Пошук навчальних матеріалів по назві і опису в нашій базі:

Вадим Присяжний Київський національний університет ім. Т. Г. Шевченка




87.56 Kb.
НазваВадим Присяжний Київський національний університет ім. Т. Г. Шевченка
Дата конвертації10.05.2013
Розмір87.56 Kb.
ТипДокументы
Вадим Присяжний

Київський національний університет ім. Т. Г. Шевченка

(науковий напрям: Фізика і астрономія)
Дослідження газової чутливості сенсорних систем на основі нанорозмірна плівка SnO2
-p-Si


Ключові слова: газочутливий сенсор, адсорбційно активний шар, гетероперехід
Вступ.

На сьогоднішній день розвиток мікроелектронних технологій не обмежується лише різноманітною обчислювальною технікою, адже обмеженням використання при збільшенні аналітично-обчислювальних можливостей сучасних комп’ютерів є доставка зовнішньої інформації (про температуру, тиск, зовнішнє електричне та магнітне поле, газовий склад середовища, електромагнітне випромінювання тощо), тобто інформації, що потребує аналізу та використання. Саме тому, особливо актуальним є питання про прилади, що аналізують параметри зовнішнього середовища (сенсори, датчики) та, відповідним чином, реагують на його зміни (активатори, перетворювачі). Це питання не є новим, так, в багатьох сферах життя сенсорні системи знайшли широке практичне застосування. Прикладом того, що питання сенсорної тематики є актуальними і прибутковими можуть слугувати щорічні міжнародні конференції (в кінці вересня 2007 року завершилась міжнародна конференція IEEE 2007 Sensors), широке коло наукових журналів з сенсорної тематики (Sensors&Transducers e-Digest, IEEE Sensors Journal, Sensors and Actuators та інші).

Не до кінця розв’язаною є проблема створення сенсорних структур та пристроїв обробки в одному технологічному процесі (технології smart sensors) [1]. Адже, створення чутливих датчиків, пристроїв обробки та джерела зворотного зв’язку у одному процесі дозволило б зменшити собівартість та збільшити компактність таких систем. На сьогоднішній день є роботи, в яких, досліджується можливість використання поверхневобар’єрних структур (таких як структури метал-оксид напівпровідник та метал-напівпровідник) для використання у якості газових сенсорів [2,3]. Зміни висоти потенціального бар'єру розглядається в них, як інформаційний параметр, що характеризує зміну газового середовища. В той же час відомі “резистивні сенсори” на основі оксидів металів та польові транзистори на основі структур метал-оксид-напівпровідникових (МОН) [2,3]. Основними недоліком таких систем є висока робоча температура (для оксидних сенсорів), дрейф нуля для МОН-структур, один інтегральний параметр, що описує чутливість до газового середовища для всіх наборів адсорбованих молекул. Одним з шляхів усунення зазначених вище проблем є використання гетероструктур на основі напівпровідникових оксидів металів [4]. Але кращих результатів для розв’язку поставлених вище задач можна досягти при створенні гетероструктур на основі наноструктурованих оксидних напівпровідників та кремнії [5,6,7]. Саме такі дослідження проводяться в даній роботі.

Предметом досліджень є вивчення властивостей нанорозмірних плівок, можливість їх використання у якості чутливого елементу сенсорної приладу, що створений на основі кремнієвої гетероструктури. У якості матеріалу плівки обрано SnO2. Ця плівка нанесена на кремнієву підкладинку. Плівка і підкладинка утворюєть гетероперехід. Використання плівки SnO2, в складі гетероструктури, значно підвищує чутливість таких датчиків до газів, а також дає можливість фіксування зміни резистивних і ємнісних властивостей гетероструктури. Наноструктурні особливості плівки SnO2 дають можливість проникнення молекул газу до межі поділу (інтерфейсу), що викликає зміну його заряду. Чутливість такої структури також залежить від домішок невеликої концентрації (Ni, Pt, Pd). Серед уже отриманих результатів можна виділити можливість використання сенсорних структур для аналізу продуктів видихів людини для виявлення можливих захворювань [8]. Перевагою такого методу над іншими діагностичними засобами є експресність і простота використання. Але, для створення готового приладу необхідно мати чутливу поверхню до певної сукупності газів. В попередніх роботах були досліджені поверхні з домішками Ni [9] та Pt [10]. Метою цієї роботи було дослідження нанорозмірної плівки SnO2
/p-Si.
Експериментальні зразки.

В роботі використовувались зразки, які являють собою гетероструктуру, утворену нанорозмірною плівкою SnO2, леговану атомами Pd, на підкладці р-Si. Нанорозмірна плівка SnO2 наносилася на підкладку кремнію методом високочастотного магнетронного розпилення. Товщина плівки оксиду залежала від часу напилення. В дослідженні було використано наступні зразки:

№ Зразка

d,нм

Зразок №5

4

Зразок №12

7

Зразок №21

10

Зразок №17

15

Зразок №7

20

Табл 1. Параметри зразків, що досліджувалися.

На оксид олова методом термічного випаровування у вакуумі було нанесено золоті контакти (хімічно нейтральні) та створено омічний нікелевий контакт з боку кремнію. Товщина плівки золота близько 500 нм. Таким чином була отримана можливість вимірювати наскрізний струм через гетероструктуру (між золотими контактами та омічним контактом), і, відповідно, похідні вольт – амперних характеристик. На рис. 1 схематично зображена структура зразків, що досліджувались.


Рис. 1. Структура експериментальних зразків

Методика досліджень.

При проведенні експериментальних досліджень вимірювались вольт-амперні характеристики (ВАХ) наскрізного струму через зразок та залежність другої похідної від напруги. Через те, що відхилення вольт-амперних характеристик малі за величиною, аналіз другої похідної ВАХ дозволяє значно підсилити ці відхилення. Існує декілька методів отримання похідної від функції: арифметичне диференціювання, графічне диференціювання, програмне і апаратне диференціювання. Перші два методи є малоточними, програмне диференціювання використовуються при комп’ютерному моделюванні, а при проведенні експериментальних досліджень найлегше здійснювати апаратне диференціювання, пропускаючи сигнал через диференціюючі ланцюжки. Одним з досить точних апаратних методів визначення другої похідної є метод накладання змінного сигналу. Останній метод і використовувся в роботі.

В методі накладання змінного сигналу в коло зразка, крім джерела постійної напруги , розгортки, яка має, як правило, пилкоподібну форму, вводиться джерело, яке дає малий змінний сигнал . Тоді напруга на зразку буде складатися з двох частин і може бути записана так:

(1)

Відповідно , струм, який протікає через зразок є:

(2)

Дану характеристику зразка, яка є неперервною, можна представити у вигляді ряду Тейлора (розклавши вираз (21)):

(3)

В залежності від форми змінного сигналу розрізняють декілька різновидів даного методу. В наших дослідах ми використовували метод модуляції синусоїдою. Подаючи змінну напругу у вигляді і розкладаючи вираз у ряд Тейлора, отримаємо:





. (4)

З формули (4) видно, що амплітуда сигналу на частоті Ω, на яку налаштовано контур, буде містити в якості головного члена величину, пропорційну другій похідній струму через зразок по потенціалу зразка в момент часу вимірювання t0:

.

Експериментально було перевірено, що впливом вищих похідних при такому розкладі і при вибраній амплітуді диференціюючого сигналу можна знехтувати.

Блок-схема установки, на якій проводились вимірювання, зображена на рис. 2. Схема дозволяє вимірювати вольт-амперні характеристики як в стаціонарному, так і в імпульсному режимі, а також вимірювати другу похідну струму через зразок в стаціонарному режимі.



Рис.2 Електрична схема установки.

ЗРАЗОК – структура яка досліджується; ГВЧ – високочастотний генератор; СД– синхронний детектор; UT70B – мультивимірювальний прилад
Блок розгортки напруги дає напругу (0-4)В. Напруга подавалася в коло зразка і вимірювалась мультиметром UT70B, що містить вбудований АЦП і підтримує інтерфейс RS232 для автоматизації з комп’ютером через COM-порт. Для отримання другої похідної в коло зразка через трансформатор вводиться змінний сигнал з ГВЧ із частотою 300-1400 кГц, модульований частотою 1кГц, глибина модуляції – 90%. Сигнал з частотою модуляції, пропорційний другій похідній виділявся трансформатором і підсилювався детектором СД, а також подавався на другий мультиметр UT70B при перемиканні в режим вимірювання другої похідної. Використання синхронного детектора дозволяє зменшити рівень шумів і контролювати знак другої похідної.
Результати.

Основною метою досліджень було: виявити різницю у вольт-амперних характеристиках (ВАХ) у різних газових середовищах та дослідити частотну залежність максимумів другої похідної від частоти модульованого сигналу. Саме ці відмінності і можуть слугувати параметром для майбутніх сенсорних структур. Для зразків, що досліджувались, були досліджені вольт-амперні характеристики в повітрі і в насичених парах води в межах зміни прикладеної до структури постійної напруги (–3...+3) В. На рис. 3 наведено ВАХ для зразка №5 з товщиною плівки 4нм. Для інших зразків ВАХ майже співпадали одна з одною, (наприклад, як показано на рис. 4 для зразка №7 з товщиною 20 нм).



Рис 3. ВАХ в повітрі (чорним кольором) та парах води (синім кольором). Зразок номер 1. Товщина плівки 4нм



Рис 4. ВАХ в повітрі (чорним кольором) та парах води (синім кольором). Зразок номер 7. Товщина плівки 20 нм.
Аналіз логарифмічних залежностей струму показує, що механізм проходження струму через зразок для атмосфери парів води та повітря має відмінності.

Отримані результати зміни другої похідної від прикладеної напруги показують, що амплітуда максимумів другої похідної має певні частотні залежності. На рис. 5 та рис. 6 наведено залежності другої похідної від прикладеної напруги для зразків №5 та №12 (саме вони мають найбільші відмінності в параметрах ВАХ при зміні складу газового середовища). В межах частот модулюючого сигналу від 100 кГц до 2 МГц спостерігаються 2 максимуми і один мінімум, значення частот яких зображено на малюнках для кожного із зразків відповідно.



Рис. 5. Графік залежності другої похідної ВАХ в залежності від складу оточуючого газового середовища при різних частотах модулюючого сигналу для зразка №5 (індекс sd–пари води; pd–повітря).



Рис. 6. Графік залежності другої похідної ВАХ в залежності від складу оточуючого газового середовища при різних частотах модулюючого сигналу для зразка №12 (індекс sd–пари води; pd–повітря).
Для обох зразків, що досліджувались, максимум другої похідної в атмосфері повітря та атмосфері з парами води майже рівні за величиною, але мають максимальне значення другої похідної ВАХ при різних прикладених наругах.



Рис 7. Залежності резонансних частот від товщини зразків в двох різних газових середовищах (індекс а–повітря; індекс w–пари води).
На рис. 7 зображено залежність частот двох максимумів і одного мінімуму на графіку другої похідної ВАХ від товщини експериментальних зразків і оточуючого газового середовища середовища. З цього малюнку можна зробити висновок, що найбільш чутливим до появи парів води в плані зміни резонансної частоти є зразок №12 з товщиною плівки оксиду в 7нм.
Висновки.

В результаті проведеної роботи було показано, що товщина плівки SnO2
впливає як на вигляд вольт-амперної характеристики, так і на частотну залежність максимуму другої похідної наскрізного струму через зразок від прикладеної напруги. В атмосфері повітря та парів води характер вольт-амперної характеристики має різний вигляд для зразка №5 з товщиною 4нм. Якщо параметром, що характеризує склад атмосфери є положення максимуму другої похідної, найбільш ефективною товщиною плівки буде 7нм.

Таким чином в роботі, показано, що існує оптимальна товщина нанорозмірної плівки структура SnO2
/p-Si, при якій зміни параметрів ВАХ мають максимальне значення, що залежать від роду оточуючого газового середовища.

В подальшому, планується вивчення впливу адсорбційних процесів в активній плівці гетероструктури на механізми проходження струму через плівку. З цією метою плануються, як подальші експериментальні дослідження, так і використання методів комп’ютерного моделювання процесів [11] на поверхні адсорбційно активного наноструктурованого шару гетероструктури.
Література.

[1] Julian W. Gardner, V. K. Varadan, Osama O. Awadelkarim Microsensors, MEMS, and Smart Devices john Wiley & sons, LTD, ISBN: 0-471-86109-X, 2001, 522 p.

[2] Spetz A., Helmersson U., Enguist F., Armgarth M., Lungstrom I. Structure and ammonia sensitivity of thin platinym or iridium gates in metal-oxide-silicon capasitors // Thin Solid Films. -1989. -177. -Р. 77-93.

[3] Fang Y.K., Hwang S.B., Lin S.Y., Lee C.C. Trench Pd/Si metal-oxide-semiconductor Schottky barrier diode for a high sensitivity hydrogen gas sensor // Appl. Phys. Lett. -1990. -57. -№25, -Р. 2686-2688.

[4] Yanagida, et al. Gas sensor and gas discriminating method United States Patent: 5,602,324 February 11, 1997.

[5] V.V. Il'chenko Micro-Nano Integration for Smart Gas Sensors Based on Si Heterostructures. 1 - MINANET Workshop-2003. http://www.yole.fr/

[6] Bomk О.I., Il’chenko L.G., Il’chenko V.V., Pinchuk A.M., Pinchuk V.M., Kuznetsov G.V., Strіkha V.I. About the gas sensitivity of contacts metal - silicon with the superthin nickel and titanium films to the ammonia environment // Sensors and actuators В. -2000. -№ 62.-P. 131-135.

[7] Il’chenko V.V., Kravchenko O.I., Grinchenko V.T. Patent of Ukraine № 2003021380 date 17.02.2003; Il’chenko V.V., Kravchenko A.I., Telega V.M., Chehun V.P., Gaskov A.M., Grinchenko V.T. Frequency dependence of the second derivative of the current-voltage characteristic of the heterostructure SnO2-Si at the gas adsorption. Book of abstracts Second IEEE International Conference Sensors. Toronto, Canada, Oct 22-24, 2003, pp.567-568.

[8] M.V.Kvasnitsa, V.V. Ilchenko, A.I.Kravchenko Mass spectrometry of exhalation air as a new approach to testing of illness. Proceedings of the Fourth International Young Scientists Conference on Applied Physics. Ukraine, Kyiv, 2004, p.p.173-175.

[9] Il’chenko V.V., KravchenkoA.I., Skrigun I.V., Gaskov A.M., Grinchenko V.T. Temperature dependence of current - voltage characteristics features of the heterostructure n-SnO2 (Ni) /p-Si at the condition of the gas adsorption. 9th International Meeting on Chemical Sensors Boston, USA, 7-10 July 2002.

[10] M. Morimitsu, Y. Ozaki, S. Suzuki, M. Matsunaga. Effects of surface modification with platinum and ruthenium on temperature and humidity dependence of SnO - based CO gas sensors. // Sensors and Actuators B. 67, 2000. - p. 184–188.

[11] I.I. Bekh, V.V. Il’chenko, A.E. Lushkin, V.V. Prysyazhny. Computer modeling of emission properties of the surface of W(100) with low-density Ba coverage. II International Conference “Electronics and Applied Physics”, October, 11-14, 2006, Kyiv. – p. 49-50.




Схожі:

Вадим Присяжний Київський національний університет ім. Т. Г. Шевченка iconКиївський національний університет імені Тараса Шевченка Навчально-науковий центр радіаційної безпеки
Відкриття: Губерський Леонід Васильович, ректор, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Україна
Вадим Присяжний Київський національний університет ім. Т. Г. Шевченка iconКиївський національний університет імені Тараса Шевченка
...
Вадим Присяжний Київський національний університет ім. Т. Г. Шевченка iconДержавний вищий навчальний заклад «київський національний економічний університет імені вадима гетьмана» кундиревич вадим петрович
Робота виконана на кафедрі міжнародного менеджменту двнз «Київський національний економічний університет імені Вадима Гетьмана» Міністерства...
Вадим Присяжний Київський національний університет ім. Т. Г. Шевченка iconМіністерство освіти І науки України Академія педагогічних наук України Інститут інноваційних технологій І змісту освіти мон україни Київський національний університет імені Тараса Шевченка Дирекція освітніх програм корпорації Intel в
Секційні Засідання (14: 00–17: 00) Київський національний університет імені Тараса Шевченка (вул. Володимирська, 60)
Вадим Присяжний Київський національний університет ім. Т. Г. Шевченка iconПро проведення ІІІ всеукраїнської науково-технічної виставки «Майбутнє України»
«Майбутнє України». Організатори заходу Національний центр «Мала академія наук України», Національний технічний університет України...
Вадим Присяжний Київський національний університет ім. Т. Г. Шевченка iconКиївський національний університет iменi тараса шевченка оголошу є

Вадим Присяжний Київський національний університет ім. Т. Г. Шевченка iconКиївський національний університет імені тараса шевченка
Мета посібника
Вадим Присяжний Київський національний університет ім. Т. Г. Шевченка iconКиївський національний університет імені Тараса Шевченка Інститут журналістики зарубіжналітерату ра
Зарубіжна література (англійська, американська, норвезька, шведська, колумбійська) : Плани практичних занять / Київ нац ун-т ім....
Вадим Присяжний Київський національний університет ім. Т. Г. Шевченка iconКиївський національний університет імені Тараса Шевченка День відкритих дверей

Вадим Присяжний Київський національний університет ім. Т. Г. Шевченка iconКостянець Ольга Іванівна (Київський національний університет імені Тараса Шевченка )

Додайте кнопку на своєму сайті:
ua.convdocs.org


База даних захищена авторським правом ©ua.convdocs.org 2014
звернутися до адміністрації
ua.convdocs.org
Реферати
Автореферати
Методички
Документи
Випадковий документ

опубликовать
Головна сторінка