Методы оперативной диагностики и контроля, базирующиеся на системе полупроводниковых сенсоров-датчиков, предусматривают получение новых материалов, изучение их адсорбционно-зарядовой чувствительности к детектируемым частицам, кинетических особенностей формирования соответствующих сенсорных откликов.
По сравнению с достаточно хорошо изученными оксидами, особого внимания заслуживают пленки и пленочные структуры на основе соединений АIIIВV, АIIВVI, представители которых уже зарекомендовали себя в качестве чувствительных элементов газовых сенсоров. В работе анализируются результаты получения и исследования в указанном плане новых полупроводниковых систем InSb-ZnTe, GaSb-ZnTe, GaSb-CdTe, InSb-CdS,InP-CdS при одновременном расширении арсенала тестовых адсорбатов. В качестве таковых были взяты кислород, оксид и диоксид углерода, диоксид азота, аммиак и др., молекулы которых отличаются значениями донорных и акцепторных чисел, дипольного момента и общей поляризуемостью.
Тонкие пленки получали термическим напылением в вакууме, адсорбционные измерения осуществляли методом пъезокварцевого микровзвешивания [1] в интервалах температур 253 – 393 К и давлений 1 – 11 Па.
Величины адсорбции изученных газов составляют 10-3 – 10-5 моль/м2. На основе кривых температурной зависимости адсорбции αр = f (Т), термодинамических и кинетических характеристик установлены области обратимой химической адсорбции, т.е. области воспроизводимой работы адсорбентов как первичных преобразователей сенсоров-датчиков. С помощью построенных диаграмм состояния «величина адсорбции - состав» удалось выявить адсорбенты, наиболее избирательно чувствительные по отношению к определенному газу. Так, по отношению к аммиаку ими оказались твердые растворы (InSb)0,95 (ZnTe)0,05 и (GaSb)0,95 (ZnTe)0,05, к диоксиду углерода – InP, к диоксиду азота – InSb, к кислороду – CdS. Проведена также работа по обеспечению одновременного контроля формы импульса адсорбата и сигнала сенсора-датчика (рис. 1).
С точки зрения оперативности в поиске новых материалов – первичных преобразователей сенсоров-датчиков – интерес представляют результаты исследований кислотно-основных свойств поверхности рассматриваемых объектов – компонентов полупроводниковых систем InSb-ZnTe, GaSb-ZnTe, GaSb-CdTe, InSb-CdS, InP-CdS, предшествовавших прямым адсорбционным исследованиям.
Рисунок 1. Сенсорный отклик тонкой пленки CdTe – GaSb (а) и катарометра хроматографа (б) на импульс давления паров адсорбата:
1 – этанол; 2 – ацетон; 3 - аммиак.
Приведенные в табл. 1 сравнительные кислотно-основные и адсорбционные характеристики позволяют сделать вывод: уже на этапе определения кислотно-основных характеристик поверхности можно оценить ее адсорбционную активность по отношению к газам определенной природы. Этот способ определения активности поверхности является быстрым и наименее трудоемким.
Таблица 1. Кислотно-основные и адсорбционные характеристики поверхности компонентов системы InSb-ZnTe (Т = 363 К, р = 5,3 Па).
|
| InSb | (InSb)0,95(ZnTe)0,05 | (InSb)0,90(ZnTe)0,10 | ZnTe | ||||
| СО | NH3 | СО | NH3 | СО | NH3 | СО | NH3 | |
| рН-изоэлектрич. состояния(рНиз) | 6,46 | 6,15 | 6,81 | 7,69 | ||||
| ∆ рНиз | 0,23 | - | 0,36 | - | 0,29 | - | 0,25 | - |
| Температ. начала адсорбции (ТН) | 343 | 363 | 323 | 323 | 343 | 343 | 363 | 343 |
| Велич. адсорбции α∙103,моль/м2 | 0,44 | 0,67 | 0,63 | 1,11 | 0,53 | 0,93 | 0,45 | 0,89 |
| Теплота адсорбции qа, кДж/моль | 17,9 | 10,7 | 40,5 | 45,6 | 29,0 | 28,4 | 22,1 | 26,8 |
| Энергия актива-ции адсорбции, Еа, кДж/моль | 72,3 | 92,0 | 55,5 | 61,0 | 58,7 | 68,7 | 64,1 | 81,6 |
На основе полученных в работе экспериментальных данных, а также совокупного рассмотрения результатов аналогичных исследований систем InSb-ZnSe, InSb-ZnTe, GaSb-ZnTe методами определения рН – изоэлектрического состояния, механохимии, кондуктометрического титрования, ИК – спектроскопии [2, 3] установлено, что, кроме кислотно-основных свойств поверхности, для более точного прогнозирования адсорбционных свойств по отношению к данным газам, следует учитывать и объемные свойства исходных бинарных компонентов. Такими свойствами являются ширина запрещенной зоны, электронно-акцепторные свойства атома металла (q/rкат), электроотрицательность атомов, структура и степень ионности связи исходных соединений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кировская, И.А. Адсорбционные процессы. – Иркутск: Изд-во ИГУ, 1995. – 304 с.
2. Кировская, И.А. Поверхностные свойства алмазоподобных полупроводников. Адсорбция газов. – Иркутск: ИГУ, 1984. – 186 с. – ISBN – 5 – 7430 – 0438 – 2.
3. Кировская, И.А. Катализ. Полупроводниковые катализаторы: Монография. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. – 272 с.
Библиографическая ссылка
Кировская И.А., Шубенкова Е.Г., Новгородцева Л.В., Лещинский С.С., Тимошенко О.Т., Филатова Т.Н. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ АНАЛИЗ ТОКСИЧНЫХ ГАЗОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ТИПА (АIIIВV)Х(АIIВVI)1-Х. // Современные проблемы науки и образования. – 2006. – № 2. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=203 (дата обращения: 09.10.2024).