Особенности использования наноматериалов на основе SiO2-SnO2-In2O3 в качестве чувствительных элементов



В последние годы многокомпонентные системы на основе комбинаций различного рода широкозонных оксидов, таких как , , , и др., представляют значительный интерес для исследователей и разработчиков в области наноэлектроники [1]. В целом выделяется общая тенденция, согласно которой фиксируется переход от использования индивидуальных оксидов к применению их сложносоставных композиций. Движущей силой данной тенденции выступают потребности в наноматериалах и устройствах на их основе, обладающих комплексом свойств, обеспечить которые с использованием только одного оксида не представляется возможным [2]. Использование многокомпонентных систем на основе широкозонных оксидов, позволяет в той или иной мере решить некоторые проблемы.

Целью настоящей работы является расширение спектра материалов потенциально пригодных для измерения давления ниже атмосферного и изучения в рамках данного аспекта трехкомпонентной системы . Синтез анализируемых наноматериалов проводился в рамках методов золь-гель технологии с использованием следующих прекурсоров: тетраэтоксисилана , олова двухлористого двухводного , 4,5-водного нитрата индия (, при этом соляная кислота применялась в качестве катализатора, а этиловый спирт в качестве растворителя. Выбор трехкомпонентной системы в качестве объекта исследования обусловлен наличием первичных экспериментальных данных, демонстрирующих значительный вклад кислорода в изменение ее сопротивления. На рисунке 1 представлена температурная зависимость удельной проводимости исследуемых наноматериалов, полученная в сухом воздухе.

Рис. 1. Температурная зависимость удельной проводимости наноматериалов на основе в сухом воздухе

Рис. 2. Зависимость сенсорного отклика чувствительных элементов от массовой доли оксида индия: 1 — экспериментальные данные; 2 — аппроксимация

Анализ представленной на рисунке 1 зависимости, показывает наличие максимума в низкотемпературной области 300–400 К, глубокого минимума в диапазоне 550–650 К и резкий рост проводимости в высокотемпературной области 700–900 К. Такое поведение температурной зависимости удельной проводимости, по всей видимости, определяется различными формами кислорода, хемосорбированными на поверхности и в объеме трехкомпонентной системы . В низкотемпературной области доминирующее влияние оказывает кислород в форме , а в высокотемпературной в форме . Минимуму удельной проводимости отвечает одновременное существование и , вклад от которых суммируется и наноматериал максимально обедняется основными носителями заряда. Такой характер взаимодействия исследуемых наноматериалов с атмосферным кислородом и концентрационные особенности добавок оксида индия определяют сенсорный отклика рассматриваемой системы к уменьшению давления ниже атмосферного. На рисунке 3 представлено относительное изменение сопротивления (R/R₀) чувствительных элементов датчиков вакуума на основе на основе наноматериалов состава как функция давления. Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что в зависимости от содержания для исследуемой системы может быть характерно как уменьшение (кривые 2 и 3), так и увеличение сопротивления при уменьшении давления ниже атмосферного (кривые 4 и 5). На рисунке 2 представлена зависимость сенсорного отклика чувствительных элементов датчиков вакуума с трехкомпонентной оксидной системой от массовой доли [4].

Рис. 3. Относительное изменение сопротивления чувствительных элементов датчиков вакуума на основе трехкомпонентной оксидной системы с различной массовой долей оксида индия: 1 — образец не содержит ; 2–5 масс. %, 3–10 масс. %₃, 4–15 масс. %, 5–20 масс. %

Анализ представленных зависимостей показывает, что введение даже малого количества оксида индия в двухкомпонентную систему на основе приводит к значительному увеличению сенсорного отклика исследуемых наноматериалов. Дальнейшее увеличение массовой доли оксида индия приводит к резкому уменьшению сенсорного отклика (кривая 5 на рисунке 3). Сенсорный отклик трехкомпонентной оксидной системы при малых концентрациях объясняется доминирующим вкладом кислорода в форме , существование которого на высокодеффектных поверхностях возможно в широком диапазоне температур. Уменьшение давления ниже атмосферного приводит к десорбции кислорода с поверхности и из объема наноматериалов, в результате чего электроны возвращаются в зону проводимости, обеспечивая уменьшение сопротивления (кривые 2 и 3 на рисунке 3). При этом низкотемпературная форма становится слабосвязанной и легко десорбируется при уменьшении давления ниже атмосферного, что и определяет рост сенсорного отклика [3].

Таким образом, рассмотрены особенности использования наноматериалов на основе в качестве чувствительных элементов датчиков вакуума. Показано, что в зависимости от массовой доли оксида индия для исследуемых наноматериалов может быть характерно как уменьшение, так и увеличение сопротивления при уменьшении давления ниже атмосферного.

Литература:

1. Faber H, Das Sa, Lin Y-H, Pliatsikas N, Zhao K, Kehagias T, Dimitrakopulos G, Amassian A, Patsalas P A and Anthopoulos T D 2017 Science Advances 3e1602640
2. Wang L, Li J, Wang Y, Yu K, Tang X, Zhang Y, Wang S and Wei C 2016. Scientific Reports 6 35079
3. Korotcenkov G, Han S-D, Cho B K and V. Brinzari 2009 Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences 34 1–17
4. Averin I А, Igoshina S Е, Moshnikov V А, Karmanov А А, Pronin I А and Terukov Е I 2015 Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics 60(6) 928–32