Влияние глубоких поверхностных акцепторных состояний на температурную зависимость проводимости слоёв оксида цинка
Н.А. Клычков, В.В. Симаков, И.В. Синёв
ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»
DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.906
Оригинальная статья
Аннотация: Проведено экспериментальное и теоретическое исследование температурной зависимости проводимости слоёв ZnO в сухом воздухе и парах этанола. Экспериментально установлено, что температурная зависимость проводимости носит нелинейный характер и ее вид определяется условиями эксперимента. Показано, что скорость развёртки напрямую влияет на вид температурной зависимости: при скорости развёртки 0,4°C/мин на температурной зависимости наблюдается локальный минимум проводимости в области температур 250±5°C, а при скорости 30°C/мин температурная зависимость имеет монотонный вид. Предложен механизм, описывающий влияниескорости развёртки на вид температурной зависимости, который предполагает протекание термоактивационных процессов диссоциации адсорбированных молекул кислорода с образованием на адсорбционных центрах атомарной формы кислорода. Ключевой идеей предложенного механизма является предположение о том, что атомарная форма кислорода образует более глубокие акцепторные состояния на поверхности оксида цинка, чем молекулярная форма. При высокой скорости развёртки время релаксации заполнения поверхности адсорбированными формами кислорода существенно больше времени эксперимента поэтому на поверхности слоёв оксида цинка возникают «замороженные» состояния атомарной формы адсорбированного кислорода. На основе проведенных расчетов по предложенной модели предложена методика, которая позволяет уменьшить неравновесные состояния атомарной формы адсорбированного кислорода с помощьютермообработки образцов в восстанавливающих средах.
Ключевые слова: оксид цинка, полупроводниковый датчик газа, газочувствительность при комнатной температуре, температурная зависимость проводимости, диссоциация кислорода, поверхностный акцептор, модель двойных барьеров Шоттки
- Клычков Никита Александрович – аспирант 3-го года обучения, Институт физики, 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. Влияние глубоких поверхностных акцепторных состояний на температурную зависимость проводимости слоёв оксида цинка / Н.А. Клычков, В.В. Симаков, И.В. Синёв // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 906-921. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.906.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Кисин, В.В. Градуировка тонкопленочного сенсора газа / В.В. Кисин, В.В. Симаков, А.С. Ворошилов и др. // Приборы и техника эксперимента. – 2009. – Вып. 1. – С. 158-160.
2. Симаков, В.В. Влияние температуры на скорость роста нитевидных нанокристаллов диоксида олова, сформированных методом физического осаждения из парогазовой фазы / В.В. Симаков, И.В. Синёв, А.В. Смирнов, А.И. Гребенников // Журнал технической физики. – 2016. – Т. 86. – Вып. 4. – С. 96-100. DOI: 10.1134/S1063784216040216.
3. Румянцева, М.Н. Влияние микроструктуры полупроводниковых сенсорных материалов на хемосорбцию кислорода на их поверхности / М.Н. Румянцева, Е.А. Макеева, А.М. Гаськов // Российский химический журнал. – 2008. – Т. 52. –Вып. 2. – С. 122-129.
4. Симаков, В.В Аппаратно-программный комплекс многопараметрического распознавания многокомпонентных газовых смесей на основе мультисенсорных микросистем / В.В. Симаков, Л.В. Никитина, И.В. Синев // Башкирский химический журнал. – 2010. – Т. 17. – Вып. 5. – С. 125-127.
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. Ma, D. Gas recognition method based on the deep learning model of sensor array response map / D. Ma, J. Gao, Z. Zhang, H. Zhao // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2021. – V. 330. – Art. №. 129349. – 14 p. DOI: 10.1016/j.snb.2020.129349.
7. Fine, G.F. Metal oxide semi-conductor gas sensors in environmental monitoring / G.F. Fine, L.M. Cavanagh, A. Afonja, R. Binions // Sensors. – 2010. – V. 10. – I. 6. – P. 5469-5502. DOI: 10.3390/s100605469.
8. Tiemann, M. Porous metal oxides as gas sensors / M. Tiemann // Chemistry–A European Journal. – 2007. – V. 13. – I. 30. – P. 8376-8388. DOI: 10.1002/chem.200700927.
9. Comini, E. Metal oxide nano-crystals for gas sensing / E. Comini // Analytica Chimica Acta. – 2006. – V. 568. – I. 1-2. – P. 28-40. DOI: 10.1016/j.aca.2005.10.069.
10. Клычков, Н.А. Перекрестное влияние паров изопропанола и этанола на отклик полупроводникового сенсора газа / Н.А. Клычков, В.В. Симаков, В.В. Ефанова, И.В. Синев // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 746-753. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.746.
11. Корабель, М.Д. Принципы создания виртуальной мультисенсорной системы для распознавания газовых смесей / М.Д. Корабель, И.В. Синев, Д.А. Шикунов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2020. – Вып. 12. – С. 827-835. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.827.
12. Смирнов, А.В. Влияние термоциклирования на воспроизводимость температурной зависимости проводимости наноструктурированных плёнок SnO2 / А.В. Смирнов, А.И. Гребенников, И.В. Синёв, В.В. Симаков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2013. – Вып. 5. – С. 296-300.
13. 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. Синев // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 424-431. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.424.
14. Korotchenkov, G. Electrical behavior of SnO2 thin films in humid atmosphere / G. Korotchenkov, V. Brynzari, S. Dmitriev // Sensors and Actuators B: Chemical. – 1999. – V. 54. – I. 3. – P. 197-201. DOI: 10.1016/S0925-4005(99)00016-7.
15. Клычков, Н.А. Температурная зависимость проводимости пленки Cu: SnO2 на воздухе / Н.А. Клычков, В.В. Симаков, И.В. Синев // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 119-126. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.119.
16. Patil, P.S. Effect of substrate temperature on structural, electrical and optical properties of sprayed tin oxide (SnO2) thin films / P.S. Patil, R.K. Kawar, T. Seth et. al // Ceramics International. – 2003. – V. 29. – I. 7. – P. 725-734. DOI: 10.1016/S0272-8842(02)00224-9.
17. Свидетельство № 2023687537 Российская Федерация. Программный комплекс для расчета электрических свойств полупроводниковых сенсоров газа на основе поликристаллических пленок в газовых средах различного состава / Н. А. Клычков, В. В. Симаков, И. В. Синев; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского». – № 2023687737; заявл. 17.12.2023; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 17.12.2023. – 1 с.
18. Mahdi, J.K.B. Temperature dependence conductivity and optical energy gap of ZnO modified CNTs prepared by sol-gel method / J.K.B. Mahdi, H.A. Banimuslem // AIP Conference Proceedings. – 2023. – V. 2591. – I. 1. – Art. №. 040029. – 10 p. DOI: 10.1063/5.0120451.
19. Воробьева, Н.А. Проводимость нанокристаллического ZnO (Ga) / Н.А. Воробьева, М.Н. Румянцева, П.А. Форш, А.М. Гаськов // Физика и техника полупроводников. – 2013. – Т. 47. – Вып. 5. – С. 637-641.
20. Roy, T.K Temperature dependent resistivity study on zinc oxide and the role of defects / T.K. Roy, D. Sanyal, D. Bhowmick, A. Chakrabarti // Materials Science in Semiconductor Processing. – 2013. – V. 16. – I. 2. – P. 332-336. DOI: 10.1016/j.mssp.2012.09.018.
21. Nakagawa, M. Anomalous temperature dependence of the electrical conductivity of zinc oxide thin films / M. Nakagawa, H. Mitsudo // Surface Science. – 1986. – V. 175. – I. 1. – P. 157-176. DOI: 10.1016/0039-6028(86)90089-0.
22. Yan, Y. Oxygen-vacancy mediated adsorption and reactions of molecular oxygen on the ZnO (10 1 0) surface / Y. Yan, M.M. Al-Jassim, S.H. Wei // Physical Review B. – 2005. – V. 72. – I. 16. – Art. №. 161307. – 4 p. DOI: 10.1103/PhysRevB.72.161307.
23. Stambolova, I. Lanthanum doped SnO2 and ZnO thin films sensitive to ethanol and humidity / I. Stambolova, K. Konstantinov, S. Vassilev et al. // Materials Chemistry and Physics. – 2000. – V. 63. – I. 2. – P. 104-108. DOI: 10.1016/S0254-0584(99)00193-5.
24. Suzuki, T.T. Ethanol gas sensing by a Zn-terminated ZnO (0001) bulk single-crystalline substrate / T.T. Suzuki, T. Ohgaki, Y. Adachi et al. // ACS Omega. – 2020. – V. 5. – I. 33. – P. 21104-21112. DOI: 10.1021/acsomega.0c02750.
25. Piliai, L. New insights towards high-temperature ethanol-sensing mechanism of ZnO-based chemiresistors / L. Piliai, D. Tomeček, M. Hruška et al. // Sensors. – 2020. – V. 20. – I. 19. – Art. №. 5602. – 14 p. DOI: 10.3390/s20195602.
26. Srikant, V. On the optical band gap of zinc oxide / V. Srikant, D.R. Clarke // Journal of Applied Physics. – 1998. – V. 83. – I. 10. – P. 5447-5451. DOI: 10.1063/1.367375.
27. Sharma, D.K. A review on ZnO: Fundamental properties and applications / D.K. Sharma, S. Shukla, K.K. Sharma, V. Kumar // Materials Today: Proceedings. – 2022. – V. 49. – Part 8. – P. 3028-3035. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.10.238.
28. Yoshikawa, H. Optical constants of ZnO / H. Yoshikawa, S. Adachi // Japanese Journal of Applied Physics. – 1997. – V. 36. – I. 10. – P. 6237-6243. DOI: 10.1143/JJAP.36.6237.
29. Weißenrieder, K.S. Conductivity model for sputtered ZnO-thin film gas sensors / K.S. Weißenrieder, J. Müller // Thin Solid Films. – 1997. – V. 300. – I. 1-2. – P. 30-41. DOI: 10.1016/S0040-6090(96)09471-0.
30. von Wenckstern, H. Donor levels in ZnO / H. von Wenckstern, S. Weinhold, G. Biehne et. al // In book: Advances in Solid State Physics; ed. by B. Kramer. – Heidelberg, Berlin: Springer-Verlag, 2006. – V. 45. – P. 263-274. DOI: 10.1007/11423256_21.
31. Hofmann, D.M. Properties of the oxygen vacancy in ZnO / D.M. Hoffman, D. Pfisterer, J. Sann et al. // Applied Physics A. – 2007. – V. 88. – P. 147-151. DOI: 10.1007/s00339-007-3956-2.