Способы улучшения электрофизических свойств ГЧМ

Современные исследования показывают, что более высокие газочувствительные свойства проявляют пленки на основе смешанных оксидов (композитных ГЧМ) или пленки на основе оксидов, легированных металлами. Для повышения селективности, увеличения чувствительности и снижения рабочей температуры сенсоров пленку оксида олова легируют атомами других металлов (платиной, палладием, серебром, золотом, медью, титаном и др.). Если технологический процесс предусматривает термическую обработку в окислительной атмосфере, то во время нее металлы могут окисляться. Химические технологии предусматривают добавку дополнительных компонентов в основной ГЧМ сразу в окисленном виде. В этом случае ГЧМ получается композиционным.Для улучшения каталитических свойств ГЧМ поверх пленки могут наносить слои этих же металлов толщиной в несколько нанометров. В зависимости от выбранной технологии и количества легирующих веществ ГЧМ получается многослойным или композиционным.

Так чувствительность пленки оксида олова к сероводороду повышается при введении в ее структуру атомов или оксидов меди, серебра и железа.

Более чувствительные сенсоры аммиака получаются при использовании смешанных оксидов кремния и платины.

Газы органической природы детектируются с помощью смешанных оксидных материалов на основе оксидов ванадия, титана, олова.

Известно применение следующих двухкомпонентных оксидов SnO₂-Cu₂O, SnO₂-WO₃, SnO₂-Fe₂O₃, In₂O₃-Fe₂O₃, NiO-Al₂O₃, In₂O₃-Fe₂O₃, TiO₂-WO₃, и т.д. Как правило, один из оксидов, первый, является основным по массе, а другой, добавленный в небольших количествах в объем структуры первого оксида, или нанесенный каким-либо способом на его поверхность, позволяет улучшить газочувствительные свойства пленочного материала и рабочие характеристика сенсора газа в целом. В настоящее время также исследуются и трехкомпонентные системы: SnO₂-Fe₂O₃-PdO, SnO₂-Fe₂O₃-PtO, SnO₂-SiO₂-PtO, SiO₂-SnO₂-Ag₂O, SnO₂-SiO₂-PtO.

Исследования показали, что введение Pt или Ni, Pd, Fe, Ru в диоксид олова, синтезированный пиролизом или золь - гель методом, приводит к уменьшению размеров кристаллитов SnO₂ и увеличению его удельной поверхности (рис.6). Кроме этого размеры кристаллитов ГЧМ зависят и от температуры отжига.

Видно, что при чем при определенной концентрации легирующего компонента его влияние прекращается - рис. 6,б.

В последнее время нашел применение оксид кремния SiO₂, один из основных материалов микроэлектроники, использующийся в технологии изготовления сенсоров либо в качестве матрицы для дальнейшего изготовления наноразмерного газочувствительного слоя, либо для усиления газочувствительных свойств пленок, либо для улучшения стабильности сенсоров.

 

а) б)

в) г)

Рис. 6. Зависимость cредних размеров кристаллитов от содержания легирующих примесей в пленках SnO₂ (а, б) и от температуры изотермического отжига (в, г): а) пленки SnO₂ б) пленки SnO₂ (Т_отж=700⁰С) с добавкой: 1 - никеля; 2 – железа; в) пленки 1- SnO₂; 2- SnO₂+2,5ат.%Fe; 3- SnO₂+4,2ат.%Fe; г)пленки SnO₂ и In₂O₃.