Учебное пособие 800594
.pdf
В ходе исследований лучшими адсорбирующими свойствами обладал силикагель (рис. 3), хотя активированный уголь не уступил в адсорбирующих свойствах, но обладал рядом недостатков в плане размеров т.е. целые таблетки обладают очень плохими адсорбирующими показателями (рис. 4), а стертый в пыль активированный уголь спрессовывался и не пропускает поток воздуха (рис. 5) поэтому оптимальным являлись небольшие гранулы размером в 1 – 0.1 мм
(рис. 6).
Рис. 3. График зависимости относительной влажности от времени с силикагелем
Рис. 4. График зависимости относительной влажности от времени с активированным углем, разделенным на четыре части
120
Рис. 5. График зависимости относительной влажности от времени с активированным углем, стертый в порошок
Рис. 6. График зависимости относительной влажности от времени
сактивированным углем, переработанный в гранулы
Входе исследований регенеративных свойств, которые проходили в микроволновой печи при мощности 100 Вт в течении 5 мин, активированный уголь выгорал и переходил в состояние пыли (рис.7), в тот момент силикагель показал превосходные регенеративные свойства, которые заключались в том, что чем выше температура нагрева, тем быстрее протекает процесс регенерации (рис.8)
[2].Заключительным этапом стали исследования интенсивности насыщения, влагой которые показали, что активированный уголь стал быстро накапливать влагу в то время силикагель крайне мед-
121
ленно ее накапливал. Из этого следует что силикагель является оптимальным вариантом в качестве наполнителя для осушителя.
Рис.7. График зависимости относительной влажности от времени с активированным углем, переработанный в гранулы, которые отожгли
Рис. 8. График зависимости относительной влажности от времени силикагелем, которые отожгли
|
Литература |
|
1. Соловцов В.К. |
Контрольно-измерительные |
приборы |
[Текст]: учеб. пособие; 3-е изд., перераб. и доп. / В.К. Соловцов. –
М.: Высш. шк., 1969. – 272 с.
2. Ягодовский В.Д. Адсорбция [Текст] / В.Д. Ягодовский. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. – 216 с.
Воронежский государственный технический университет
122
УДК 538.975
В.Е. Полковников, Ю.О. Пономарева
СИНТЕЗ МЕТАЛЛООКСИДНОЙ ПЛЕНКИ ОКСИДА ОЛОВА, ЛЕГИРОВАННОЙ СУРЬМОЙ ПО ЗОЛЬ-ГЕЛЬ ТЕХНОЛОГИИ
В данной статье рассматривается получение нелегированной металлооксидной пленки SnO2 и SnO2, легированной 1 % Sb методом погружения по золь-гель технологии. Представлены данные поверхностного сопротивления полученных пленок, спектр пропускания и расчет ширины запрещённой зоны.
Металлооксидные пленки вызывают в настоящее время большой интерес, поскольку имеют достаточно хорошие свойства, которые можно использовать в практических целях. Например, в солнечных элементах, фотоэлектрических приборах, газовых датчиках и так далее.
Свойства металлооксидных пленок определяются не только элементным составом, но и способом их получения. В представленной статье пленки оксида олова и оксида олова легированной сурьмой синтезировали золь–гель методом.
Основное преимущество золь-гель метода заключается в высокой степени гомогенизации исходных компонентов. Это достигается благодаря растворению солей и оксидов исходных веществ в соответствующем растворе [1].
Целью работы является синтез и исследование электрофизических и оптических свойства пленок SnO2 и SnO2:Sb, изготовленных по золь-гель технологии методом погружения.
Синтез происходил из раствора изопропилового спирта объемом 125 мл. Для синтеза пленки SnO2 в качестве прекурсора использовался двухводный хлорид олова [SnCl2 2H2O] , в качестве
123
легирующей примеси использовался хлорида сурьмы [SbCl3] в виде сурьмяного масла. Добавка SbCl3 к исходному раствору позволит синтезировать низкоомные прозрачные пленки (SnO2 + Sb2O3), которые могут заменить содержащие дорогостоящий индий пленки ITO [2]. В результате были приготовлены два прозрачных раствора: нелегированный раствор из хлорида олова и изопропилового спирта объемом 125ml [3] с молярной концентрацией 0,5 М и легированный такой же раствор, но ещё с 1 % хлорида сурьмы [4]. Перемешивание осуществлялось на магнитной мешалке с подогревом IKA RH basic 2 при температуре 80 °С в течение 30 мин. Эти растворы созревали при комнатной температуре в течение 168 ч. В течение созревания раствор менял цвет: сперва с прозрачного в белый, затем в желтый. Потом эти растворы, одновременно, наносились на подложки. В качестве подложек для образцов использовались предметные стекла размером 2,6 × 7,6 см2 для микропрепаратов (ГОСТ 9284-75). Нанесение происходило на самодельной установке погружения (рис. 1).
Рис. 1. Установка для нанесения методом погружения
124
Скорость вытягивания составила 4,7 см/мин. В итоге получилась пленка размером 2,6 × 5,5 см2. Эта пленка высушивалась в течение 2 мин. на электроплитке при температуре 360 оС , затем охлаждалась на пемзе в течение 2 мин. и потом снова наносилась методом погружения. Таким образом, было сформировано по 10 слоев на каждом образце. Параметры сушки были, подобраны таким образом, чтобы в результате были получены кристаллизованные образцы.
Измерение поверхностного сопротивления производилось четырехзондовым методом, на автоматической четырехзондовой установке MC2 Zoom 1A. Поверхностное сопротивление не легированного образца оксида олова составило 780 Ом/ . Легированный образец оксида олова SnO2:Sb имел поверхностное сопротивление 240 Ом/ . Тип проводимости для всех пленок был определен термозондом как n-тип.
Спектры пропускания для пленок SnO2 и SnO2:Sb имеют в видимой и инфракрасной части спектра прозрачность более 80 % (рис. 2). Порог прозрачности приходится на ультрафиолетовый диапазон спектра.
Рис. 2. Спектры пропускание пленок SnO2 и SnO2:Sb
125
Из порогов поглощения можно определить коэффициент поглощения и ширину запрещенной зоны пленки в координатах (αhν)2
= f(hν).
Расчет по оптическим данным ширины запрещенной зоны показан на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость (αhν)2 от энергии света для пленок
SnO2 и SnO2:Sb
Определенная ширина запрещенной зоны для SnO2 и SnO2:Sb составила 3,3 эВ, что совпадает с литературными данными [5].
В данной работе были синтезированы пленки оксида олова и оксида олова легированного сурьмой по золь–гель технологии и нанесены методом погружения. После нанесения пленки имели удовлетворительные электрофизические параметры, что делает их пригодными для практического использования сразу после нанесения и позволяет сократить количество технологических операций, что удешевляет стоимость производства. Для всех пленок были определены: прозрачность в видимом диапазоне, ширина запрещенной зоны, тип проводимости, поверхностное сопротивление, подвижность
126
носителей заряда. Измеренное поверхностные сопротивления пленок, составило 780 Ом/ и 240 Ом/ после легирования. Данные легирования показывают, что в результате добавления всего одного атомного процента сурьмы сопротивление пленки снижается в три раза. Были определены спектры пропускания пленок SnO2 и SnO2:Sb. Они показали, что в видимой и инфракрасной части спектра прозрачность составляет более 80 % Причем для данной толщины легирование сурьмой в таких количествах не приводит к потемнению, как описано во многих источниках, что скорее всего связанно с технологией изготовления. Из порогового поглощения рассчитаны данные ширины запрещенной зоны. Из полученной информации можно сделать вывод, что пленки имеют хорошие свойства и могут быть использованы на практике.
Литература
1.Рембеза С.И. Особенности конструкции и технологии изготовления тонкопленочных металлооксидных интегральных сенсоров газов [Текст] / С.И. Рембеза, Д.Б. Просвирин, О.Г. Викин и др. // Сенсор. - 2004. - № 1. - С. 20 - 26.
2.Talaat M.H. Structural, electrical and optical properties of ATO thin films fabricated by dip coating method [Текст] / M.H. Talaat, K.H. Naser // Int. Nano Lett. - 2011. - V. 1. - № 2. - P. 123 - 128.
3.Wei L. Electronic structure of the doped SnO2 [Text] / L. Wei, С. Lili // Science in China (Series B). – 2001. - V. 44. - № 1. - P. 63 - 67.
4.Senguttuvan T.D. Sol gel deposition of pure and antimony doped tin dioxide thin films by non alkoxide precursors [Текст] / T.D. Senguttuvan, L.K. Malhotra // Indian institute of technology. – 1996. - V. 1. - № 1. - P. 1 - 6.
5.Batzill M. The surface and materials science of tin oxide [Текст] / M. Batzill, U. Diebold // Progress in Surface Science. - 2005. - V. 79. - P. 147 – 154.
Воронежский государственный технический университет
127
УДК 538.975
С.И. Рембеза, Т.В. Свистова, Т.А. Перепечина, А.С. Ханин
ГАЗОВЫЙ ОТКЛИК МЕТАЛЛООКСИДНЫХ ПЛЕНОК ZnO и SnO2 К АММИАКУ
В работе приведены результаты исследований влияния паров аммиака на электропроводность металлооксидных пленок оксида цинка с примесью аллюминия (ZnO:Al) и диоксида олова c примесью кремния (SnO2:Si). Установлено, что более высокой чувствительностью к парам аммиака обладают пленки SnO2:Si, а пленки ZnO:Al обнаруживают это вещество при более низкой температуре.
Аммиак (NH3) является достаточно токсичным для человека веществом, которое может нанести вред здоровью при превышении предельно допустимой концентрации паров. На производстве или в местах хранения для контроля концентраций пользуются датчиками газа, чувствительными к аммиаку. ПДК для рабочей зоны производственных помещений – 20 мг/м3 (28 - 32 ppm), смертельная для человека концентрация аммиака – 1500 - 2700 мг/м3 (2405 - 4328 ppm) [1]. Известно, что NH3 вырабатывается и содержится в человеческом организме в минимальных количествах, что имеет большое значение для медицинских исследований. По изменению концентрации аммиака (например, в выдыхаемом воздухе) можно судить о здоровье человека и выявлять на ранних стадиях без внутреннего вмешательства различные заболевания, такие как: хроническая почечная недостаточность, печеночная недостаточность, инфекция Helicobacter pylori и рак легких. Среднее значение концентрации аммиака в выдохе здоровых людей примерно равно 800 ppb. Поэтому рекомендуемым диапазоном измерения для медицинских обследований явля-
ется значение 700 ppb - 3 ppm [2].
Для определения концентрации NH3 в воздухе применяются различные типы газоанализаторов. Наиболее перспективными и экономически выгодными являются газовые сенсоры на основе металлооксидов.
128
Полупроводниковые пленочные сенсоры при взаимодействии с газами изменяют величину. электросопротивления. Наибольшей чувствительностью отличаются металлооксидные пленки с высокой электропроводностью. Для уменьшения сопротивления сенсорных пленок используют встречно-штыревую конструкцию, расстояние между контактами составляет 10 мкм. Экспериментальные образцы изготавливают по микроэлектронной технологии с использованием Pt пленки. Для регулирования температуры используется Pt нагреватель.
Целью работы является исследование влияния паров аммиака на газовую чувствительность разных видов металлооксидных пленок. Были выбраны пленки оксида цинка с примесями алюминия 0,5, 0,75 и 1 % (изготовленные методом золь-гель технологии) и диоксида олова с примесью 3 % кремния (изготовленные методом магнетронного напыления). Исследования проводились на высокоомных пленках в закрытом воздушном пространстве (измерительная ячейка объемом 10 л). Аммиак получали путем испарения 10% водного раствора NH4OH.
Концентрации аммиака были рассчитаны по формуле Мен- делеева-Клапейрона. Реакция с газом-восстановителем (NH3) выражается в изменении сопротивления пленок. Газовая чувствительность определяется как отношение сопротивления пленки на воздухе к сопротивлению пленки в газовой среде (в парах вещества).
Пленки оксида цинка чувствуют пары аммиака концентрацией 13877,45 ppm при температуре от 170 до 250 °С, максимальной газовой чувствительностью (почти 20 отн. ед.) обладает пленка
ZnO:(0,5 %)Al (рис. 1).
Пленки диоксида олова реагируют на пары аммиака (2775,5 ppm) при более высоких температурах, 320 - 370 °С. При этом максимальная газовая чувствительность – около 15 отн. ед. (рис. 2).
Установлено, что газовая чувствительность пленок SnO2:Si к парам аммиака в пять раз выше, чем у пленок оксида цинка с примесью алюминия. Однако, температура максимальной газовой чувствительности у пленок ZnO:Al на 200 °С ниже. Поэтому пленки оксида цинка с примесью алюминия являются более перспективным материалом для контроля примеси аммиака в воздухе при пониженной температуре, так как уменьшается энергопотребление прибора.
129