Газочувствительность пленок графена на полуизолирующем SiC к NO2 и парам C2H5OH

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Газочувствительность пленок графена на полуизолирующем SiC к NO2 и парам C2H5OH
А. М. Светличный, М. Н. Григорьев, Л. А. Светличная, М. В. Демьяненко, И.Л. Житяев
Определение малых концентрации различных газов является важной задачей как для экологии, так и для промышленности. В настоящее время широко распространенными являются датчики на основе полупроводниковых оксидов металлов [1−4]. Однако, несмотря на ряд достоинств, низкая стоимость изготовления, простота конструкции, указанные сенсоры имеют относительно низкую чувствительность, селективность, потребляют значительную энергию, необходимую для подогрева сенсора [5−6]. Чувствительность таких датчиков ограничена флуктуациями, обусловленными тепловым движением зарядов и дефектов, в результате чего присутствует высокий уровень шума. Поэтому актуальным является поиск новых материалов, расширяющих возможности газочувствительных сенсоров. Одним из возможных решений данной проблемы является использование графена в качестве газочувствительного слоя датчика. На данный момент существует несколько методов получения пленок графена: механическое отслаивание, химическое отслаивание, химическое отслаивание и восстановление оксида графена, химическое осаждение из газовой фазы, термическое разложение карбида кремния в вакууме. Последний метод считается одним из перспективных для промышленного производства, поскольку пленки графена могут быть получены на всей поверхности подложки. Важным является также то, что пленка графена в этом случае является продолжением структуры подложки, за счет чего достигается высокая адгезия к карбиду кремния.
Принцип работы графенового сенсора, как и традиционных газовых сенсоров резистивного типа, основан на изменении электрической проводимости при адсорбции молекул газа. Отличительной особенностью
графена является существенно низкий уровень шума, что позволяет регистрировать газы с низкими концентрациями. Наличие развитой поверхности по отношению к объему за счет моноатомного слоя графена делает его перспективным материалом в качестве чувствительного элемента датчиков. Известно небольшое количество работ по исследованию газочувствительности графена к некоторым газам. Показано, что параметры газочувствительного слоя, существенно зависят от условий его получения и качества пленок [7,8].
В работе исследуются образцы графена на карбиде кремния полученные методом термического разложения карбида кремния в вакууме. В процессе исследований был определен оптимальный режим получения пленок, который заключался в 2х часовом отжиге в вакууме при температуре 900 °C и 20 мин отжиг при 1300 °C при давлении 10 Па [9].
Необходимый топологический рисунок графена на полуизолирующем карбиде кремния был получен виде змейки с помощью нанесения до отжига защитной пленки оксида алюминия, под которой, в процессе отжига, графен не образуется. Контакты к полученным пленкам были получены напылением Сг-Си-Сг в едином вакуумном цикле.
В работе исследовалась чувствительность пленок графена к газу N02 и парам С2Н50Н в зависимости от температуры. Эксперименты проводились на стенде для измерения газочувствительности, состоящим из кварцевого цилиндра закрытого заглушками по бокам, с отверстиями для введения и удаления газа и выводами контактов нагревателя, термопары и самого сенсора. Величина сопротивления и ЭДС — термопары контролировалась с помощью мультиметра АКИП 137 — 78/1.
Чувствительность сенсора определялась с помощью уравнения (1), где Я0 — начальное значение сопротивления, R — текущее значение сопротивления.
(1)
После каждой серии напуска газа, сенсоры нагревались для десорбции газов, с поверхности графена, затем охлаждались до 25 °C, чтобы убедиться, что

начальный уровень сопротивления получен.
На рис. 1 показаны результаты чувствительности к N02. Самая большая величина чувствительности сенсора была установлена для N0^ что объясняется его высокой химической активностью. Время отклика для N0 составило 60 сек., время восстановления 130 сек.
20-
? 10'- ся
N02
Воздух
Воздух
N02
200 1 (с)
400
Рис. 1. Чувствительность к N02 при концентрации 50 ррт. На рис. 2 показаны результаты чувствительности к парам С2Н50Н. Исследования при концентрации 100 ррт. Время отклика и время восстановления оказалось одинаковым и равным 100 сек, а чувствительность составила 4,5%.
? 2 ся
1 ¦
Воздух и/ Воздух
газ
газ
200 400 600
1 (с)
Б
0
0
5
4
3
0
0
Рис. 2. Чувствительность к парам С2Н50Н при концентрации 100 ррт.
Для десорбции молекул газа необходимо осуществлять нагрев пленок графена. Температура нагрева прямо пропорциональна энергии связи молекул газа с пленкой [10].
На рис. 3 показаны результаты исследований зависимости процесса десорбции от температуры. Экспериментально установлено что для N02 десорбция начинает происходить при температуре 60 °C, с ростом температуры уменьшается время восстановления, которое достигает своего минимума при температуре 110 °C и при дальнейшем росте температуры не изменяется. Для паров С2Н50Н десорбция начинается при температуре 40 °C, время восстановления достигает минимума при 90 °C и не изменяется при дальнейшем увеличении температуры.
1000 900 300 700 600
f .о.
— Л00
300 200 100 о
2
* • * 4
30 «50 60 70 ВО 90 100 110 120 130 140 150 Т (С)
Рис. 3. Время восстановления при разных температурах- 1 — для паров C2H5OH,
2 — для NO2.
Выполненные исследования позволили установить оптимальные температуры десорбции для NO2 и паров C2H5OH, которые равны 110 °C и 90 °C соответственно. Определен режим получения пленок графена на карбиде кремния с наилучшими газочувствительными характеристиками. Полученные значения времен отклика и восстановления для исследованных газов позволяют сделать вывод, что графен является одним из перспективных материалов для газочувствительных сенсоров. Результаты данных исследований можно использовать при разработке графеновых газочувствительных сенсоров.
1
Литература:
1. Кравченко Е. И. Петров В.В. Стегленко Д. В. Бычкова А.С. Исследование свойств газочувствительных материалов состава SiO2SnOxCuOy, используемых в сенсорах газов мультисенсорной системы мониторинга атмосферного воздуха [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012. — № 4. — Режим доступа: http: //ivdon. ru/magazine/archive/n4p2y2012/1345 (доступ свободный) -Загл. c экрана. — Яз. рус.
2. Бутурулин А. И. и др. Газочувствительные датчики на основе металлооксидных полупроводников [Текст] // Зарубежная электронная техника, 1989. — № 10. — C. 3−38.
3. Моисеева Т. А., Мясоедова Т. Н., Петров В. В., Кошелева Н. Н. Разработка газочувствительного элемента на основе пленок оксидов меди для датчика аммиака [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012. — № 4. — Режим доступа: http: //ivdon. ru/magazine/archive/n4p2y2012/1347 (доступ свободный) -Загл. c экрана. — Яз. рус.
4. Арутюнян В. М. Микроэлектронные технологии — магистральный путь для создания химических твердотельных сенсоров [Текст] // Микроэлектроника, 1991. — № 4. — С. 337−355.
5. Евдокимов А. В. и др. Микроэлектронные датчики химического состава газов [Текст] // Зарубежная электронная техника, 1988. — № 2. — С. 3−39.
6. Фрайден, Дж. Современные датчики. Справочник [Текст] / Дж. Фрайден. — М.: Техносфера, 2006. — 588 с.
7. Pearce R., et al., Epitaxially grown graphene based gas sensors for ultra sensitive NO2 detection [Text] // Sens. Actuators B: Chem., 2011. — № 5. -P. 768−771.
8. Ko G. et al. Graphene — based nitrogen dioxide gas sensors [Text] // Current Applied Physics, 2010. — № 10. — P. 1002−1004.
9. Лебедев и др. Формирование наноуглеродных пленок на поверхности БЮ методом сублимации в вакууме [Текст] // Физика твердого тела, 2009. -№ 4. — С. 452 -454.
10. Волькенштейн Ф. Ф. Электроны и кристаллы [Текст] / Ф. Ф. Волькенштейн. — М.: Наука, 1983. — 128 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой