ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные эксперименты по измерению метрологических характеристик вновь изготовленных типов МДП-сенсоров с различными диэлектрическими и металлическими слоями показали, что свойства сенсоров определяются парными комбинациями металлического электрода с диэлектрическим слоем. Среди десяти новых типов сенсоров найдены один тип с аномально большой и один тип с аномально малой чувстви-тельностями к H2, H2S и NO2. Эти сенсоры представляют интерес для дальнейшего практического использования в газоанализаторах. На пяти новых вариантах сенсоров окончательно подтвержден вывод о том, что наличие каталитических свойств металлического электрода не является необходимым условием для возникновения его чувствительности к газам. Этот важный факт должен быть учтен при создании микроскопической теории механизма чувствительности МДП-сенсоров к газам.
Настоящая работа показала эффективность поиска устройств МДП-сенсоров с улучшенными метрологическими характеристиками. Такого рода работы можно считать новым направлением — "инженерией" МДП-сенсоров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Lundstrom I., Shivaraman M. S., Svensson C. and Lundkvist L. Hydrogen sensitive MOS field-effect transistor // Applied Physics Letters. — 1975. — Vol. 26. — P. 55.
2. Николаев И. Н., Литвинов А. В., Емелин Е. В. Возможности использования МДП-сенсоров в качестве чувствительных элементов газоанализаторов // Датчики и системы. — 2007. — № 5. — С. 66.
3. Николаев И. Н, Литвинов А. В., Емелин Е. В. Механизм чувствительности МДП-сенсоров к концентрациям газов // Датчики и системы. — 2006. — № 7. — С. 66.
4. Жованик Е. В., Куликаускас В. С, Николаев И. Н. Структура переходной области Pd-Si( 111) при лазерном напылении палладия // Физика и химия обработки материалов. — 1998. — № 6. — С. 42.
5. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984. — 377 с.
6. Николаев И. Н., Емелин Е. В., Ноздря Д. А., Соколов А. В. Особенности чувствительности МДП-сенсоров к аммиаку // Сенсор. — 2005. — № 4. — С. 7.
7. Gaidi M, Hazemann J. L., Matko I. et al. Role of Pt aggregates in Pt/SnO2 thin films used as gas sensors. Investigation of the catalytic effect // Journal of the Electrochemical society. — 2000. — N 147. — Р. 3131.
Работа представлена кафедрой 70 Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ".
Артур Васильевич Литвинов — канд. физ.-мат. наук, зав. лабораторией;
® 8-(903)-103-67-95
E-mail: Nikolaev@mephi.ru
Лариса Николаевна Калинина — аспирант;
® 8-(916)-859-45-53
E-mail: Chaika_kln@mail.ru
Игорь Николаевич Николаев — д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры;
® 8-(495)-323-91-64
E-mail: Nikolaev@mephi.ru □
УДК 681.586:543.06
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ГАЗОВОГО СЕНСОРА С НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫМ ПОВЕРХНОСТНЫМ РЕЛЬЕФОМ
И. А. Аверин, В. А. Мошников, А. С. Никулин, Р. М. Печерская, И. А. Пронин
Разработана управляемая методика изготовления стекловидных наноразмерных пленок для чувствительных элементов (ЧЭ) газовых сенсоров на основе физико-математических закономерностей процессов, протекающих при формировании пористых матриц методом золь-гель. Определены оптимальные параметры морфоструктуры поверхности пленок и условия их получения.
Ключевые слова: газовый сенсор, стекловидные пленки, модель, золь-гель-технология, пористые материалы.
Современные нанотехнологии обеспечивают высокое качество приборов функциональной электроники, включая газовые сенсоры, отличающиеся высокой чувствительностью, минимальными размерами, потребляемой мощностью, продолжительным сроком службы и низкой себестоимостью из-за применения золь-гель-технологии.
В 2006 г. мировой рынок газовых сенсоров, включая вторичный рынок измерителей концентрации газа, составлял 3,2 млрд долларов США [1] и к 2010 г. превысил 4 млрд долларов США. В связи с интенсивным развитием мирового производства и увеличением потребления энергоресурсов все большее значение приобретают энергосбере-
24
Sensors & Systems • № 2.2011
гающие технологии. Поэтому актуальной проблемой стало создание экономичных и чувствительных газовых наносенсоров, находящих применение в быту, например, для обнаружения утечки природного газа. Сенсоры, чувствительные к различным внешним воздействиям, постоянно находятся в дежурном режиме, поэтому их энергопотребление должно быть минимальным. Характеристики сенсоров определяет первичный преобразователь — ЧЭ, к параметрам которого предъявляются особые требования по чувствительности и минимальной потребляемой мощности.
Для успешного налаживания в России производства наносенсоров с высоким выходом годной продукции необходимо установить корреляцию между условиями получения сенсоров и их параметрами, разработать модели газочувствительности, определить приемлемые параметры синтеза.
Золь-гель-технология позволяет на приповерхностном слое аморфного диэлектрика создавать наноразмерные поры (5... 1000 нм). Электроны, обуславливающие электрический ток, протекающий по поверхности образца, попеременно проходят через поры — квантовые ямы, заполненные полупроводником 5п02, и туннелируют через диэлектрик — ортокремниевую кислоту. Ширина барьеров а и квантовых ям определяется размерами пор на поверхности, а величина изгиба зон — приложенным напряжением. Задача данной работы сводится к оптимизации коэффициента прозрачности Б данной многобарьерной структуры (рис. 1) для достижения высоких выходных параметров газового сенсора.
Исходя из плотностей входящего потока вероятности ¡1 и выходящего у, имеем для коэффициента прозрачности данной структуры:
Б = Иш
X
/+) ■Iп
/(+) ¡1
(1)
ш
где ] = ------- (¥¥' - ¥¥').
2 т
Волновые функции ¥ рассчитываются из стационарного уравнения Шредингера при условии, что приложенное напряжение и высота барьеров
не зависят от времени: к2
- 2т '(*) + (4е* + и)¥(х) = Е ¥(*),
где 4 — заряд электрона; е — напряженность приложенного поля; Е — полная энергия частицы; т — эффективная масса электрона в кристалле; к — постоянная Планка; ¥ — волновая функция; и — потенциальная энергия.
и' I II III
Е и
0 а х
Рис. 1. Фрагмент потенциального рельефа структуры
Решение уравнения Шредингера для квантовых ям имеет следующий вид:
¥j (*) = Л; ехр
Т
2т(Е- и1 - е4*)*
1к
+ В, ехр
---Л/2т(Е- и1 - е4*)*
(2)
где и — энергия дна квантовой ямы; у — порядковый номер квантовой ямы.
Для потенциальных барьеров высотой Щ-
¥, (*) = С, ехр
1 / 2 т (и2 + е4* - Е) *
+ Су ехр
- т (и2 + е 4* - Е) *
(3)
Для решения уравнений (2)—(3) необходимо знать значения постоянных Л, В, С, С, которые определяются из условия непрерывности волновых функций и их первых производных на границах квантовых ям:
¥( * ); = ¥( * ); + 1 й¥(*) _ й¥(*+ 1
(4)
й*
й*
При решении задачи оптимизации размера пор для случая с одним барьером и одной квантовой ямой без учета интерференции волн де Бройля отпадает необходимость в численных методах анализа.
Тогда решения уравнения Шредингера для областей I, II, III запишутся соответственно:
¥( *) ¥( *)
А ехр к*/2 тЕ* + В1 ехр|^ --42тЕ* Л2 ехр[ --72 т (Щ - Е) х] + + В2ех^---Л/2т(и2 - Е)* ¥(*)з _ Л3ехр у2тЕ*
(5)
Коэффициент прозрачности потенциального барьера, определяемый уравнением (1), для данной симметричной задачи с учетом совокупности уравнений (5) имеет вид: Б = |Аз|2/|А1|2.
Учитывая (4), получим систему из четырех уравнений:
А1 + В1 = А2 + В2;
А
В
А,
-¡42тЕ + ¡^42тЕ = 2т(и2 - Е) +
В
^2т(и2 - Е);
А
В
А
^2т(и2 - Е)а + 2т(и2 - Е)а = i-П-42тЕа;
А2 ехр
У 2т (и2 - Е) а = А3 ехр
+ —2 ехр
Ъ 2т (и2 - Е) а
■¡л/2 тЕа п .
Графическая интерпретация зависимости Б(Е, а) представлена на рис. 2.
Б =
1+
8И2[а42т(и2 - Е)
4л/2тЕ Г1 -1>/2тЕ п V п
Видно, что при малых энергиях частицы и больших размерах пор вероятность туннелирова-ния ничтожна. Таким образом, оптимальный размер пор лежит в интервале единиц нанометров. Реализовать такую геометрию поверхности возможно изменением технологических режимов синтеза газовых сенсоров [2].
Кинетику эволюции золя при начальной концентрации ортокремниевой кислоты С0, опреде-
Рис. 2. Зависимость коэффициента прозрачности потенциального барьера от полной энергии частицы и диаметра пор
Рис. 3. Типичная морфоструктура поверхности пленок
2
ляет закон Смолуховского [3]: йС/йт = — КС0 , где йС/йт — скорость изменения концентрации молекул в растворе; К — константа, зависящая от температуры и вязкости раствора.
Золь наносится методом центрифугирования на подложки из ситалла и для получения стеклообразной массы дополнительно отжигается. Критерием оценки морфоструктуры поверхности являются два параметра: диаметр пор и общая пористость поверхности, определяемая плотностью структуры. Факторы, влияющие на данные величины — температура Т и время т отжига пленки. Типичная морфоструктура поверхности пленки в атомно-силовом микроскопе приведена на рис. 3.
При увеличении температуры отжига от 500 до 800 К средний диаметр пор возрастает от 25 до 500 нм. Эта закономерность согласуется с теоретической моделью, разработанной на основе закона Смолуховского и свойств фрактала Жюлье-на, выбранного в качестве фигуры роста данного процесса. Согласно этому закону диаметр пор, определяемый как размер поликонденсированной частицы, равен [4]:
1п ( 1 + -
4 кТС0т
3 л
а(т, Т) = ау
1п (у)
где а — размер молекулы ортокремниевой кислоты; у — коэффициент, характеризующий, во сколько раз увеличится радиус агрегата после одной итерации; к — постоянная Больцмана; п — вязкость раствора. Увеличение времени отжига также приводит к росту диаметра пор.
Зависимость пористости от условий получения для данной структуры имеет следующий вид [4]:
р(т, Т) = 3а
Б
4п
1Ы1 + 4^^ ^Б - 3
3П
ау
1п (у)
+
п
26 - Бепвогв & БувЬетв • № 2.2011
где Б — фрактальная размерность, рассчитанная для фрактала Жюльена, равна 1п(7)/1п(3) = 1,77. Как видно из зависимости, плотность структуры с увеличением размера агрегата уменьшается, а пористость соответственно растет.
Рассмотрим влияние анализируемого газа на свойства поверхности газочувствительной пленки на основе стекловидных наноматериалов. При контакте газа с кластерами четырехвален
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.