Регистрация / Вход
Прислать материал

Газовый сенсор на основе квантово-размерной полимерной структуры

Сведения об участнике
ФИО
Якупов Ленар Флоридович
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный педагогический университет им.М.Акмуллы»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Нанотехнологии
Тема
Газовый сенсор на основе квантово-размерной полимерной структуры
Резюме
Результатом настоящего проекта является создание газового сенсора на основе квантово-размерной структуры с принципиально новым подходом в ее формировании. Проект содержит результаты исследования границы раздела полимер/полимер: вольтамперные характеристики образцов, подвижность носителей заряда для образцов с разным материалом электрода, проводимость экспериментальной структуры в зависимости от относительной влажности. Сделан вывод, что рост влажности приводит к увеличению проводимости экспериментальной структуры. Разработаны предложения по применению исследованных структур в качестве химических датчиков влажности и различных газов.
Ключевые слова
Квантовая яма, полимерный материал, квантово-размерная структура, газовый сенсор
Цели и задачи
Целью проекта является создание газового сенсора на основе квантово-размерной структуры, созданной на границе двух полимерных слоев.
Задачами проекта является:
1. Оптимизация химической структуры выбранных полимерных материалов.
2. Оптимизация геометрии и технологии изготовления полимерных слоев.
3. Подбор материала электродов, с подходящей работой выхода электронов.
4. Оценка селективности работы сенсора на газы различной природы.
5. Разработка технологических рекомендаций для создания газового сенсора.
Введение

Сенсоры на основе квантово-размерных структур находят все более широкое применение. Химические сенсоры часто используют структуру типа полевого транзистора. Достоинство таких сенсоров - наличие газа квазисвободных электронов в квантовой яме, подвижность которых сильно зависит от внешнего поля. При адсорбции молекул анализируемого газа на поверхности селективной мембраны, поле адсорбированных молекул оказывается достаточным для изменения параметров переноса заряда в квантовой яме. На этом принципе основано создание газового сенсора в данном проекте. Нами предложен принципиально новый подход в формировании квантово-размерной структуры и ее применения, в частности предлагается использовать два органических полимерных диэлектрика.

Методы и материалы

В качестве материалов использованы полимерные диэлектрики из класса несопряженных полимеров – полигетероариленов. Квантово-размерная структура создается вдоль границы раздела двух полимерных пленок нанометровой толщины. Для обеспечения контроля транспорта носителей заряда в границе раздела встраиваются измерительные электроды. При этом выбор полимерных материалов обусловлен наличием в их структуре функциональных групп с большим дипольным моментом. Таким образом, сенсор представляет собой многослойную структуру, состоящую из слоев, толщиной 100 нм, 6 нм, 250 нм, и общей толщиной, учитывая толщину электродов, 1500 нм. Контроль за работой сенсора осуществляется по изменению проводимости транспортного слоя при изменении концентрации адсорбируемого газа.

Описание и обсуждение результатов

На первом этапе проводились исследования границы раздела полимер/полимер, а именно - измерения вольтамперных характеристик исследуемого образца (рис. 1).

Рис. 1: ВАХ границы раздела полимер/полимер.

ВАХ имеет нелинейный характер. Токи достигают значений долей микроампер. Но ток может протекать не только по границе раздела двух полимеров, но и по  поверхности второй полимерной пленки, вдоль границы раздела полимер/подложка. Данная теория была проверена экспериментально: измерены ВАХ структур, содержащих интерфейсы полимер/воздух, полимер/подложка, полимер/полимер (рис. 2). 

Рис. 2: ВАХ структур, содержащих различные виды интерфейса.

Самая высокая проводимость наблюдается на границе раздела полимер/полимер, удельное сопротивление которого ~103 Ом·см. В случае интерфейса полимер/подложка удельное сопротивление ~ 108 Ом·см, полимер/воздух ~ 107 Ом·см.

Проводился расчет подвижности носителей заряда по формуле (1) и составила 3,76·10-2 см2·В-1·с-1 для образца с медными электродами и 0,156 см2·В-1·с-1 для золотых электродов.

\(μ = {JL^3 \over Θεε_0U_1^2}\)(1).

Проведены измерения зависимости проводимости экспериментальной структуры, содержащей границу раздела полимер/полимер, от парциального давления паров воды в атмосфере (относительная влажность), в которой проводились измерения. Рост влажности приводит к увеличению проводимости экспериментальной структуры (рис. 3).

Рис. 3: Зависимость проводимости от величины относительной влажности воздуха.

Чтобы определить влияние материала электрода на изменение проводимости при изменении относительной влажности изготовлены образцы с 5 различными металлами электродов (рис. 4).

а) б)

в) г)

д)е)

Рис. 4: Зависимость величины тока протекающего вдоль границы раздела от значения относительной влажности воздуха, измеренные для структур с различными материалами электродов, при различных напряжениях: а) медь; б) алюминий; в) хром; г) золото; д) серебро; е) сводный график с относительным изменением тока при увеличении влажности для разных материалов электродов.

Можно сделать вывод, что при создании сенсоров, наиболее подходящими материалами для изготовления электродов являются медь и золото. Структуры с данными электродами демонстрируют высокую чувствительность системы в широком диапазоне изменения влажности и наибольшее относительное изменение проводимости. 

Полученный результат можно объяснить изменением  поля, создаваемого на поверхности полимера слоем адсорбированных молекул воды. Дело в том, что боковые фрагменты цепи полимера обладают гидрофильными свойствами и учитывая, что поверхность пленки полимера представляет собой слой этих групп, ориентированных по нормали к поверхности, можно пологать, что именно эта поверхность будет адсорбировать полярные группы воды. Вследствие этого будет происходить изменение напряженности электрического поля вблизи поверхности.

Используемые источники
1. Салихов Р.Б., Бунаков А.А., Лачинов А.Н. Особенности переноса заряда в многослойных пленочных структурах Si/полимер/металл/полимер/металл //. В сб. Материалы Международной научной конференции «Тонкие пленки и наноструктуры». – 2004.
2. Салихов Р.Б., Лачинов А.Н., Рахмеев Р.Г. Транспортный слой на границе раздела двух полимерных пленок. // Письма в ЖТФ. – 2008. – Т.34. – В.11. – С.88-94.
3. Салихов Р. Б. , Лачинов А. Н., Рахмеев Р. Г., Гадиев Р. М. , Юсупов А. Р., Салазкин С. Н. Химические сенсоры на основе нанополимерных пленок. // Измерительная техника. - 2009. - №.4. - С.62-64.
4. Салихов Р.Б., ЛачиновА.Н.,Корнилов В.М.,Рахмеев Р.Г. Свойства транспортного слоя, сформированного на границе раздела двух полимерных пленок. // ЖТФ. - 2009. - Т.79. - В.4. - С. 131-135.
5. Ламперт М., Марк П. Инжекционные токи в твердых телах. М.:"Мир". – 1973. – 416 с.
Information about the project
Surname Name
Yakupov Lenar
Project title
Gas sensors based on quantum-dimensional polymer structure
Summary of the project
The result of this project is to create a gas sensor on the basis of quantum-dimensional structures with fundamentally new approach in its formation. Draft contains findings interface polymer / polymer: voltage-current characteristics of the samples the charge carrier mobility for samples with different electrode material, the conductivity of the experimental structure depending on the relative humidity. It is concluded that the increase in humidity leads to an increase in the conductivity of the experimental structure. Also, when creating the sensors is optimal use of electrodes made of gold and copper.
Keywords
Quantum-dimensional structure, gas sensor, quantum well, polymeric material