Загальні відомості про методи детекції газів. Поверхневі напівпровідникові датчики газів, принцип їх дії, основи їх побудови. Сучасні датчики газів, та методи їх отримання. Нові матеріали та наноструктури – перспективна база елементів для датчиків газів.
Аннотация к работе
Проблеми моніторингу навколишнього середовища, контролю за екологічними параметрами середовища проживання людини, в особливості місць скупчення великої кількості людей, контролю фізіологічного стану людини, якості продуктів харчування, а також визначення мікроконцентрацій токсичних та вибухонебезпечних компонентів в різного роду технологіях (гірничодобувній, хімічній промисловостях...) та наукових дослідженнях, ставлять питання про вдосконалення засобів вимірювання хімічного складу газових середовищ, синтезі нових матеріалів, що мають селективну чутливість до певного типу молекул, створення на їх основі нових, більш ефективних та не дорогих вимірювальних приладів. Зростаюча небезпека тероризму з використанням вибухових, отравляючих та радіоактивних речовин також загострює цю проблему [1]. Першою та надзвичайно важливою задачею газової сенсорики являється створення порогових датчиків, що реагують на перевищення допустимого рівня в повітрі вибухонебезпечних та шкідливих для здоровя речовин.Умовно способи детекції газів мабуть можна поділити на: а) фізичні ; б) хімічні ; в) біологічні. Хімічна детекція заключається, наприклад, в зміні кольору, агрегатного стану речовини-детектора (наприклад мутніння і поява осаду в вапняній воді під впливом вуглекислого газу), біологічна (хеморецепція) - в здатності живих організмів (в тому числі і людей) до сприйняття (нюх, смак) змін концентрації певних речовин (в нашому випадку газів) в навколишньому середовищі. Напевно тому, що порівняно з іншими методами мають ряд переваг: швидкість детекції, можливість кількісної оцінки концентрації газів, можливість проводити детекцію на віддалі... Поверхня оксидів металів характеризується адсорбційними властивостями та здатністю до реакції, які обумовлені наявністю вільних електронів в зоні провідності, поверхневих та обємних кисневих вакансій, а також активного хемосорбованого кисню [1]. Термомагнітні датчики основані на зміні магнітних властивостей молекул деяких газів в залежності від температури [2].Термокаталітичні датчики газів використовуються для вимірювання концентрації горючих газів (метан, пропан...).Не дивлячись на широкий спектр детекторів, найбільш поширеними на сьогонішній день являються поверхневі датчики на базі напівпровідникових матеріалів (наприклад типу оксидів металів та метал-оксид-напівпровідник) та електролітичні, а найбільш перспективними, вірогідно, являються напівпровідникові детектори на основі нових матеріалів з квантоворозмірними ефектами - наноструктури. В датчиках на основі оксидів металів (наприклад напівпровідники-SNO2, ZNO, Fe2O3, WO3, Co3O4) здійснюють детекцію газів наступним чином: на поверхні цих напівпровідників при хемосорбції кисню локалізується відємний заряд, створений захопленим електродом, що збіднює приповерхневу область напівпровідника електронами, що в свою чергу означає зниження її провідності. В залежності від складу плівки чутливого матеріалу датчики реагують на гази C2H2OH, CO, CH4, H2, O2. (Японія) в своєму датчику TGS2611 (чутливість якого подано на Рис.4 ) [4]. Цей датчик являє собою гібридну структуру на основі чутливого елементу (Рис.5) та внутрішнього термістора.В звязку з інтенсивним розвитком виробництва поверхневих датчиків газів, досліджуються придатні для їх побудови сучасні напівпровідникові матеріали та структури з якісно новими властивостями. Що стосується нових структур, тут слід відмітити явну тенденцію в використанні так званих квантово-розмірних стуктур - наноструктур. Кількісна зміна розмірів структури призводить до появи якісно нових фізичних властивостей - квантових ефектів, наприклад, електронний (дірковий) газ стає дво-, одно-, та нульмірним що часто призводить до більш виразних залежностей між фізичними параметрами структури.В [7] показано чутливість на NOX сильнотекстурованої (Рис.12 ) плівки In2O3 отриманої методом MOCVD (осадження металлорганічних сполук із газової фази). Показано, що такий датчик придатний і для детекції кисню, але його чутливість на кисень значно нижча (Рис.15,16). Така можливість здійснена на базі GAN/ALGAN транзистора (шари GAN, ALGAN, ALN отримано плазма індукованою МПЕ-молекулярно-пучкова епітаксія) з високою рухливістю електронів (Рис.17). Так в [9] показано можливість використання в МОН транзисторах а в [10] діодів Шоттки на базі GAN/ALGAN гетероструктур (GAN/ALGAN структура отримана методом MOCVD) з додатковим діелектричним шаром оксиду скандію (Sc2O3) (Рис. В [11] показано значний ріст чутливості датчика на базі діода Шоттки з GAN структурою (GAN/ALGAN структура отримана методом MOCVD) (Рис.) при рості температури детектування з 200 до 800 ОС.
План
Зміст
Вступ
1. Газова детекція
1.1 Загальні відомості про методи детекції газів
1.2 Поверхневі напівпровідникові датчики газів, принцип їх дії, основи їх побудови
2. Сучасні датчики газів, та методи їх отримання
2.1 Нові матеріали та наноструктури - перспективна база елементів для датчиків газів
2.2 Датчики газів на основі нових матеріалів та наноструктур
2.3 Технології, що використовуються при побудові датчиків газів