Введение к работе
Актуальность работы
Индустриальное развитие, характерное для нашего времени, привело к тому, что проблема загрязнения окружающей среды, в том числе и воздушного бассейна, стала носить глобальный характер, что в свою очередь вызвало необходимость контроля концентрации большого числа загрязняющих веществ в атмосфере. В связи с этим динамично развиваются методы и средства контроля среды на основе полупроводников, в которых в качестве газочувствительных элементов используют органические полупроводники, кремний и окислы металлов. Недостатками таких элементов является высокая рабочая температура, высокое энергопотребление при эксплуатации, низкая селективность и стабильность. Поэтому разработка новых материалов для полупроводниковых сенсоров является актуальной задачей твердотельной электроники.
Выбор пленок Cu2O в качестве объекта исследований не случаен. Это достаточно хорошо исследованный материал. Его свойства исследуются с 20-х годов прошлого столетия. В.П. Жузе и Б.В. Курчатовым впервые экспериментально было показано существование примесной и собственной областей проводимости в Cu2O, полученном термическим окислением. Немного позже на основе разработанной теории были созданы и получили широкое применение меднозакисные выпрямители, изучались их фотоэлектрические свойства. В дальнейшем интерес к Cu2O несколько уменьшился из-за появления новых полупроводниковых соединений.
Однако число работ в этой области за последние годы значительно возросло в связи с тем, что новые современные технологические возможности позволяют значительно улучшить стабильность пленок оксидов меди и расширить области их применения в электронике. Несмотря на большое число известных методов получения Cu2O, продолжается поиск и разработка новых способов его синтеза. Одним из перспективных процессов является анодное окисление медной фольги на стеклотекстолите, который открывает возможность недорогого и простого метода получения газочувствительных пленок Cu2O к таким парниковым газам как оксиды азота и сероводород.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы является разработка технологии изготовления сенсорных элементов на основе анодных оксидных пленок меди, исследование их физико-химических свойств и определение газочувствительных характеристик.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать технологию получения анодных оксидных пленок меди (АОПМ).
определить кинетические и термодинамические закономерности процесса анодного окисления меди в сульфатно-хлоридном электролите.
выявить влияние параметров технологических режимов получения пленок АОПМ на их состав, структуру и морфологию поверхности.
исследовать физико-химические и электрофизические свойства АОПМ.
определить газочувствительные характеристики сенсорных элементов на основе анодных оксидных пленок меди.
Объекты исследования
Объектами исследования являются сенсорные элементы на основе анодных оксидных пленок меди.
Научная новизна работы
-
Предложен механизм процесса анодирования медной фольги на стеклотекстолите в сульфатно-хлоридном электролите.
-
Определена структура и элементный состав полученных анодных оксидных пленок меди.
-
Установлен характер влияния технологических параметров на состав, структуру и морфологию поверхности АОПМ.
-
Определены характер термо- и фотопроводимости образцов на основе АОПМ, а также наличие p-n - переходов в пленке Cu2O.
-
Определено влияние технологических параметров процесса анодирования меди, морфологии поверхности, состава, структуры и электропроводности образцов АОПМ на газочувствительные характеристики сенсорных элементов на их основе.
Практическая значимость:
-
Выявлено влияние параметров анодирования на скорость роста анодных оксидных пленок Cu (I), размер зерен, состав пленок, стехиометрию, постоянную решетки меди, Cu2O и CuCl, свето- и газочувствительность анодных пленок.
-
Определены оптимальные режимы формирования сенсорных элементов на диоксид азота, позволившие получить стабильные газочувствительные пленки.
-
Разработана технология изготовления сенсорных элементов на основе анодных оксидных пленок меди.
-
Разработан сенсорный элемент на диоксид азота со следующими характеристиками: предел обнаружения – 1,5 ppm; динамический диапазон – 1,5 – 20 ppm; время отклика – 47 с.; время восстановления – 12 мин; Коэффициент газочувствительности - 0,95 отн. ед.
Положения, выносимые на защиту
-
Механизм процесса анодирования медной фольги на стеклотекстолите в сульфатно-хлоридном электролите.
-
Технологический маршрут и режимы анодирования пленок Cu2O методом анодного окисления меди в сульфатно-хлоридном электролите.
-
Конструкция сенсорного элемента на основе анодных оксидных пленок меди, селективного по отношению к диоксиду азота.
Апробация работы
Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международной научно-технической конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморское, 2002, 2004); III Международной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 2002); II Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2004); V Международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии» (Одесса, 2004); III Всероссийской конференции «Актуальные проблемы электрохимической технологии» (Саратов, 2008).
Публикации
По материалам диссертационной работы опубликованы 12 печатных работ, из них 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК и 10 работ в сборниках трудов конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Содержание диссертации изложено на 131 страницах и включает: 45 рисунков, 11 таблиц, 9 формул и список из 98 использованных источников. В приложениях содержатся акты о внедрении результатов диссертационной работы.
