Математическое моделирование проводимости поликристаллических слоёв широкозонных полупроводников при адсорбции на их поверхности газов — восстановителей в присутствии кислорода
Н.А. Клычков, Д.В. Курмашева, В.В. Симаков, И.В. Синёв
ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»
DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.424
Оригинальная статья
Аннотация: В работе представлены результаты исследования отклика сенсоров газа на основе газочувствительных слоёв Cu:SnO2 к парам этанола, ацетона и 2-пропанола. Измерены концентрационные зависимости отклика сенсора в различных температурных режимах для определения оптимальных режимов функционирования. Экспериментально определена температурная зависимость отклика сенсоров к парам анализируемых веществ. Зависимость теоретически обоснована с помощью предложенной математической модели, основанной на рассмотрении процессов переноса носителей заряда через потенциальные барьеры зерен поликристаллической полупроводниковой пленки в среде, содержащей кислород и анализируемый газ — восстановитель. В рамках модели, предполагается наличие для каждого сорта газа на поверхности SnO2 собственных центров адсорбции. В работе показано, что модель может быть использована для расчета и прогнозирования результатов измерений газочувствительности сенсоров на основе активных слоев поликристаллических полупроводников. Результаты расчетов подтверждают, что такие энергетические параметры как глубина залегания примесного уровня и энергия связи с поверхностью индивидуальны для каждого вещества.
Ключевые слова: детектирование паров органических веществ, полупроводниковый сенсор газа, диоксид олова, температурная зависимость отклика, диссоциативная адсорбция
- Клычков Никита Александрович – аспирант 1-го года обучения, Институт физики, ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»
- Курмашева Диана Викторовна – студент 1 курса магистратуры кафедры материаловедения, технологии и управления качеством, ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»
- Симаков Вячеслав Владимирович – д.т.н., профессор кафедры материаловедения, технологии и управления качеством, ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»
- Синёв Илья Владимирович – к.ф.-м.н., доцент кафедры материаловедения, технологии и управления качеством, ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»
Ссылка на статью:
Клычков, Н.А. Математическое моделирование проводимости поликристаллических слоёв широкозонных полупроводников при адсорбции на их поверхности газов — восстановителей в присутствии кислорода / Н.А. Клычков, Д.В. Курмашева, В.В. Симаков, И.В. Синёв // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2023. — Вып. 15. — С. 424-431. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.424.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Dong, Z.M. Preparation of hollow SnO2/ZnO cubes for the high-performance detection of VOCs / Z.M. Dong, Q. Xia, H. Ren et al. // Ceramics International. – 2023. – V. 49. – I. 3. – P. 4650-4658. DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.09.352.
2. Li, G. Adjustment of oxygen vacancy states in ZnO and its application in ppb-level NO2 gas sensor / G. Li, H. Zhang, L. Meng et al. // Science Bulletin. – 2020. – V. 65. – I. 19. – P. 1650-1658. DOI: 10.1016/j.scib.2020.05.027.
3. Ambardekar, V. Understanding on the hydrogen detection of plasma sprayed tin oxide/tungsten oxide (SnO2/WO3) sensor / V. Ambardekar, T. Bhowmick, P.P. Bandyopadhyay // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – V. 47. – I. 33. – P. 15120-15131. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.03.005.
4. Gan, L. Oxygen sensing performance of Nb-doped TiO2 thin film with porous structure / L. Gan, C. Wu, Y. Tan et al. // Journal of alloys and compounds. – 2014. – V. 585. – P. 729-733. DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.09.161.
5. Simakov, V. Gas identification by quantitative analysis of conductivity-vs-concentration dependence for SnO2 sensors / V. Simakov, A. Voroshilov, A. Grebennikov et al. // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2009. – V. 137. – I. 2. – P. 456-461. DOI: 10.1016/j.snb.2009.01.005.
6. Liu, J. Size effect and comprehensive mathematical model for gas-sensing mechanism of SnO2 thin film gas sensors / J. Liu, J. Lv, H. Xiong, Y. Wang, G. Jin, Z. Zhai, C. Fu, Q. Zhang // Journal of Alloys and Compounds. – 2022. – V. 898. – Art. № 162875. – 9 p. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.162875.
7. Yamazoe, N. Receptor function and response of semiconductor gas sensor / N. Yamazoe, K. Shimanoe // Journal of Sensors. – 2009. – V. 2009. – Art. № 875704. – 21 p. DOI: 10.1155/2009/875704.
8. Korotcenkov, G. Effect of air humidity on gas response of SnO2 thin film ozone sensors / G. Korotcenkov, I. Blinov, V. Brinzari, J.R. Stetter // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2007. – V. 122. – I. 2. – P. 519-526. DOI: 10.1016/j.snb.2006.06.025.
9. Mamat, M.H. Heterojunction of SnO2 nanosheet/arrayed ZnO nanorods for humidity sensing / M.H. Mamat, A.S. Ismail, N. Parimon et al. // Materials Chemistry and Physics. – 2022. – V. 288. – Art. № 126436. – 16 p. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2022.126436.
10. Jiang, B. Separated detection of ethanol and acetone based on SnO2-ZnO gas sensor with improved humidity tolerance / B. Jiang, T. Zhou, L. Zhang, J. Yang et al. // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2023. – V. 393. – Art. № 134257. – 14 p. DOI: 10.1016/j.snb.2023.134257.
11. Корабель, М.Д. Принципы создания виртуальной мультисенсорной системы для распознавания газовых смесей / М.Д. Корабель, И.В. Синев, Д.А. Шикунови др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2020. – Вып. 12. – С. 827-835. DOI 10.26456/pcascnn/2020.12.827.
12. Симаков, В.В. Неаддитивное влияние паров воды и освещения на проводимость пленки диоксида олова при комнатной температуре / В.В. Симаков, И.В. Синёв, С.Б. Вениг // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. – 2018. – Т. 26. – Вып. 6. – С. 48-58. DOI: 10.18500/0869-6632-2018-26-6-48-58.