WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 1998, том 68, № 2 08;12 Анализ газов и индуцируемых ими поверхностных процессов с помощью поверхностных акустических волн © В.И. Анисимкин1, И.М. Котелянский1, Э. Верона2 1 Институт радиотехники и электроники РАН, 103907 Москва, Россия 2 Институт акустики им О.М. Кобрино, СНИ, Рим, Италия (Поступило в Редакцию 28 октября 1996 г.) Получено аналитическое выражение для величины газового ”отклика” поверхностной акустической волны (ПАВ). Проведена его экспериментальная проверка. Теоретически предсказаны и экспериментально подтверждены основные особенности детектирования газов с помощью ПАВ. Проведено сравнение ПАВ датчиков газов с газочувствительными покрытиями и без них. Предложена методика определения с помощью ПАВ относительных изменений плотности / и упругих модулей C11/C11, C44/C44 пленок при адсорбции (десорбции) газов. Показана возможность использования этой методики для анализа процессов адсорбции и десорбции. Проведено сравнение адсорбционных свойств поликристаллических, термически осажденных пленок палладия до и после их низкотемпературного отжига в вакууме, а также неотожженных пленок Pd и Pd : Ni. Обсуждены перспективы использования ПАВ для детектирования газов и изучения индуцируемых ими поверхностных процессов.

Введение и уравнений Максвелла. Однако для наиболее распространенного на практике случая поликристаллической Одним из наиболее молодых направлений в области пленки малой толщины h и с малым характерным создания датчиков для анализа химического состава размером кристаллитов d пленку можно считать окружающей среды являются устройства (рис. 1), работа упруго изотропной и характеризовать ее только двумя которых основана на использовании поверхностных аку- модулями упрогости 2-го порядка C11, C44 и плотностью стических волн (ПАВ) [1]. Принцип действия таких дат-. В этом случае для расчета ПАВ в базовой структуре чиков базируется на изменении скорости распростране- можно применить метод возмущений [2], согласно котония волны V при адсорбции пленкой-адсорбентом атомов рому ”отклик” ПАВ представим в виде [3] и молекул тестируемого газа-адсорбата. Относительные V h изменения скорости V/V (ПАВ ”отклик”) фиксируют= V ся на выходе устройства как относительные изменения фазы / или частоты f / f. Частотный вид ”откли- Cка” выгодно отличает датчики на ПАВ от других суще C44 1- C A + B + ствующих аналогов, поскольку он облегчает совмещение - - 1C, (1) C C44 Cдатчиков с цифровыми системами обработки данных, а также повышает точность и чувствительность измерений:

где коэффициенты при типичных значениях рабочих частот ( f 100 MHz), линейных размеров (L l 10 mm, 20 µm) и A = (Ax)2 +(Ay)2 +(Az)2 V ;

полной фазы ( = 360L/ 200 000) минималь ные величины ПАВ ”откликов” находятся на уровне B= 4(Az)2 +(Ax)2 C44;

0.01-0.5 · 10-6, а пороговые концентрации газов — на уровне 10-7-10-6%. Отметим, что столь высокая C = 4(Ax)2 (C44)2/C11; (2) чувствительность ПАВ достигается в условиях большой Ax, Ay, Az — нормализованные механические смещения длины акустической волны по сравнению с толщиной ПАВ в подложке в геометрии рис. 1.

газочувствительной пленки h (h/ 1), т. е. при малой Первый множитель в (1) пропорционален величине концентрации волновой энергии в пленке.

h/ — нормированной толщине пленки и учитывает зависимость отклика от доли энергии акустической волны, сконцентрированной в этой пленке [4]. При h/ 1. Основное уравнение доля энергии волны практически пропорциональна норВ общем случае характеристики распространения мированной толщине пленки [5].

ПАВ в базовой структуре (рис. 1) с пьезоэлектрически- Зависимость ”отклика” от изменений физических ми и анизотропными подложкой и пленкой рассчиты- свойств адсорбированной пленки учитывается в (1) ваются с помощью механических уравнений движения вторым множителем, содержащим величины /, 74 В.И. Анисимкин, И.М. Котелянский, Э. Верона C11/C11, C44/C44. Эти величины отражают изменения упругих свойств пленки под действием адсорбированного газа. В случае, когда пленка помимо упругих меняет также другие свои свойства, например проводимость, в уравнении (1) появляются дополнительные слагаемые, учитывающие эти изменения.

Поскольку сочетание трех величин /, C11/C11, C44/C44 различно для разных пленок (П), газов (Г), их концентраций (К) и температуры (Т), то это сочетание может рассматриваться в качестве характеристики системы ПГКТ. В частности, для одной и той же пленки Рис. 1. Конструкция типичного датчика газов на ПАВ.

и температуры значения /, C11/C11, C44/C44, 1 — пьезоэлектрическая подложка; 2 — газочувствительная вообще говоря, различны для разных газов даже при пленка; 3 — встречно-штыревые преобразователи для возбуждения и приема ПАВ; L — расстояние между преобразоватеодинаковой их концентрации, а для одного и того же лями; h — толщина пленки; — длина волны возбуждаемой газа — разных его концентраций.

ПАВ; l — протяженность пленки вдоль направления распроСправедливость выражения (1) проверялась эксперистранения волны; x, y, z — оси декартовой системы координат, ментально на пленках Pd и смеси 1% H2 + N2 [6] следуиспользуемой при расчете выражения (1).

ющим образом. Вначале для данной системы ПГКТ экспериментально определялись значения /, C11/C11, C44/C44 (подробнее см. раздел 2). Затем, используя эти значения, по выражению (1) рассчитывались величины равновесия в системе газ–пленка. Эти скорости, вообще ПАВ ”откликов” V/V для двух тестовых структур с говоря, различны для разных сочетаний тестируемый идентичными пленками, но отличающимися подложками.

газ–пленка и для каждого конкретного случая должны Рассчитанные значения мало отличались от эксперименопределяться индивидуально. Методика экспериментальтальных данных (табл. 1).

ного определения временных зависимостей параметров Выражение для ПАВ ”отклика” V/V, соответствую/, C11/C11, C44/C44 и коэффициентов, и щее состоянию равновесия в системе газ–пленка, легко изложена ниже.

преобразуется в выражение для временной зависимости Отметим, что выражение (3) справедливо также для V/V в период отсутствия равновесия. Для этого в временного изменения ПАВ ”отклика” из-за воздействия первом приближении временные зависимости параме окружающей среды, т. е. для ”старения” ”отклика” со тров /, C11/C11, C44/C44 в периоды отсутствия временем. При этом под V/V следует понимать равноравновесия аппроксимируются линейными функциями весное значение ”отклика” при соответствующем t, где вида / = t, C11/C11 = t и C44/C44 = t.

t — время, отсчитываемое от начала изготовления пленПри подстановке этих функций в выражение (1) и линеки;, и — скорости изменения плотности и модулей аризации полученного выражения по малому параметру упругости пленки из-за воздействия окружающей среды.

времени t, получаем выражение для временной зависи Разумеется, величины, и в этом случае несут иной мости неравновесного ”кинетического отклика” ПАВ физический смысл.

V h = t -A + B +(-2)C. (3) 2. Методика определения изменений V плотности и модулей упругости Из выражения (3) видно, что в отличие от равно2-го порядка тонкой пленки весного ПАВ ”отклика” (1) его ”кинетический отклик” при адсорбции газа зависит не только от параметров A, B, C, т. е. от значений V, Ax, Ay, Az в материале подложки и значений, C11, C44 При адсорбции атомов и молекул из газовой фазы на в материале пленки, но также и от значений коэффициенвнешнюю поверхность, а также вследствие процессов тов,,, отражающих скорости изменений плотности проникновения адсорбированных частиц в кристалличеи модулей упругости пленки в период установления скую решетку пленки их диффузии по межкристаллитным границам, капиллярной конденсации в пространстве между кристаллитами, захвата на кристаллиты и границу Таблица 1. Сравнение экспериментальных значений ПАВ пленка–подложка в общем случае могут происходить ”откликов” с рассчитанными из уравнения (1) (газовая смесь 1% H2 + N2, 20C) изменения массы, объема, плотности, сил межатомного взаимодействия и, следовательно, упругих модулей V /V, 10-6 V /V, 10-2-го порядка пленки. Изменение массы пленки можно Тестовая структура (расчет по (1)) (эксперимент) определять с помощью известной методики кварцевого Пленка Pd/ZnO/(001)–Si -110 -115 микробаланса [7], в которой используют объемные типы Пленка Pd/ZnO/(111)–Si -375 -акустических колебаний.

Журнал технической физики, 1998, том 68, № Анализ газов и индуцируемых ими поверхностных процессов... Для определения относительных изменений плотности пленки, газа, его концентрации и температуры, т. е. заи упругих модулей пленки нами разработана методи- данных значений, C11, C44, /, C11/C11, C44/C44, ка [8], суть которой, вкратце, заключается в следующем. ”отклик” ПАВ может быть увеличен, уменьшен или Изготавливается набор тестовых структур. Он содержит ”занулен” путем надлежащего выбора материала и/или не менее трех структур с идентичными газочувстви- кристаллографического среза подложки (величин Ax, Ay, тельными пленками, но различающимися подложками, Az, V); г) для одинаковых подложек, но разных пленок либо одну подложку, но не менее чем три направления ”отклик” ПАВ может быть как положительным, так и распространения ПАВ по одной и той же исследуемой отрицательным; д) для заданных временных изменений пленке. Для каждой из структур проводится измерение /, C11/C11, C44/C44, имеющих место в процессе ПАВ ”отклика” V/V после установления равновесия установления равновесия пленки с тестируемым газом, системы газ–пленка. Подставляя в выражение (1) из- соответствующие временные изменения ПАВ ”отклика”, меренное значение V/V для каждой из структур и т. е. его кинетика, могут быть ускорены или замедлены табличные значения коэффициентов Ax, Ay, Az и V для надлежащим выбором материала и/или ориентации подматериала подложки, соответствующие этой структуре, а ложки; e) аналогично для заданных временных измене также параметры материала пленки, C11, C44, получаем ний /, C11/C11, C44/C44, возникающих в пленке систему из трех уравнений с тремя неизвестными /, из-за действия окружающей среды, могут быть ускорены C11/C11, C44/C44, решение которой однозначно. Вреили замедлены соответствующие временные изменения менные изменения (кинетика) величин /, C11/C11, ПАВ ”отклика”, т. е. его ”старение”; ж) оптимальные с C44/C44 при адсорбции, или ”старении”, определяются точки зрения наибольшей чувствительности, наилучшего из решения той же системы уравнений, но с величинами быстродействия и наименьшего старения материалы и V/V, измеренными в разные моменты времени в прокристаллографические срезы подложек, вообще говоря, цессе установления равновесия пленки с тестируемым различны. Ввиду практической важности вышеперечигазом, или ”старения” пленки со временем. По полученсленных результатов анализа для разработки конкретноным таким образом данным можно проводить изучение го ПАВ датчика была проведена их экспериментальная равновесных и кинетических характеристик адсорбции проверка.

(десорбции), механизмов детектирования газов с помоЭкспериментальные значения ПАВ ”откликов” при щью ПАВ и изменений соответствующих плотности и воздействии одной и той же газовой смеси 1% H2 +N2 на упругих модулей материала пленки.

различные структуры, содержащие идентичные пленки Поскольку при выводе (1) толщина пленки h предPd, но различные подложки, представлены в табл. 2.

полагалась малой по сравнению с длиной волны, то Приведенные данные подтверждают, что надлежащим изменения физических параметров пленки под действивыбором подложки можно получить даже десятикратное ем газов рассматриваются усредненными по толщине увеличение сигнала, а следовательно, и чувствительнопленки. Точность определенных таким методом значести датчика.

ний / составляла ±10%, а величин C11/C11 и Возможность получения как положительного, так и C44/C44 — ±20%.

отрицательного ПАВ ”отклика” на одной и той же подложке, но с отличающимися газочувствительными пленками, доказывают экспериментальные данные, при3. Анализ ПАВ ”отклика” веденные на рис. 2. Здесь представлены временные изме при детектировании газов нения ”кинетических откликов” для подложки YX-SiO2 и пленки Pd, где одна кривая (a) соответствует структуре Проведенный анализ основных составляющих ПАВ с неотожженной пленкой Pd, а другая (b) — той же ”отклика”, его кинетики и ”старения” привел к следуюструктуре, но после ее отжига в вакууме 10-5 Pa, при щим результатам: а) ”отклик” ПАВ представляет собой температуре 423 K в течение 15 h. Очевидно, этот отжиг сумму трех слагаемых, первое из которых зависит от привел к изменению адсорбционных свойств пленки Pd, изменения плотности пленки (изменения массовой нагрузки), а второе и третье — от изменений модулей упругости пленки (изменения упругой нагрузки); б) массовая Таблица 2. Экспериментальные значения ПАВ ”отклии упругая нагрузки не зависят друг от друга и в общем ков” для одной пленки и разных подложек (газовая смесь случае могут вносить сравнимые по величине вклады в 1% H2 + N2 20C) результирующий ”отклик” ПАВ; в) массовая и упругая нагрузки могут складываться или вычитаться в зависимо- V /V, 10-6 Массовая Упругая Тестовая структура (эксперимент) нагрузка, % нагрузка, % сти от сочетания значений упругих параметров пленки, C11, C44, их изменений под действием тестируемого Pd/YZ/LiNbO3 -22 66 газа /, C11/C11, C44/C44 и характеристик ПАВ Pd/(001), 110 –BGO -53 14 в материале подложки (Ax, Ay, Az и V). Варьирование Pd/ZX–CdS -67 17 любым из указанных параметров позволяет управлять Pd/ST, X–SiO2 -104 27 Pd/ZnO/(111)–Si -215 5 величиной и знаком ”отклика” ПАВ. Для выбранных Журнал технической физики, 1998, том 68, № 76 В.И. Анисимкин, И.М. Котелянский, Э. Верона что и явилось причиной столь сильного изменения ПАВ ”отклика” вплоть до его инверсии.

На рис. 3 приведены временные изменения ПАВ ”от кликов” трех структур, содержащих идентичные пленки Pd0.99Ni0.01, но разные подложки: YX-, ST-, X- иAT-срезы кварца. Сравнение этих изменений ”кинетических откликов” демонстрирует возможность варьирования временами срабатывания и восстановления ПАВ датчика путем выбора подложки. На рис. 4 приведены зависимости относительных изменений ПАВ ”откликов” из-за ”старения” идентичных пленок Pd на различных подложках.

Как видно из этих данных, выбор подложки позволяет также ускорить или замедлить долговременные измене ния ПАВ ”отклика”.

Из приведенных на рис. 2–4 данных видно, что среди исследованных нами структур самым малым временем ”срабатыванием” обладает датчик на подложке ST-среза (30 s), самым быстрым восстановлением после действия водорода — датчик на подложке AT-среза (3min), а Рис. 2. Временные изменения фазы ПАВ (ПАВ ”от самым медленным ”старением” — датчик на подложке клик”) для одной подложки (YX-SiO2) и разных пленок.

Pages:     || 2 | 3 |



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

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.