Нанокомпозиты оксида олова и циркония — перспективные материалы для создания датчиков газа

Исследователи из Воронежского государственного технического университета и Университета Цинхуа (Китай) изучили электрофизические и газочувствительные свойства плёнок оксида олова. Выяснилось, что незначительное содержание примеси оксида циркония в материале приводит к серьёзному изменению его свойств. Например, температура, при которой плёнки проявляют максимальную чувствительность к парам этилового спирта и ацетона, снижается более чем на 100 °С.

Работа выполнена при поддержке РФФИ и опубликована в журнале «Физика и техника полупроводников».

Сенсорные элементы используются для контроля содержания токсичных и взрывоопасных соединений в воздухе. Действие многих сенсоров основано на способности металооксидных полупроводников к абсорбции молекул газа. После того как молекулы попадают на поверхность плёнки, изменяется её электрическое сопротивление, на основе чего рассчитывается концентрация газа.

Плёнки из разных материалов отличаются по газовой чувствительности. Эту характеристику определяют как соотношение сопротивления чистой плёнки к сопротивлению плёнки в измерительной ячейке с известной концентрацией газа. Чаще всего в газовой сенсорике применяются плёнки или порошки оксида олова – как чистые, так и легированные различными примесями. Присутствие других атомов в кристаллической структуре оксида олова влияет на размер его зёрен, а значит, и на электрофизические свойства.

Станислав Рембеза и его коллеги исследовали газовую чувствительность плёнок оксида олова с примесью оксида циркония (Zr). Содержание атомов циркония составляло от 0 до 4,6 процента. Плёнки изготавливались методом ионного распыления мишени, составленной из олова и циркония, в атмосфере из кислорода и инертного газа аргона. Процентное содержание кислорода было подобрано так, чтобы удалённые с поверхности мишени атомы металлов осаждались на стеклянные или кремниевые подложки уже в виде оксидов. Технология позволила учёным получить набор образцов с различным атомным составом.

Элементный состав полученных плёнок был проанализирован с помощью рентгеновского микроанализа, а их толщина – методами атомно-силовой микроскопии. Учёные продемонстрировали, что между этими параметрами существует устойчивая связь: чем больше в плёнке циркония – тем меньше её толщина. Это связано с тем, что молекулы оксида циркония не образуют какой-либо кристаллической структуры и размещаются на межзёренных границах молекул оксида олова, существенно уменьшая возможность формирования больших образований. При высоком (4,6 процента) содержании оксида циркония толщина плёнки снижается до 0,5 мкм, а средний размер зёрен оксида олова – до 10 нм!

Добавление оксида циркония приводит к изменению не только размерных характеристик, но и электрофизических свойств композитного материала. Чем меньше зёрна оксида – тем большее количество атомов расположено близко к поверхности. Если в нелегированной плёнке оксида олова около поверхности находится около 7,5 процента атомов, то в плёнке с добавлением циркония (в связи со снижением размера зёрен) их там расположено уже 30 процентов. Учёные экспериментально подтвердили, что увеличение свободной поверхности привело к значительному улучшению газочувствительных свойств плёнки. Образец с высоким содержанием циркония продемонстрировал существенное уменьшение температуры максимальной газовой чувствительности: 200 °С вместо 300–400 °С у нелегированных образцов.

Температура максимальной газовой чувствительности к парам этанола, ацетона и пропанола по мере увеличения процентного содержания оксида циркония в композите снижается более чем на 100 °С. Наибольшая чувствительность проявляется к парам ацетона.