авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |

Физико-технологические основы создания функциональных элементов наноэлектроники на основе квазиодномерных проводников

-- [ Страница 4 ] --

Из рис. 19 можно найти, что энергии активации сеток нанотрубок и многослойных нанотрубок близки и составляют соответственно 17 и 21 мэВ, что обусловлено доминированием металлического типа проводимости в данных структурах. Таким образом, как и следовало ожидать, при комнатной температуре наблюдается омическое поведение проводимости в области слабых токов. В случае нанотрубок с преобладающим полупроводниковым типом проводимости (рис. 20, кривые 3, 4) барьер Шоттки оказывается выше и составляет 34 мэВ. В случае полевого эффекта при приложении внешнего электрического поля, возможно увеличение барьера Шоттки почти в 3 раза. Было обнаружено, что сопротивление структур при температуре выше 100 °С слабо зависит от потенциала затвора, что связано с понижением барьера Шоттки в области контакта полупроводниковой УНТ и электрода.

Проведено исследование влияния изменения относительной влажности на электрические свойства структур на основе одиночных однослойных УНТ и их сеток, сформированных различными методами. Показано увеличение сопротивления структур на основе одиночных УНТ полупроводникового типа на 55% при изменении влажности на 20%, что объясняется компенсацией дырочных носителей электронами, внесенными адсорбированными молекулами воды. Чувствительность сопротивления структур на основе сеток однослойных УНТ к изменению влажности меньше, определяется плотностью сеток и может иметь величину до 0,15% для сеток плотностью 1-5 УНТ на мкм2 (рис. 20) и до 0,01% для сеток плотностью 10-50 УНТ на мкм2 при изменении относительной влажности воздуха на 1%.

а б

Рис. 20. а - АСМ изображение участка перехода никелевого электрода (1) в ситалл (2) с высаженными из раствора ПАВ сетками УНТ; б - зависимость изменения сопротивления структуры при ступенчатом изменении относительной влажности

Таким образом, увеличение плотности плёнки нанотрубок приводит к уменьшению чувствительности структуры к изменению относительной влажности. Тем не менее, при относительной влажности более 40% происходит перекомпенсация неосновными носителями заряда структур на основе плотных сеток нанотрубок, связанная с формированием дополнительных каналов проводимости, что приводит к резкому уменьшению сопротивления.

Для проведения комплексных исследований влияния примесных газов в атмосфере воздуха были использованы типы газов, обладающих донорными и акцепторными свойствами по отношению к основным носителям заряда в нанотрубках на воздухе (дыркам). Исследование влияния изменения концентрации аммиака было проведено для структур на основе сеток, сформированных диэлектрофорезом и высаживанием из раствора поверхностно активного вещества (ПАВ) (рис. 20а). Продемонстрировано, что чувствительность структур на основе углеродных нанотрубок определяется методикой высаживания нанотрубок и составляет 0.33% на 1 ppm аммиака при комнатной температуре для структур, высаженных из раствора ПАВ (рис. 21а). Для структур, полученных электрофорезом, обнаружена минимальная чувствительность сопротивления, даже для концентрации 275 ppm.

а б

Рис. 21. Зависимость изменения электрических свойств структур на основе нанотрубок: а – при введении NH3 концентрацией 1- 100 ppm; 2- 150 ppm и 3- 275 ppm (стрелка указывает начало введения NH3); б – при введении хлора концентрацией 0,5 ppm

Теоретические оценки Чжао [5] для однослойных нанотрубок показывают, что наиболее энергетически выгодным является расположение адсорбированных атомов Cl и O над атомами С в нанотрубке с энергиями сорбции 6,9 и 4,9 эВ соответственно. Так как хлор обладает большей электроотрицательностью, чем кислород, то он может замещать кислород в местах его присутствия на нанотрубках. Таким образом наблюдается повышение проводимости структур на основе углеродных нанотрубок при введении хлора в атмосферу.

С использованием традиционного кинетического уравнения были вычислены константы адсорбции и десорбции аммиака на поверхности нанотрубок. Из рис. 22 можно видеть, что экспериментальные результаты хорошо согласуются с теорией кинетического процесса адсорбции. Константы адсорбции равны 0,31 и 0,33 мин-1 для температур 25 °C и 100 °C соответственно. Процесс десорбции имеет расхождение с кинетической теорией. Тем не менее, оценки зависимости изменения сопротивления структур после прекращения подачи NH3 дают следующие значения для констант десорбции: 0,03 мин-1 для 25 °C и 0,09 мин-1 для 100 °С. Таким образом, при повышении температуры скорость изменения сопротивления структур при введении газа практически остаётся постоянной, чувствительность незначительно уменьшается, однако происходит более быстрое восстановление исходных параметров сенсорной структуры.

а б

Рис. 22. Зависимость изменения сопротивления структур при введении 275 ppm NH3 для различных температур (серый цвет): а - 25 °С и б – 100 °С. Решение кинетических уравнений отдельно для адсорбции и десорбции газа (чёрный цвет)

В работе продемонстрировано, что изменение проводимости структуры с плёнкой нанотрубок при изменении концентрации паров спиртов определяется двумя факторами: поверхностной площадью сенсора при низких концентрациях паров и скоростью диффузии паров вглубь плёнки при насыщении поверхности парами.

Исследование влияния изменения концентрации паров спирта было проведено для структур на основе толстых плёнок УНТ (рис. 23а) и одиночных нанотрубок полупроводникового типа. Проводимость структур на основе плёнок УНТ уменьшается на 30% при изменении концентрации паров спирта на 8 ‰. (рис. 23б). При этом скорость восстановления проводимости структур на основе плёнок углеродных нанотрубок после сорбции паров спирта может возрастать в 25 раз при нагреве структур до 500 C.

В случае сорбции спиртов на поверхности плёнок углеродных нанотрубок можно оценить изменение проводимости структуры с использованием кинетического уравнения адсорбции молекул спиртов на поверхности. Тогда для линейного участка зависимости проводимости сенсорной структуры от времени в парах спиртов (рис. 23б) изменение проводимости будет определяться не только изменением концентрации, но и характерными параметрами массы молекулы спирта m и энтальпии испарения исследуемых молекул газа :

, (5)

где A – коэффициент, определяющий свойства сорбирующей плёнки (пропорционален диффузионному критерию Нуссельта, и обратно пропорционален поверхностной площади нанотрубок), G1,2 -проводимость структуры до и после изменения концентрации паров спирта в атмосфере на за время . На графике на рис. 23б приведены расчётные зависимости изменения проводимости сенсорных структур от времени (сплошные линии).

Рис. 23. АСМ изображение поверхности плёнок углеродных нанотрубок (а). Изменение проводимости плёнок ОСНТ при введении этанола концентрацией 8 ‰ (график 1) и 2-пропанола концентрацией 15 ‰ (б). Сплошные линии – расчётные зависимости. Напряжение питания – 0,7 В. Потребляемая мощность 0,25 мВт

Таким образом, если в начальный момент изменение проводимости структуры с плёнкой нанотрубок определяется преимущественно сорбцией спиртов на поверхности плёнки и зависит от поверхностной площади сенсора, то, при насыщении поверхности парами, дальнейшее изменение проводимости связано с диффузией паров вглубь плёнки и определяется скоростью диффузии определенных молекул спирта в среде нанотрубок, что позволяет селективно определить тип адсорбированного газа.

Качественно одинаковые зависимости отклика сенсоров на основе плёнок многослойных и однослойных нанотрубок свидетельствуют о преобладании диффузионно-сорбционного механизма изменения проводимости под действием паров спиртов. При этом преобладают физические механизмы изменения проводимости за счет внедрения молекул спирта в области контактов нанотрубка - нанотрубка и нанотрубка - электрод и, как следствие, увеличения расстояния между ними. В данном приближении большее время отклика плёнки ОСНТ при введении этанола, нежели плёнки МСНТ, может быть объяснено более высоким коэффициентом диффузии молекул спирта в плёнке состоящей преимущественно из многослойных нанотрубок.

При введении 8‰ этанола уменьшение проводимости структур на основе одиночных пучков УНТ полупроводникового типа носит экспоненциальный характер с временной константой  = 2,5 мин. Предположительным механизмом чувствительности ОСНТ-транзистора является физическая адсорбция паров спирта. Вариантами реализации данного механизма могут являться: легирование нанотрубок и пучков молекулами спирта, либо изменение потенциала подложки при заполнении зарядовых состояний оксида кремния.

Таким образом, на чувствительность сенсорных структур на основе углеродных нанотрубок к химически активным газам и парам могут оказывать влияние различные механизмы: сорбция, механическое взаимодействие, перенос электронной плотности и другие. Для одиночных углеродных нанотрубок полупроводникового типа превалирующую роль в чувствительности играет внесение дополнительных энергетических уровней в зонную структуру нанотрубок. Для плотных сеток нанотрубок существенны сорбционные свойства структуры в целом.

Был разработан макет сенсорного устройства (рис. 24) и проведены сравнения его параметров с традиционными сенсорами на основе оксида олова. Сравнительные данные приведены в таблице 2.

Таблица 2. Сравнение характеристик сенсоров

Лабораторный образец на ОСНТ Figaro TGS 826 (США)
Диапазон чувствительности по аммиаку 25 – 300 ppm 30 – 300 ppm
Выходной сигнал ~ 15 нА/ppm 500 нА/ppm
Время отклика при комнатной температуре 150 сек. -
Нагреватель нет есть
Потребляемая мощность 3 мВт 15 мВт
Вес 5 г 32 г
Размер 6х6х2 мм 20х20х30 мм


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.