ных сред, которые не деградируют к стандартному для замкнутых систем ус реднению термодинамического типа, а развиваются вследствие открытости, притока энергии извне, нелинейности внутренних процессов, проявления осо бых режимов с обострением и наличия более одного устойчивого состояния. В обозначенных системах неприменимы ни второе начало термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме скорости производства энтропии, что может привести к образованию новых структур и систем, в том числе и более слож ных, чем исходные [392].

Этот феномен трактуется синергетикой как всеобщий механизм повсеме стно наблюдаемого в природе направления эволюции: от элементарного и при митивного - к сложносоставному и более совершенному отражает общие черты многих систем, где возникают структуры и возможны явления самоорганиза ции. Необходимые условия такого поведения обычно формулируют следую щим образом:

1) система является термодинамически открытой, т.е. возможен обмен энергией, веществом и т.д. с окружающей средой;

2) макроскопические процессы происходят согласованно (кооперативно, когерентно). В рассмотренных нами примерах такое согласование обеспечива ли диффузионные процессы;

3) отклонения от равновесия превышают критическое значение, т.е. рас сматриваются состояния, лежащие вне термодинамической ветви;

4) процессы рассматриваются в таком диапазоне параметров, когда для их описания необходимы нелинейные математические модели.

Наносистемы далеки от равновесия из-за наличия развитой поверхности частиц размером от 1 до 100 нм (минимум) и от 100 нм до 10 мкм (максимум).

Энергетическим критерием, позволяющим ранжировать сырье по нанотехноло гии матричной основы композита, может быть свободная внутренняя энергия дисперсной системы. Эти характеристики определяются результатом самоорга низации предельно высокодисперсной коллоидной диссипативной системы в жидкой дисперсионной среде (золи), частицы которой независимо одна от дру гой участвуют в интенсивном броуновском движении и поэтому не оседают под действием сил тяжести. Их размеры обычно не выходят за пределы 10 мкм – 100 нм.

Другой энергетический уровень взаимодействия дисперсных частиц в дисперсионной среде представляют гели, которые обладают некоторыми свой ствами твердых тел, способностью сохранять форму, прочностью, упругостью, пластичностью. Эти свойства гелей обусловлены междучастичными молеку лярными силами различной природы и в том числе химией молекул, электрон ным строением молекулярных орбиталей.


Золь-гель метод является разновидностью известного способа синтеза химически модифицированных материалов, который в настоящее время полу чает все большое применение на практике. Согласно определению [393], золь гель методом называют процесс образования геля через стадию золя, хотя не редко сюда же включается и образование порошковых дисперсий, строго гово ря, не являющихся гелями.

Применительно к золь – гель процессам синергетическая модель позволяет определять условия, при которых возможны фазовые переходы, образование гетерогенных систем, их структурирование и кинетические параметры самоор ганизации.

Фрактальная модель. Взаимное сближение частиц зависит от характера движения из них и в значительной степени может определяться закономерно стями броуновского движения. Для нанотехнологий по методу золь-гель отно сительно химии полученного продукта введено понятие фрактал и фрактальная геометрия [394]. Процессы кристаллизации, твердения, коагуляции, коррозии, химического модифицирования поверхности часто протекают с образованием фрактальных структур. Фрактальность вещества определяет физические про цессы, протекающие в дисперсиях.

Траектория частицы при броуновском движении является фракталом. Это послужило предпосылкой для создания компьютерных моделей роста фрак тального агрегата. Такие фракталы называют фрактальными агрегатами или фрактальными кластерами.

Первая модель диффузионно-лимитируемой агрегации была создана Вит теком и Сэндером в 1981 г. Хорошее согласие модели с рядом экспериментов стимулировало развитие компьютерного моделирования роста фрактальных кластеров. Модельные представления об образовании фрактальных агрегатов хорошо описывают и другие объекты, не относящиеся к продуктам агрегацион ных явлений (более того, не являющиеся физическими телами, например явле ния диэлектрического пробоя, образования молнии, смешения жидкости). При рода этих фракталов совсем иная, но из-за близости математических за кономерностей эти физические фракталы также традиционно относят к группе фрактальных агрегатов. Особенности физической природы различных видов фрактальных агрегатов подробно рассматриваются в [395].

Из вышеизложенного следует, что при соблюдении определенных усло вий продуктами золь-гель-технологии могут быть физические объекты, соот ветствующие фрактальным агрегатам. Но это не означает, что любой несплош ной физический объект, если он получен в золь-гель-процессе, является фрак талом. С другой стороны, крайне важно понимание возможности реализации получения фрактальных структур и нахождения эффективных технологических приемов управления фрактальной размерностью (как массовой D так и поверх ностной Ds). Это позволяет целенаправленно вводить комплекс приемов по соз данию новых материалов с уникальными свойствами для приборов нового по коления.

Уже очевидно влияние фрактальной размерности (а, следовательно, раз витости поверхности) на некоторые свойства (адсорбционную способность, ка талитическую активность, селективную проницаемость и др.) фрактальной структуры.

Фрактальные агрегаты начинают образовываться при сколь угодно малых концентрациях частиц. Поэтому фрактальная модель наиболее применима к ранней стадии формирования золя – переход из гомогенной системы в гетеро генную.

Перколяционная модель. Продуктом золь-гель-технологии (при создании нанокомпозитов) могут быть и объекты с фрактальной структурой, но не отно сящиеся к группе фрактальных агрегатов. Это так называемые перколяционные кластеры. Возникновение перколяционных кластеров является предметом ана лиза в перколяционной модели.

В отличие от фрактального кластера, перколяционный (стягивающий) кластер возникает только при превышении концентрации, соответствующей порогу протекания.

Теория перколяции (протекания) — теория, описывающая возникновение бесконечных связных структур (кластеров), состоящих из отдельных элемен тов. Представляя среду в виде дискретной решетки, сформулируем два про стейших типа задач. Можно выборочно случайным образом красить (откры вать) узлы решетки, считая долю крашеных узлов основным независимым па раметром и полагая два крашенных узла принадлежащими одному кластеру, если их можно соединить непрерывной цепочкой соседних крашеных узлов.

Такие вопросы, как среднее число узлов в кластере, распределение кла стеров по размерам, появление бесконечного кластера и доля входящих в него крашеных узлов, составляют содержание задачи узлов. Можно также выбороч но красить (открывать) связи между соседними узлами и считать, что одному кластеру принадлежат узлы, соединенные цепочками открытых связей. Тогда те же самые вопросы о среднем числе узлов в кластере и т.д. составляют содержа ние задачи связей. Когда все узлы (или все связи) закрыты, решетка является моделью изолятора. Когда они все открыты и по проводящим связям через от крытые узлы может идти ток, то решетка моделирует металл. При каком-то критическом значении произойдет перколяционный переход, являющийся гео метрическим аналогом перехода металл-изолятор.

Теория перколяции важна именно в окрестности перехода. Вдали от пе рехода достаточно аппроксимации эффективной среды перколяционный пере ход аналогичен фазовому переходу второго рода.

Явление перколяции определяется:

1) средой, в которой наблюдается это явление;

2) внешним источником, который обеспечивает протекание в этой среде;

3) способом протекания среды, который зависит от внешнего источника.

Перколяция может наблюдаться как в решетках, так и других геометри ческих конструкциях, в том числе непрерывных, состоящих из большого числа подобных элементов или непрерывных областей соответственно, которые мо гут находиться в одном из двух состояний. Соответствующие математические модели называются решеточными или континуальными.

В качестве примера перколяции в непрерывной среде может выступать прохождение жидкости через объемный пористый образец (например, воды че рез губку из пеноообразующего материала), в котором происходит постепенное надувание пузырьков до тех пор, пока их размеров не станет достаточно для просачивания жидкости от одного края образца до другого.

Важной характеристикой перколяционной модели является порог проте кания.

Ввиду случайного характера переключений состояний элементов среды, в конечной системе чётко определенного порога (размера критического кластера) не существует, а имеется так называемая критическая область значений, в кото рую попадают значения порога перколяции, полученные в результате различ ных случайных реализаций. С увеличением размеров системы область сужается в точку [396].

Именно процессы гелеобразования были первыми задачами, где была применена перколяционная модель. Процесс гелеобразования заключается в слиянии молекул. Когда в системе возникают агрегаты, простирающиеся сквозь всю системы, говорят, что произошел переход золь-гель. Обычно считают, что система описывается тремя параметрами – концентрацией молекул, вероятно стью образования связей между молекулами и температурой. Последний пара метр влияет на вероятность образования связей. Таким образом, процесс геле образования можно рассматривать как смешанную задачу теории перколяции [18].

В последние годы широкое применение в нанотехнологии находят золь гель процессы, не являющиеся термодинамически равновесными. На всех эта пах золь-гель процессов протекают многообразные реакции, влияющие на ко нечный состав и структуру ксерогеля. На этапе синтеза и созревания золя воз никают фрактальные агрегаты, эволюция которых зависит от состава прекурсо ров, их концентрации, порядка смешивания, значения pH среды, температуры и времени реакции, состава атмосферы и т. п. Продуктами золь-гель технологии в микроэлектронике, как правило, являются слои, к которым предъявляются тре бования гладкости, сплошности и однородности по составу.

Применение теории перколяции к исследованию газочувствительных датчиков с перколяционной структурой. Для газочувствительных сенсоров но вого поколения больший интерес представляют технологические приемы полу чения пористых нанокомпозитных слоев с управляемыми и воспроизводимыми размерами пор. При этом нанокомпозиты должны содержать фазу для улучше ния адгезии и одну или более фаз полупроводниковых металлооксидов n-типа электропроводности для обеспечения газочувствительности. Принцип действия полупроводниковых газовых сенсоров на основе перколяционных структур ме таллооксидных слоев (например, диоксида олова) заключается в изменении электрофизических свойств при адсорбции заряженных форм кислорода и де сорбции продуктов их реакций с молекулами восстанавливающих газов. Из представлений физики полупроводников следует, что если поперечные размеры проводящих ветвей перколяционных нанокомпозитов будут соизмеримы со значением характеристической длины дебаевского экранирования, газочувстви тельность электронных датчиков возрастет на несколько порядков. Однако на копленный экспериментальный материал свидетельствует о более сложной природе возникновения эффекта резкого повышения газочувствительности.

Резкий рост газочувствительности может происходить на сетчатых структурах с геометрическими размерами ветвей, в несколько раз превосходящими значе ния длины экранирования, и зависеть от условий фракталообразования.

Ветви сетчатых структур представляют собой матрицу диоксида кремния (или смешанную матрицу диоксидов олова и кремния) с включенными в нее кристаллитами диоксида олова (что подтверждается результатами моделирова ния), образующими проводящий стягивающий перколяционный кластер при содержании SnO2 более 50 %. Таким образом, можно качественно объяснить повышение значения порога протекания за счет расхода части содержания SnO в смешанную непроводящую фазу. Однако природа формирования сетчатых структур представляется более сложной. Многочисленные эксперименты по анализу структуры слоев методами АСМ вблизи предполагаемого значения по рога перколяционного перехода не позволили получить достоверных докумен тальных подтверждений эволюции системы с образованием крупных пор по за кономерностям перколяционных моделей. Иными словами, модели роста фрак тальных агрегатов в системе SiO2 – SnO2 качественно описывают только на чальные стадии эволюции золя.

В структурах с иерархией пор протекают сложные процессы адсорбции десорбции, перезарядки поверхностных состояний, релаксационные явления на границах зерен и пор, катализ на поверхности слоев и в области контактов и др.

Простые модельные представления в рамках моделей Ленгмюра и Брунауэра Эммета - Теллера (БЭТ) применимы только для понимания преобладающей ус редненной роли того или иного явления. Для структур с сетчатым перколяци онным строением были выявлены новые эффекты, наблюдающиеся при экспо нировании в атмосфере восстанавливающих газов пористых наноструктур на основе металлооксидов [119].

Из предложенной модели газочувствительных структур с иерархией пор следует, что для увеличения чувствительности адсорбционных полупроводни ковых сенсорных слоев принципиально возможно обеспечить относительно высокое сопротивление образца на воздухе и относительно низкое сопротивле ние пленочных наноструктур в присутствии газа-реагента. Практическое тех ническое решение может быть реализовано путем создания в зернах системы наноразмерных пор высокой плотности распределения, обеспечивающей эф фективную модуляцию процессов токопротекания в перколяционных сетчатых структурах. Это было реализовано с помощью целенаправленного введения ок сида индия в систему на основе диоксидов олова и кремния.

6.2 Выбор моделей свойств композиционных материалов на низкоразмерном уровне Анализ литературных источников показал, что в настоящее время акту альны теоретические исследования по изучению влияния условий получения на микроструктуру и электрофизические свойства оксидных пленок, а также леги рующей добавки меди и размера зерен на газочувствительные свойства пленок SnO2.

Подробно изучено влияние газа-окислителя (кислорода) и газа-восстановителя (пары этанола) на проводимость пленки Sn02:Cu (2 вес.%), толщиной 1 мкм, в условиях вакуума и при атмосферном давлении [268]. На рисунке 6.1 обобщены типичные результаты.

log G, где G- проводи Для оценки наклона кривых приведен параметр m log X мость пленки, X – парциальное давление.

Отмечено, что зависимость G(X) может быть аппроксимирована степен ным законом с постоянным индексом, который часто используется разработчи ками полупроводниковых хеморезисторов, следуя эмпирической изотерме Фрейндлиха, только в узком диапазоне концентраций.

Для объяснения экспериментальной зависимости G(X) выполнен теорети ческий анализ влияния адсорбции этих газов на концентрацию свободных но сителей заряда в тонкой газочувствительной полупроводниковой пленке в рам ках электронной теории адсорбции Волькенштейна [247, 334]. При рассмотре нии газочувствительности исследованных пленок SnO2:Cu, в которых длина Дебая сопоставима по величине с геометрическим размером кристаллитов, при нято упрощение аналитического анализа в рамках приближения плоских зон.

а) относительно изменения давления кислорода в вакуумной камере;

б) относительно изменения давления паров этанола в вакуумной камере;

в) относительно изменения концентрации паров этанола на воздухе Рисунок 6.1 - Изменение проводимости пленок SnO2 в различных атмосферах при Cu -2 вес.%, толщина 1 мкм, рабочая температура T=350 oС При этом газ-восстановитель и газ-окислитель рассматриваются как до нороподобные и акцептороподобные поверхностные примеси. В результате проведенного анализа показано, что концентрация свободных электронов, n, в полностью обедненной полупроводниковой пленке зависит от парциального давления акцептороподобного pa и донороподобного pd газов, причем результа ты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Электрофизические свойства исследованы для гетероструктур на основе нанокристаллического диоксида олова, синтезированного методами магнетрон ного распыления Sn02(mag)/Si, а также для гетероструктур, синтезированных ме тодом пиролиза аэрозоля Sn02(pyr)/Si и Sn02(Me)(pyr)/Si, где Me = Cu, Ni и Pd.

Показано, что типичная вольт-амперная характеристика для гетерострук туры Sn02(pyr)/Si, измеренная в атмосфере осушенного азота при комнатной тем пературе имеет диодный вид и характеризуется наличием выраженного участка насыщения плотности тока jS в области обратных смещений. Это указывает на то, что в области гетероперехода сформирован барьер Шоттки. Вид вольт амперных характеристик для других гетероструктур аналогичен.

Принято, что для смещений U1В ВАХ в первом приближении могут быть описаны уравнением Шоттки eU j j s exp pkT, (6.1) где jS - ток насыщения, р- коэффициент неидеальности.

В области слабых смещений -0.3BU0.3B наблюдается отклонение экс периментальных кривых от теоретических зависимостей. Анализ показывает, что в данном диапазоне смещений в проводимость структуры вносит вклад по следовательно включенный с барьером Шоттки элемент с нелинейной вольт амперной характеристикой, который можно соотнести с наличием переходных слоев на границе раздела. Отклонение от соотношения (6.1) для смещений U1В может быть связано с растеканием тока по слою SnO2. Для данного диа пазона смещений величина тока через барьер Шоттки определяется распреде лением потенциала вдоль слоя SnO2.

Для гетероструктур, полученных методом магнетронного распыления, описать экспериментальные данные в рамках диодной теории Шоттки не уда ется, даже используя большие значения коэффициента неидеальности. По видимому, в гетероструктурах, полученных методом магнетронного распыле ния, вклад переходных слоев на гетерогранице при формировании барьера Шоттки более существенен, чем в структурах, где слой диоксида олова нанесен методом пиролиза. Образование переходных слоев может быть связано с ион ной бомбардировкой в процессе синтеза. Исследование температурных зависи мостей вольт-амперных характеристик показало, что обратный ток носит акти вационный характер для всех гетероструктур. Рассчитанные значения энергии активации могут быть соотнесены с высотой барьера. Для структур SnO2(mag/Si, имеющих различную толщину пленки SnO2, значения энергии активации близ ки в пределах ошибки измерений и составляют (0,27±0,03) эВ.

Таким образом, характер изменения вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик гетероструктур при взаимодействии с газовой фазой позволяет предположить модель газовой чувствительности. Изменение тока насыщения свидетельствует об изменение высоты барьера на гетерогранице.

Высказано предположение [279], что при взаимодействии с газовой фазой изменяются электрофизические характеристики нанокристаллического слоя SnO2, являющегося пористым и обладающего развитой поверхностью. Соглас но литературным данным, молекулы этанола при адсорбции на поверхности SnO2 проявляют донорные свойства [397]. Молекулы NO2 являются акцептора ми, формируя поверхностный уровень в запрещенной зоне, лежащий по энер гии ниже акцепторного уровня хемосорбированного кислорода [398]. Таким образом, адсорбция молекул NO2 приводит к понижению уровня Ферми в слое SnO2 и уменьшению высоты барьера, а этанола - к повышению уровня Ферми и, соответственно, увеличению высоты барьера, что согласуется с эксперимен тально наблюдаемым поведением обратного тока. В области прямых смещений изменение тока через структуру в существенной степени определяется характе ром растекания тока по слою SnO2. Уменьшение сопротивления SnO2 при ад сорбции этанола приводит к увеличению эффективной площади растекания, рост сопротивления при адсорбции диоксида азота приводит к противополож ному эффекту.

Кроме изменения высоты барьера на процессы газовой чувствительности оказывает влияние образование поверхностных (граничных) состояний. Увели чение емкости при адсорбции этанола может быть связано с увеличением плот ности электрически активных поверхностных состояний, уменьшение емкости при адсорбции NO2 - с уменьшением плотности поверхностных состояний. На вклад поверхностных состояний в величину емкости указывает зависимость чувствительности структур к этанолу от частоты переменного сигнала. Увели чение частоты приводит к уменьшению величины чувствительности, что связа но с уменьшением вклада процессов перезарядки поверхностных состояний в величину емкости.

Для гетероструктур SnO2(pyr)/SiO2/Si анализ вольт-фарадных характери стик [279] показывает, что в целом они соответствуют поведению вольт фарадных характеристик для МДП-структур. Плато на прямой ветви, таким об разом, может быть соотнесено с емкостью слоя диэлектрика - SiO2. Увеличение емкости при адсорбции газовых молекул отвечает увеличению диэлектриче ской проницаемости SiO2. Отмечена особая роль SiO2, выращенного аэрозоль гель методом и содержащего протоны H+, причем для гетероструктур с терми чески выращенным SiO2 эффект не наблюдался. Механизм газовой чувстви тельности может вовлекать процессы изменения концентрации протонов в слое SiO2, приводящие к увеличению диэлектрической проницаемости. Все исследо ванные в качестве адсорбируемых веществ молекулы (вода, спирт или NH3) мо гут в той или иной степени участвовать в процессах протонирования SiO2.

Процесс гашения емкости, заключающийся в значительном ускорении процессов релаксации под действием импульсов электрического поля, может быть связан с миграцией протонов и их перераспределением в слое SiO2. При этом величина емкости структуры возвращается к исходному значению.



Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 12 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.