close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Механизмы электрохимической сорбции оксида углерода (II) на поверхности тонких пленок диоксида олова.

код для вставкиСкачать
УДК 544.6
С. В. Потапов (асп.)1, И. В. Синев (студ.) 2, С. Д. Никитина (асп.) 1,
Н. С. Бирюкова () 2, В. В. Симаков (проф., д.т.н.) 1
Механизмы электрохимической сорбции оксида углерода (II)
на поверхности тонких пленок диоксида олова
1
Саратовский государственный технический университет,
410054 г. Саратов, ул. Политехническая 77, тел. (8452) 527879, email: simakov@sstu.ru,
2
Саратовский государственный университет,
410012 г. Саратов, ул. Астраханская 83, Россия
S. V. Potapov 1, I.V. Sinev2, S. D. Nikitina1, N. S. Biryukova2, V. V.Simakov 1
Mechanisms of electrochemical sorption of carbon (II) monoxide
on the surface of tin dioxide films
1
Saratov State Technical University,
77 Politechnicheskaya St., Saratov, 410054, Russia, ph. (8452) 527879, email: simakov@sstu.ru,
2
Saratov State University named after N.G. Chernyshevsky
83 Astrakhanskaya St., Saratov, 410012, Russia
Представлены экспериментальные результаты
исследования влияния примесей различных га
зов в окружающей атмосфере на электрофизи
ческие свойства тонких пленок диоксида олова.
The work presents experimental results of
research of influence of various gases admixtures
in surrounding atmosphere on electrophysical
properties of tin dioxide thinfilms.
Ключевые слова: диоксид олова; тонкие плен
ки; электрофизические свойства.
Key words: tin dioxide;
electrophysical properties.
Адсорбция на поверхности широкозонных
полупроводников, например, диоксида олова,
как частиц газовокислителей, обладающих ак
цепторным действием и захватывающих носи
тели заряда из зоны проводимости полупро
водника, так и адсорбция частиц газоввосста
новителей, образующих донорные уровни и
отдающих электроны в зону проводимости,
вызывает изменение проводимости образцов.
Нами исследовано влияние примесей раз
личных газов в атмосфере на электрофизичес
кие свойства тонких пленок диоксида олова.
Экспериментальная часть
Газочувствительные свойства тонких пле
нок диоксида олова исследовались с помощью
компьютеризированной газосмесительной сис
темы, функциональная схема и фотография
которой представлены на рис. 1 и 2. Для со
ставления газовых проб с заданной концентра
цией анализируемого газа в синтетическом воз
духе в газосмесительной системе использова
лись электронные регуляторы расхода газа
(«Bronkhorst HighTech B.V.», Netherlands),
thinfilms;
пневматические клапаны («Fujikin Inco
rporated», Japan), цифровые измерители рас
хода газа («Kobold Messring GmbH», Germany).
Газовые пробы составлялись на основе ат
тестованных газовых смесей с помощью сме
шивания сухого синтетического воздуха
(19.5% O2 в N2) со стандартными газовыми
смесями, содержащими известное количество
тестовых газов. Газосмесительная система по
зволяла регулировать концентрацию примесей
в пробе с точностью до 0,1 ppm. Влажность га
зовых смесей контролировалась цифровым
гигрометром TESTO915 («Testo AG», Ger
many) и во всех экспериментах поддержива
лась на уровне 50%.
Проводимость газочувствительных слоев
на основе тонких пленок диоксида олова изме
рялась в потоке газовых смесей с расходом
500 см3/мин. Объем измерительной камеры
составлял 4 см3. Время обновления воздушной
смеси в камере не превышало 1 с.
При исследовании концентрационных
зависимостей чувствительности образцов кон
центрация анализируемого газа в пробах
последовательно увеличивалась. Время экспо
Дата поступления 30.11.09
Башкирский химический журнал. 2009. Том 16. № 4
125
Рис. 1. Функциональная схема газосмесительной
системы
Рис. 2. Фотография газосмесительной системы
зиции пробы составляло не менее 30 минут
с последующей продувкой газосмесительной
системы и измерительной камеры потоком син
тетического воздуха с расходом 500 см3/мин
в течение 1 ч.
Чувствительность слоев диоксида олова
к анализируемому газу определялась как
относительное изменение проводимости слоя
в газовой пробе G и проводимости Go в синте
тическом воздухе:
ложки (рис. 3). Поверх платиновых электро
дов методом ВЧмагнетронного распыления
составной диэлектрической мишени SnO 2 /
CuO в атмосфере Ar/O2 наносился газочув
ствительный слой SnO2/Cu . Толщина слоев
SnO 2
контролировалась
эллипсометром
Sentech SE 400 15/42 («Sentech Instruments
GmbH», Germany) и составляла ∼ 1 мкм.
S=
G
−1
Go
(1)
Контроль воспроизводимости экспери
ментальных результатов осуществлялся путем
многократных повторных экспозиций сенсор
ных структур в исследуемой газовой пробе.
Исследования электрофизических пара
метров и газочувствительных свойств тонких
пленок диоксида олова проводились с помо
щью структур, сформированных на поликоро
вой подложке с предварительно напыленными
через маску Ptэлектродами. Межэлектродное
расстояние составляло 50 мкм. Для управле
ния и контроля рабочей температурой газочув
ствительной структуры методом катодного
распыления платины на обратной стороне под
ложки формировались четыре нагревателя
и два терморезистора на верхней стороне под
126
Рис. 3. Схематическое изображение газочувстви
тельной структуры для исследования газочувстви
тельных свойств тонких пленок диоксида олова
Откалиброванные с помощью ИКкамеры
TH 3100MR («Nec Instrument Ltd», Japan)
нагреватели и терморезисторы структуры по
зволяли поддерживать температуру активных
слоев SnO2 на уровне 300 °С. Неравномер
ность распределения температуры по площади
активного слоя газочувствительной структуры
составляла менее 5%. На рис. 4 представлено
Башкирский химический журнал. 2009. Том 16. № 4
характерное распределение температуры по
площади тонкопленочных слоев SnO2, изме
ренное с помощью ИКкамеры TH 3100MR.
Результаты и обсуждение
Концентрационная зависимость чувстви
тельности тонких пленок диоксида олова
к угарному газу определялась по величине от
ношения значений проводимости в газовых
пробах с разными концентрациями угарного
газа и в синтетическом воздухе (рис. 7). Зави
симость носила степенной характер S = A⋅Cm, с
показателем степени m ≈ 0.73. Характер кон
центрационной
зависимости
указывает,
что исследованный диапазон концентраций
угарного газа охватывает область малых кон
центраций, где наклон зависимости составляет
m ≈ 1 и диапазон средних концентраций с на
клоном m = 0.5.
Рис. 4. Распределение температуры по площади га
зочувствительной структуры
Электрофизические характеристики тон
ких пленок диоксида олова измерялись с помо
щью цифрового мультиметра Keithley2001
(«Keithley Instruments, Inc.», USA) и источника
питания Grundig PN300 («Grundig Professional
Electronic GmbH», Germany) по схеме (рис. 5).
При экспозиции сенсорных структур в га
зовых пробах, содержащих примесь угарного
газа (СO), проводимость активных слоев SnO2
увеличивалась во всем исследованном диапа
зоне концентраций СО (рис. 6). Увеличение
проводимости образцов было обратимым: пос
ледующая экспозиция газочувствительного
слоя в атмосфере синтетического воздуха при
водила к уменьшению проводимости до уров
ня, соответствующего проводимости слоя
до напуска пробы.
Рис. 6. Динамика изменения проводимости тонкой
пленки SnO2 при воздействии газовой пробы содер
жащей примесь угарного газа
Рис. 5. Принципиальная схема измерения проводи
мости газочувствительных слоев диоксида олова:
R – сопротивление слоя диоксида олова; Rо – на
грузочное сопротивление (R0 << R); V – вольт
метр с высоким входным сопротивлением (Rвх > 10
ГОм); Uо – напряжение источника питания
Рис. 7. Концентрационная зависимость чувстви
тельности к угарному газу тонкой пленки диоксида
олова
Башкирский химический журнал. 2009. Том 16. № 4
127
Результаты проведенных сравнений тем
пературных зависимостей проводимости SnO2
в кислородосодержащей атмосфере и в газовой
пробе содержащей угарный газ (рис. 8), ука
зывают, что сдвиг положения максимума чув
ствительности слоев SnO2 к CO обусловлен
взаимодействием угарного газа с атомарной
формой хемосорбированного кислорода.
На кривой температурной зависимости чув
ствительности диоксида олова к СО наблюдал
ся максимум вблизи температуры 300 оC, при
которой протекает процесс диссоциации хемо
сорбированного на поверхности слоя молеку
лярного кислорода на атомарный.
Рис. 8. Температурная зависимость чувствительно
сти тонкой пленки диоксида олова к 100 ppm СО
в синтетическом воздухе
Увеличение проводимости пленки диокси
да олова при воздействии газовой пробы, со
держащей примесь угарного газа, возможно,
связано с протеканием на поверхности SnO2
электрохимической реакции 1, 2:
CO + O – → CO 2↑ + e –
CO → CO + + e –
(3)
CO + + O – → CO 2 ↑
(4)
Увеличение проводимости при этом обес
печивается инжекцией электрона с донорного
уровня, образованного электросорбированной
молекулой угарного газа, в объем полупровод
ника.
Таким образом, рассмотренные механиз
мы окисления угарного газа на поверхности
диоксида олова эквивалентны с точки зрения
восстанавливающего действия на проводи
мость образца присутствия примеси CO в ок
ружающей атмосфере.
Литература
1.
(2)
В результате окисления угарного газа до
углекислого, локализованный на анионе кис
лорода O– электрон переходит в объем слоя,
и проводимость материала увеличивается.
Предположение о механизме взаимодей
ствия угарного газа с хемосорбированным кис
лородом подтверждается проведенными иссле
дованиями влияния адсорбции CO на проводи
мость слоев SnO2. Методом температурнопро
граммируемой десорбции 3, ИК и Мёссбауэ
ровской спектроскопии 4, 5, ранее было уста
новлено, что на поверхности слоев диоксида
128
олова протекает реакция молекул CO и адсор
бированного кислорода с образованием угле
кислого газа, который десорбируется в газо
вую фазу при температурах выше 250 оС.
Однако, расчеты электронной структуры
диоксида олова при адсорбции на поверхности
угарного газа 6 показали, что в запрещенной
зоне SnO2 молекулой СО индуцируется энер
гетический уровень донорного типа с глубиной
залегания (Ec – Ed) ≈ 0,25 эВ. Выполненные
квантовомеханические расчеты 7 подтверди
ли, что локализация электрона из объема SnO2
на молекуле CO – энергетически невыгодный
процесс, а наиболее вероятным является про
цесс переноса электрона от адсорбированной
молекулы CO на поверхности диоксида олова
к катиону Sn2+.
Поэтому возможен процесс образования
диоксида углерода в ходе реакций:
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Harrison P. G., Willet M. J. // Nature.– 1988.–
V. 332.– P. 337.
Safonova O. V., Delabouglise G., Chenevier B.
// Materials Science and Engineering C.–
2002.– V. 21.– P. 105.
Tamaki J., Nagaishi M., Teraoka Y. // Surface
Science.– 1989.– V. 221.– P. 183.
Thornton E. W., Harrison P. G. Tin oxide
surfaces // J. Chem. Soc. Faraday Trans.–
1975.– V. 171.– P. 461.
Sergent N., Gelin P., PerierCamby L. // Phys.
Chem.– 2002.– V. 4.– P. 4802.
Ciriaco F., Cassidei L., Cacciatore M. //
Chemical Physics.– 2004.– V. 303.– P. 55.
MelleFranco M., Pacchioni G. // Surface
Science.– 2000.– V. 461.– P. 54.
Башкирский химический журнал. 2009. Том 16. № 4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
4
Размер файла
498 Кб
Теги
оксиди, пленок, углерода, электрохимической, механизм, поверхности, тонкий, диоксид, олова, сорбции
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа