Разработка газочувствительного элемента на основе пленок оксидов меди для датчика аммиака

Размещено на http://www.allbest.ru/

Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Разработка газочувствительного элемента на основе пленок оксидов меди для датчика аммиака

Т. А. Моисеева, Т.Н. Мясоедова, В.В. Петров, Н.Н. Кошелева

В последнее время большое число научных исследований проводится в области разработки материалов для датчиков контроля состава атмосферного воздуха [1]. Особый интерес уделяется сенсорам газов резистивного типа на основе неорганических пленок оксидов металлов, в том числе оксидов меди (СuO и Cu₂O) [2-4]. Преимуществами оксидов меди перед другими оксидами является их низкая стоимость, химическая стойкость, простота изготовления пленок. Для использования пленок оксидов меди в качестве чувствительного слоя в сенсорах газов необходимо придание им следующих характеристик: быстроты реакции при воздействии газа, стабильности электрических характеристик во времени, широкого диапазона чувствительности, высокой селективности. Все выше перечисленное достигается путем применения соответствующего метода изготовления, а также подбором необходимых технологических режимов. Так, основными методами изготовления пленок оксидов меди являются электрохимическое осаждение, золь-гель метод, термическое окисление, вакуумное напыление [5, 6]. В данной работе образцы пленок состава CuO_x для создания сенсора аммиака на их основе изготавливались цитратным золь-гель методом, преимущества которого описаны ранее в работе [7].

Для получения пленок состава CuO_x был приготовлен золь на основе этиленгликоля с добавками спиртово-водного раствора СuCl₂ и лимонной кислоты для закисления золя с целью образования вязкого раствора. Этиленгликоль добавляли в избытке, поскольку гидроксильные группы стабилизируют в растворе металл-цитратные комплексы и способствуют образованию низкомолекулярных олигомеров. Далее приготовленные растворы выдерживались в течение 24 часов для приобретения пленкообразующих свойств при pH=4. Готовый раствор наливали в чашку Петри, куда помещалась термически окисленная кремниевая пластина, предварительно обработанная в азотной кислоте. Пластина выдерживались в растворе в течение нескольких дней при комнатной температуре при периодическом перемешивании. В завершении образцы проходили двухступенчатую термическую обработку: сушка при 200 ⁰С и отжиг при 500 ⁰С. Указанная температура отжига позволяет стабилизировать структуру пленки и придать заданные электрофизические характеристики, например, ширину запрещенной зоны [7]. Разработанная технологическая схема формирования пленки состава CuO_x представлена на рис.1

Рис.1. - Технологическая схема формирования пленок CuO_x

Поверхность полученных материалов была исследована методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) (рис.2).

Анализ РЭМ изображений медьсодержащих пленок показал, что поверхность не является однородной. Более детальное рассмотрение позволяет сделать вывод о том, что неоднородности являются областями кристаллизации оксидов меди, средний размер кристаллитов которых составляет порядка 5-10 нм.

Рис.2. - РЭМ - изображение поверхности пленок CuO_x

Для исследования газочувствительных характеристик пленок был сформирован лабораторный образец сенсорного элемента. Сенсорный элемент состоит из кремниевой подложки, диэлектрического слоя SiO₂ толщиной 1 мкм, газочувствительной пленки состава CuO_x и металлизированных контактов (рис. 3)

Рис.3.- Лабораторный образец сенсорного элемента

В результате исследования газочувствительных свойств была обнаружена реакции на аммиак при температуре 180°С в диапазоне концентраций 25-150 ppm, отличающаяся стабильностью и воспроизводимостью. Типичная динамика отклика сенсорного элемента, представлена на рис. 4, а, по которой установлено, что время отклика и время восстановления составляют 4-6 сек и 80-120 сек, соответственно.

На основе полученных данных был определен коэффициент газовой чувствительности (S) по известной формуле:

газочувствительный сенсор датчик воздух

где G_г - проводимость сенсора при воздействии газа ( , G₀ - проводимость в воздухе (.

Показано, что адсорбционная способность поверхности не превышает 100 ppm (рис.4б), что позволяет определять концентрацию аммиака в воздухе рабочей зоны на уровне ПДК равной (28 ppm).

а)динамика отклика на концентрацию NH3 100 ppm при

б) зависимость коэффициента газовой чувствительности от концентрации NH₃ (

Рис.4.- Газочувствительные свойства сенсорного элемента на основе пленок CuO_x при рабочей температуре 180⁰C

Таким образом, в работе показано, что посредством довольно простой технологии основанной на золь-гель методе, возможно сформировать пленки оксидов меди, которые обладают газочувствительностью к аммиаку. Сенсорные элементы, созданные на их основе, могут быть использованы в датчиках контроля воздуха рабочей зоны промышленных предприятий.

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.А18.21.2097 «Разработка автоматизированной системы мониторинга для контроля и прогнозирования состояния окружающей среды».

Литература

1. Петров В.В., Назарова Т.Н., Копылова Н.Ф., Вороной А.А. Исследование процесса получения и свойств наноразмерного материала состава SIO₂SnO_XCuO_Y, для сенсора газа //Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2011. - Т. 117. - № 4. - С. 123 - 128.

2. S.C. Ray, Preparation of copper oxide thin film by the sol - gel-like dip technique and study of their structural and optical properties, Solar Energy Materials & Solar Cells, - 2001. -p.307 - 312.

3. Назарова Т.Н., Петров В.В., Заблуда О.В., Яловега Г.Э., Смирнов В.А., Сербу Н.И., Шматко В.А. Исследование физико - химических и электрофизических свойств материалов состава SIO₂CuO_X// Известия Южного федерального университета. Технические науки. -2011. - Т. 114. - № 1. - С. 103 - 108.

4. Please cite this article as: V. Dhanasekaran, T. Mahalingam, R. Chandramohan, Jin-Koo Rhee, J.P. Chu, Electrochemical deposition and characterization of cupric oxide thin films,Thin Solid Films, - 2012.

5. I. G. Casella and M. Gatta, J. Electroanal. Chem.2000. - №12. - 494с.

6. Петров В.В., Королев А.Н. Наноразмерные оксидные материалы для сенсоров газов. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. - 153 c.

7. O. Akhavan, H. Tohidi, A.Z. Moshfegh. Synthesis and electrochromic study of sol-gel cuprous oxide nanoparticles accumulated on silica thin ?lm, Thin Solid Films. - 2009. - p. 700 -706.

Размещено на Allbest.ru