Методическое пособие 751

Рис. 8. Коэффициент поглощения образцов ZTO, напыленных в течение 20 мин

Рис. 9. Коэффициент поглощения образцов ZTO, напыленных в течение 10 мин

Пунктирные касательные к прямым участкам характеристик, опущенные на ось энергий, дают примерное значение Eg, эВ (см. табл. 4, рис. 10). Видно, что на образцах с большим количеством примеси Sn Eg уменьшается для 10 и 20 мин напыления. Ширина запрещенной зоны более «чистых» пленок находится в пределах 3,2 эВ, что соответствует значениям, характерным для полупроводниковых материалов.

120

Рис. 10. Изменение ширины запрещенной зоны образцов ZTO, напыленных в течение 20 и 10 мин, соответственно

Дальнейшие исследования подвижности носителей заряда и их концентрации, снятие ВФХ и изучение XRD позволят окончательно определить, пригодны ли данные пленки для использования в полупроводниковых прозрачных структурах в качестве проводника, полупроводника или диэлектрика.

Последующий отжиг образцов с одновременным проведением комплекса электрофизических исследований позволит окончательно определить область использования данного класса тонкопленочных металлооксидных материалов – ZTO.

Литература

1.Синтез многокомпонентных металлооксидных пленок различного состава (SnO2)x(ZnO)1-x (x = 1 – 0,5) / С. И. Рембеза [и др.] // Физика и техника полупроводников. – 2014. – Т. 48. – № 8. – С. 1147-1151.

2.Электрофизические свойства пленок (SnO2)x(ZnO)1-x (x = …0,5) для прозрачной электроники / С. И. Рембеза [и др.] // Нано- и микросистемная техника. – 2016. – № 11. – С. 699-707.

Воронежский государственный технический университет

121

УДК 621.382

Т.В. Свистова, Ю.В. Шачнева

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ДАТЧИКА НА ОСНОВЕ SnO2

КГАЗАМ-ОКИСЛИТЕЛЯМ

Вработе исследуется газовая чувствительность датчика газов на основе SnO2 к парам перекиси водорода концентрацией 1000–5000 ppm. Установлено, что датчик обладает достаточно высокой чувствительностью к перекиси водорода и имеет хорошее быстродействие.

Датчики и анализаторы газов широко используются в различных отраслях промышленности, при создании новых материалов и приборов микро-и наноэлектроники, для контроля за окружающей средой, для безопасности людей, работающих в окружении вредных газов и т. д. Перспективными датчиками газов являются при боры на основе полупроводниковых материалов. Полупроводниковые микроэлектронные датчики газов обеспечивают высокую чувствительность, селективность и быстродействие при низких рабочих температурах и энергозатратах. Миниатюризация и включение газовых датчиков в интегральные схемы позволит вывести развитие и разработку газоанализаторов на более высокий уровень. Для создания газовых датчиков необходимы использовать полупроводниковые материалы, электрические свойства которых можно изменять в широких пределах. К таким материалам относятся металлооксидные полупроводники с проводимостью n-типа. При адсорбции на поверхности таких полупроводников молекул газов их сопротивление (электропроводность) заметно изменяется. Существует оптимальный интервал температур для металлооксидных полупроводников (200 - 500 С), в котором их чувствительность к анализируемому газу максимальна. Повышенная температура - обязательное условие работы газовых датчиков с чувствительными элементами на основе металлооксидных полупроводников [1].

Целью работы является исследование газовой чувствительности датчика газов на основе SnO2, легированного кремнием в количестве 1 ат.%., к парам перекиси водорода.

Кристалл газового датчика размером 1 × 1 мм2 содержит: нагреватель и контакты для чувствительного слоя в виде встречно-штыревой структуры с расстоянием между контактами 10 мкм из платины; два чувствительных элемента (ЧЭ) на основе диоксида олова, легированного кремнием.

У металлооксидных полупроводников с электронным типом проводимости, таких как CdO, ZnO, SnO2, молекулы газов – окислителей адсорбируются на поверхности полупроводника и локализуют электроны проводимости вблизи

122

его поверхности. Количества подвижных электронов проводимости в объёме полупроводника уменьшается, а, следовательно, уменьшается его электропроводности, т.е. увеличивается сопротивление. Газовая чувствительность Sg определяется, как отношение сопротивления ЧЭ в исследуемом газе известной концентрации (RГ) к сопротивлению ЧЭ на воздухе (RВ) Sg = RГ/ RВ. Сопротивление ЧЭ измеряется мультиметром фирмы Mastech серии MY64. Концентрация исследуемого газа определяется методом контролируемого разбавления [2].

Результаты исследования температурной зависимости газовой чувствительности ЧЭ к парам перекиси водорода в воздухе представлены на рис. 1. Температура максимальной газовой чувствительности к парам перекиси водорода составляет 240 °C, а соответствующая ей величина газовой чувствительности 56 отн. ед.

Рис. 1. Зависимости газовой чувствительности ЧЭ к парам перекиси водорода (2000 ppm) в воздухе от температуры

Исследованы динамические характеристики чувствительности датчика, выявлено, что скорость реакции датчика зависит от типа воздействующего газа и колеблется от 1 до 3 мин (рис. 2).

Рис. 2. Динамическая характеристика газовой чувствительности в парах перекиси водорода (2000 ppm) в воздухе

123

Исследованы статические характеристики газовой чувствительности датчика к парам перекиси водорода в интервале концентраций от 1000 до 5000 ppm, величина газовой чувствительности составляет от 15 до 70 отн. ед. (рис. 3).

Рис. 3. Статические характеристики газовой чувствительности к парам перекиси водорода в воздухе

Таким образом, установлено, что газовый датчик с ЧЭ на основе диоксида олова, легированного кремнием в количестве 1 ат. %, обладает высокой чувствительностью к парам перекиси водорода в воздухе и имеет небольшое время отклика / восстановления, то есть существует возможность использования его в портативных медицинских приборах для анализа выдыхаемого воздуха.

Литература

1.Gopel W. SnO2 sensor: current status and future prospects / W. Gopel, K. D. Schierbaum // Sensor and Actuators. 1995. V. B.26-27. P. 1-12.

2.Ирха В. И. Процессы, происходящие в полупроводниках при взаимодействии с газовой средой / В. И. Ирха // Наукові праці ОНАЗ ім. О. С. Попова.

–2012. № 2. – С. 49-54.

Воронежский государственный технический университет

124

УДК 637.523: 339.13

А.В. Строгонов, А.А. Левченко, Д.С. Пермяков

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ УСТАНОВКИ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ПРОЗРАЧНЫХ МЕТАЛЛООКСИДНЫХ ПЛЕНОК МЕТОДОМ СПРЕЙ-ПИРОЛИЗА

Работа посвящена разработке автоматизированной установки получения металлооксидных пленок методом спрей-пиролиза.

Актуальность нашей работы основана на потребности в установках для нанесения прозрачных проводящих покрытий. Такие виды покрытий используются в составе телевизоров, мониторов, экранов смартфонов. Также, прозрачные проводящие покрытия используются в составе солнечных батарей, так как могут пропускать свет видимого диапазона и отражать инфракрасное излучение. Важными предпосылками к созданию проекта стал рост интереса мирового сообщества к металлооксидам, а также в целом рост рынка лабораторного оборудования в России и мире. Размер общемирового рынка лабораторного оборудования оценивался примерно в 30,6 млрд долларов в 2020 году и предсказуемо, что он будет расти. Отечественный рынок лабораторного оборудования составляет одну десятую объема от общемирового, а также демонстрирует признаки стабильного роста. Его динамика регулярно фиксируется и за последние пять лет составляет 15 – 20 % [1].

Металлооксидные пленки синтезируются несколькими методами. Наиболее перспективным по нашим оценкам является метод спрей-пиролиза. Особенностью данного метода является распыление аэрозоля прекурсора на нагретую подложку, после чего следует фаза образования пленки (рис. 1) [2].

Рис. 1. Этапы формирования пленки при спрей-пиролизе

125

Цель проекта заключается в создании автоматизированной установки для нанесения прозрачных покрытий методом спрей-пиролиза. Так, существующие на данный момент установки имеют ряд недостатков: громоздкость, сложность в обслуживании, несовершенные параметры получаемых покрытий, дороговизна, сложность интеграции в производственный, малый спектр наносимых покрытий. В противовес мы можем представить автоматизированную установку спрей-пиролиза (рис. 2). Данная установка уже на ранних этапах показала лучшую производительность, в то время как у аналогов она существенно уступает.

Рис. 2. 3D модель автоматизированной установки спрей-пиролиза:

1 – компрессор; 2 – нагреватель; 3 – аэрограф; 4 – камера; 5 – бак для раствора; 6 – управляющий модуль; 7 – воздуховод

Проведенные исследования также показывают, что нанесенные автоматизированной установкой спрей-пиролиза покрытия имеют более совершенную структуру и параметры. Главными отличиями данной установки являются: высокая скорость перемещения каретки с соплом (2000 мм/с), система наклона сопла для выравнивания формы пучка аэрозоля при больших скоростях (рис. 3).

Рис. 3. Система поворота сопла

126

Для внедрения возможности напыления более сложных композитных плёнок или пленок переменного состава было решено добавить модульную систему трех сопел (рис. 4), с сохранением функции поворота, что дополнительно ускорит разработку и производство металлооксидных пленок, а также программное обеспечение с открытым исходным кодом.

Рис. 4. Система трех сопел

В контексте распространения и продвижения нам интересна модель B2B; предполагается продажа лицензии на производство. Если же будет реализовано собственное предприятие, то у нас появляется возможность использовать смежную модель из B2B и B2C. При таком варианте развития событий оборудование и материалы будут продаваться уже нашим предприятием.

На нынешнем варианте установке, нам удалось нанести на стекла 76 × 26 мм и толщиной 1 мм, прозрачные проводящие покрытия. Распределение высоты профиля пленки не превышает 1 мкм. Поверхностное сопротивление в случае используемых нами материалов колеблется от 10 до 100 Ом/с. Непрозрачность в видимом диапазоне менее 20 %.

Продукт имеет конкурентные преимущества, актуальность для российской и мировой промышленности и науки. Наша команда имеет большой опыт и мотивацию работы над проектом. На оборудовании можно получать высококачественные материалы при низкой себестоимости. Широкий простор для дальнейшего развития проекта.

Литература

1.Laboratory Supplies Market Size, Share & Trends Analysis Report By Product By Region, And Segment Forecasts, 2021 – 2028: Industry Report: GVR-4- 68039-002-8. – Dublin: Research and Markets, 2021. – 112 р.

2.Khatami S. M. N. Mathematical modeling and experimental validation of mixed metal oxide thin film deposition by spray pyrolysis / S. M. N. Khatami, O. J.Ilegbusi, L. I. Trakhtenberg // Materials Sciences and Applications. – 2015. – V. 06.

–№ 01. – P. 68-77.

Воронежский государственный технический университет

127

УДК 621.382

А.К. Воробьева*, С.А. Акулинин

СТРУКТУРА И ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МЕМРИСТОРОВ

Рассматриваются характеристики и возможные механизмы переключения мемристора на основе структур металл–диэлектрик–металл. Анализируются перспективные технологии изготовления мемристоров.

Введение

На современном этапе много научных исследований направлено на создание нового поколения устройств энергонезависимой памяти. Современная технология энергонезависимой флэш-памяти приблизилась к пределу масштабирования и столкнулась с комплексными инженерными ограничениями [1]. В связи с этим, крупнейшие компании-производители электронной компонентной базы (IBM, Samsung, Intel, Sharp, Hewlett Packard, SONY, Panasonic

и др.) последние несколько лет активно занимаются разработкой принципиально новых элементов энергонезависимой памяти с оптимальными рабочими характеристиками и высокими возможностями масштабирования [2 – 4].

Мемристоры представляют собой электронные устройства резистивного типа, имеющие гистерезисные нелинейные вольт-амперные характеристики

(ВАХ) [4].

Мемристор определяют как пассивный элемент электрической цепи, сопротивление которого определенным образом зависит от величины прошедшего через него заряда. После отключения напряжения в цепи мемристор не изменяет своего состояния, т.е. «запоминает» последнее значение сопротивления. Отсюда и происходит его название (англ. memristor – сокращение от memory resistor – резистор с памятью).

Структура, характеристики и механизм переключения мемристора

В 1971 году американский исследователь Чуа предположил, что должен существовать четвертый фундаментальный пассивный элемент цепи (в последствие названный мемристором), в дополнение к резистору, конденсатору и катушке индуктивности для создания связи между зарядом и магнитным потоком. В 2008 году Уильямс в лаборатории Hewlett Packard объявил, что отсутствующий элемент – мемристор – был обнаружен в структуре Pt/TiO2/Pt. Чуа феноменологическим образом доказал, что резистивные переключающие устройства действительно были мемристорами. Он выдвинул, а затем математически обосновал гипотезу о том, что есть четвертый базовый элемент электрических цепей наряду с индуктивностью, конденсатором и резистором

(рис. 1).

128

Рис. 1. Соотношения между фундаментальными электрическими величинами

Чуа исходил из того, что должны быть соотношения, связывающие все четыре основные переменные электрических цепей: токи I, напряжение U, заряд Q и магнитный поток Ф [5].

Существует известное соотношение между величиной резистора R, напряжением на нем U и силой тока I, протекающего через резистор. Это соотношение известно как закон Ома:

. (1)

Емкость конденсатора C можно определить из соотношения:

где Q – величина заряда. Одновременно

где dt – промежуток времени.

Индуктивность L представляет собой коэффициент пропорциональности между величинами изменения магнитного потока dФ и изменения тока dI:

. (4)

В свою очередь,

. (5)

Идея мемристора вытекает из соотношения между изменением магнитного потока dФ и вызывающим это изменение зарядом dQ, то есть

129