WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

Из предложенной модели газочувствительных структур с иерархией пор следует, что для увеличения чувствительности адсорбционных полупроводниковых сенсорных слоев принципиально возможно обеспечить относительно высокое сопротивление образца на воздухе и относительно низкое сопротивление пленочных наноструктур в присутствии газа-реагента. Практическое техническое решение может быть реализовано путем создания в зернах системы наноразмерных пор высокой плотности распределения, обеспечивающей эффективную 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. В процессе термообработки нанокомпозитов в системе SiO2 – SnO2 – In2O3 возможны химические процессы, нежелательные для образования наноструктурированных слоев, поэтому в работе производился фазовый анализ процессов взаимодействия компонентов при формировании наноструктур методами рентгеновского фазового и дифференциально-термического анализов (РФА и ДТА) и теоретический физико-химический анализ методом построения диаграмм парциальных давлений в широких диапазонах температур и давлений (в системе компьютерной математики Mаthcad). С учетом комплексных изучений свойств наноструктур на основе диоксида олова, оксида индия и диоксида кремния были выбраны оптимальные температуры отжига пленочных наноструктур, выше и ниже которых чувствительность к газам-реагентам уменьшалась. Для системы, где в качестве прекурсоров были выбраны ТЭОС, SnCl2·2H2O и In(NO3)3, значение оптимальной температуры отжига нанокомпозитов – 600 С, для системы SiO2– SnO2–In2O3, где в качестве прекурсоров были взяты ТЭОС, SnCl2·2H2O и In2(SO4)3 – 700 С, для системы SiO2–SnO2–In2O3, где в качестве прекурсоров были выбраны ТЭОС, SnSO4 и In2(SO4)3 – 900 С. Варьирование условиями приготовления растворов-золей в системе диоксид кремния – диоксид олова – оксид индия позволило увеличить значения чувствительности нанокомпозитов в 40 раз при воздействии восстанавливающими газами.

В пятой главе приведены экспериментальные результаты по диагностированию сенсорных наноструктур на основе диоксида олова на специально созданной лабораторной установке, сочетающей возможности исследования наноструктур методом спектроскопии адмиттанса в диапазоне частот от 100 Гц до 1 МГц в условиях изменения газовой среды и температуры детектирования газов-реагентов. Для обработки экспериментальных данных адмиттанса использовался метод комплексной плоскости, на которой адмиттанс, как и любое комплексное число, представлялось в виде зависимостей реальных и мнимых компонент комплексной диэлектрической проницаемости (диаграммы КоулаКоула). На рис. 8 для образцов на основе диоксида олова, в полулогарифмических координатах представлены типичные частотные зависимости реальных и мнимых эффективных компонент комплексной диэлектрической проницаемости в атмосфере воздуха (рис. 8 а), в присутствии паров ацетона (рис. 8 б) и паров этанола (рис. 8 в) при температуре детектирования 360 С. На графиках зависимости активной составляющей комплексной диэлектрической проницаемости наблюдались один или два релаксационных максимума, удовлетворяющие условию 11 = 1 и 22 = 1, где i - угловая частота, а - время релаксации i в точке релаксационного максимума. На рис. 9–11 приведены экспериментальные диаграммы Коула-Коула в атмосфере воздуха (рис. 9), в присутствии паров ацетона (рис. 10) и паров этанола (рис. 11) при температуре детектирования 360 С для образцов, частотные зависимости активной и реактивной составляющих комплексной диэлектрической проницаемости которых были представлены выше. Как видно из зависимостей, изображенных на рис. 9-11, в низ кочастотной области в присутствии газа-восстановителя наблюдается дополнительная релаксация. Необходимо отметить, что изменение сопротивления а б в Рис. 8. Частотные зависимости реальных и мнимых эффективных компонент комплексной диэлектрической проницаемости для образцов на основе диоксида олова в атмосфере воздуха (а), в присутствии паров ацетона (б) и паров этанола (в) на постоянном токе отвечало классическому характеру. Значение сопротивления нанокомпозитов уменьшалось как при воздействии паров этанола, так и паров ацетона. Для более детального изучения установленных закономерностей была разработана специальная программа в среде LabVIEW, обеспечивающая расчет значений параметров сегментов в низкочастотной и высокочастотной областях. Результаты моделирования показали, что в атмосфере воздуха в диапазоне температур от Рис. 9. Экспериментальная диаграмма до 400 С наблюдается не одна, а две Коула-Коула в атмосфере воздуха полуокружности, центры которых достаточно близко расположены к друг другу.

При детектировании восстанавливающих паров ацетона и паров этанола в диапазоне температур от 300 до 400 С центры 2-х полуокружностей расходятся и смещаются в более низкочастотную область. При этом параметры смещения зависят от природы детектируемого газа. Наиболее упрощенная эквивалентная электрическая схема может быть представлена в виде двух последовательно соединенных параллельной RV - СРЕV - цепи, связанной с объемными свойствами зерен (для более высокочастотной области) и RМЗГ - СРЕМЗГ - цепи, характеризующей межзеренные границы кристаллитов (для более низкочастотной области, где R – сопротивление резистора, CPE – элемент постоянной фаn зы, импеданс которого описывается формулой Z = 1 (A( j) ), при этом предэкспоненциальный частотно независимый множитель A иллюстрирует физический смысл и размерность емкости). Выявлено, что при детектировании восстанавливающих газов значение фактора пропорциональности для зерен AV слабо меняется, а значение предэкспоненциального частотно независимого множителя для межзеренных границ АМЗГ существенно увеличивается, что связано с суммарным эффектом уменьшения области обедненного заряда на границе зерен, моделированием каналов протекания, перезарядки поверхностных состояний и др. Анализ экспериментальных результатов и теоретических модельных представлений позволяют сделать вывод о том, что в условиях изме- нения газовой среды можно управлять адмиттансным откликом путем наложения на систему наносенсоров возмущающего воздействия с переменной частотой в диапазоне температур от Рис. 10. Экспериментальная диаграмма Коула-Коула 300 до 400 С, что раскрыв присутствии паров ацетона вает новые перспективы для увеличения чувствительности и селективности мультисенсорных систем типа «электронный нос». Оценочные расчеты в рамках упрощенной модели показали, что значения величин Рис. 11. Экспериментальная диаграмма Коула-Коула энергий активации процесса в присутствии паров этанола релаксационной поляризации для низкочастотной области составляют 0.57 эВ, 0.23 эВ и 0.19 эВ, для высокочастотной области – 0.41 эВ, 0.29 эВ и 0.22 эВ в атмосфере воздуха, в присутствии восстанавливающих паров ацетона и восстанавливающих паров этанола, соответственно. В заключительном подразделе рассмотрены перспективы продолжения исследований по формированию золь-гель методом сетчатых полупроводниковых пленочных нанокомпозитов на поверхности сегнетоэлектрических подложек, что может быть использовано для создания резисторных элементов памяти с электрических управлением. Эта работа начата в 2009 г. и выполняется при поддержке АВЦП "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы), Федерального агентства по образованию Российской Федерации, проект 2.1.2/2696.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты работы, полученные автором.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ • 1. В нанокомпозитах двухкомпонентной системы SiO2 – SnO2 по результатам атомно-силовой микроскопии и исследований проводимости обнаружено возникновение проводящего перколяционного кластера при содержании диоксида олова более 50 %.

• 2. Разработаны программные продукты и проведено компьютерное моделирование роста фрактальных агрегатов в рамках модифицированной модели диффузионно-лимитированной агрегации, которая позволяет проследить эволюцию в двухфазной нанокомпозитной системе и предсказать увеличение значения порога протекания из-за различия температурно-временных режимов образования фрактальных кластеров проводящей и диэлектрических фаз, а также соотношения их геометрических размеров.

• 3. Разработаны программные продукты, обеспечивающие анализ эволюции фрактальных агрегатов в одновременно протекающих процессах диффузионно-лимитируемой и кластер-кластерной агрегации, которые внедрены в учебный процесс.

• 4. Впервые экспериментально определены несколько различных этапов эволюции фрактально агрегированных систем на основе диоксидов олова и кремния: диффузионно-лимитируемая и кластерно-кластерная агрегация; формирование сферических форм; развитие лабиринтных структур; образование перколяционных сетчатых структур.

• 5. Предложена модель формирования сетчатых структур с многоуровневой иерархией пор, согласно которой в перколяционных сетчатых наноструктурированных слоях, полученных с помощью золь-гель технологии, могут наблюдаться три или более типа пор, структура и размер которых будет предопределяться процессами формирования и эволюции фрактальных агрегатов в процессе кластер-кластерной агрегации, происходящей на стадии приготовления полимерных растворов-золей, а также условиями спинодального распада из-за «химического охлаждения».

• 6. В среде labVIEW были произведены расчеты физико-химических процессов, происходящих при адсорбции газов на основе двух моделей - мономолекулярной и полимолекулярной, которые позволили оценить соотношение энергий адсорбции и десорбции газов.

• 7. Получены 3D-перколяционные сети с различными геометрическими размерами проводящих ветвей.

• 8. Показана возможность развития диагностики адсорбционной однородности проводящих ветвей перколяционных металлооксидных нанокомпозитов, на основе методик анализа зависимостей сопротивления полупроводниковых слоев в первоначальные моменты времени подачи восстанавливающего газареагента.

• 9. Оценены значения величин энергий активации процесса релаксационной поляризации для низкочастотной области которые составляют 0.57 эВ, 0.23 эВ и 0.19 эВ, для высокочастотной области – 0.41 эВ, 0.29 эВ и 0.22 эВ в атмосфере воздуха, в присутствии восстанавливающих паров ацетона и восстанавливающих паров этанола, соответственно.

• 10. Выбраны оптимальные температуры отжига нанокомпозитов, полученных золь-гель методом, на основе диоксида олова, диоксида кремния и оксида индия.

• 11. Введение полупроводниковой каталитической добавки оксида индия в двухкомпонентную систему на основе диоксидов олова и кремния на порядок увеличивает чувствительность и селективность наноструктурированных слоев к восстанавливающим газам-реагентам.

• 12. Показана возможность формирования золь-гель методом сетчатых полупроводниковых пленочных нанокомпозитов на поверхности сегнетоэлектри ческих подложек, что может быть использовано для создания резисторных элементов памяти с электрических управлением.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи из перечня изданий, рекомендованных ВАК:

1. Грачева, И.Е. Синтез и исследование газочувствительных слоев на основе нанокомпозитов системы SnO2 – SiO2 – In2O3 [Текст] / И.Е. Грачева, О.Ф. Луцкая, А.И. Максимов и др. // Известия государственного электротехнического университета. Сер. Физика твердого тела и электроника. – 2005. – Вып. 2. – С. 18-23.

2. Грачева, И.Е. Фазовые и структурные превращения в нанокомпозитах на основе SnO2 – SiO2 – In2O3 [Текст] / И.Е. Грачева, А.И. Максимов, В.А. Мошников, О.Ф. Луцкая // Известия государственного электротехнического университета. Сер. Физика твердого тела и электроника. – 2006. – Вып. 2. – С. 40–44.

3. Грачева, И.Е. Автоматизированная установка для измерения газочувствительности сенсоров на основе полупроводниковых нанокомпозитов [Текст] / И.Е. Грачева, А.И. Максимов, В.А. Мошников, М.Е.

Плех // Приборы и техника эксперимента. – 2008. – № 3. – С. 143-146.

4. Грачева, И.Е. Возмущающее электрическое воздействие с переменной частотой как новая перспектива для увеличения чувствительности и селективности в системах типа «электронный нос» [Текст] / И.Е. Грачева, В.А. Мошников // Известия Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена. Естественные и точные науки. Физика. – 2009. – № 11 (79). – С. 100-107.

статьи из других источников:

5. Грачева, И.Е. Анализ газочувствительных фрактальных структур на основе диоксида олова методом атомно-силовой микроскопии [Текст] / И.Е. Грачева, В.А. Мошников // Известия государственного электротехнического университета. Сер. Физика твердого тела и электроника. – 2008. – Вып. 5. – С. 3–10.

6. Грачева, И.Е., Анализ процессов на поверхности газочувствительных наноструктур методом спектроскопии полной проводимости [Текст] / И.Е. Грачева, В.А. Мошников // Известия государственного электротехнического университета. Сер. Физика твердого тела и электроника. – 2008. – Вып. 6. – С. 19–24.

7. Gracheva Irina E. AFM techniques for nanostructures materials used in optoelectronic and gas sensors (Грачева И. Исследование методом атомно-силовой микроскопии наноструктурированных материалов, используемых для оптоэлектронных и газовых сенсоров) [Текст] / Irina E. Gracheva, Yulia M. Spivak, Vyacheslav A. Moshnikov (И.E. Грачева, Ю.М. Спивак, В.А. Мошников) // Eurocon-2009. International IEEE Conference, May 18-23, 2009. – Saint-Petersburg, Russia, 2009. – P. 1250-1253.

к моменту защиты выходит из печати статья:

Грачева, И.Е. Анализ особенностей строения фрактальных нанокомпозитов на основе диоксида олова методами атомно-силовой микроскопии и рентгеновского фазового анализа [Текст] / И.Е. Грачева, А.И. Максимов, В.А. Мошников // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2009. – Вып. 10.

Pages:     | 1 | 2 ||






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»