Главная
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 5-6, с. 11-15.
DOI: 10.15222/TKEA2021.5-6.11
УДК 621.315.592.3
Новий підхід до підвищення чутливості газового сенсора на основі плівок нанокристалічного карбіду кремнію
(англійською мовою)
Семенов О. В., Любов Д. В.

Україна, Національний технічний університет «Харківський політехнічний iнститут».

Останнім часом гостро стоїть проблема пошуку нових функціональних напівпровідникових матеріалів для створення високочутливих газових сенсорів, які слабо змінюють свої властивості в умовах жорстких зовнішніх впливів. Завдання поліпшення характеристик газочутливих матеріалів постійно знаходяться в центрі уваги розробників приладів. Наноструктуровані SiC матеріали, при більш низькій вартості, проявляють високу стабільність властивостей і підвищену газову чутливість в порівнянні з об'ємними SiC матеріалами, завдяки значно більшій площі поверхні взаємодії з аналізованих газом.
У роботі досліджено можливість збільшення чутливості газового сенсора на основі плівок нанокристалічного SiC, шляхом використання схеми двох компонентного чутливого елемента, один з яких є плівка n-nc-SiC з електронною провідністю, а другий плівка p-nc-SiC з дірковою провідністю. Завдяки протилежній полярності зміни опору під час дії газу різниця між величинами зміни відносних опорів плівок n-nc-SiC та p-nc-SiC завжди буде більше, ніж у кожній плівці окремо. Встановлено доцільність використання двокомпонентного чутливого елемента газового сенсора на основі плівок nc-SiC з електронною та дірковою провідностями. Двокомпонентний газовий сенсор з підвищеною чутливістю на основі nc-SiC плівок може бути основою лінійки нових приладів для аналізу агресивних газів в екстремальних умовах.

Ключові слова: нанокристалічні плівки SiC, газовий сенсор, чутливість до газу, електронна провідність, діркова провідність.

Дата подання рукопису 25.08 2021
Використані джерела
  1. Mehmood F., Ahmad S., Kim D.H. Design and implementation of an interworking IoT platform and marketplace in could of things. Sustainability, 2019, vol. 11, iss. 21, p. 5952. https://doi.org/10.3390/su11215952
  2. Arafat M., Haseeb A.S.M.A., Akbar S.A. Quadir M.Z. In-situ fabricated gas sensors based on one dimensional core-shell TiO2-Al2O3 nanostructures. Sensors and Actuators B: Chemical, 2017, vol. 238, pp. 972-984. https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.07.135
  3. Jaisutti R., Lee M., Kim J. et al. Ultrasensitive room-temperature operable gas sensors using p-type Na: ZnO nanoflowers for diabetes detection. ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, vol. 9, iss. 10, pp. 8796-8804. https://doi.org/10.1021/acsami.7b00673
  4. Wu J., Tao K., Guo Y. et al. A 3D chemically modified graphene hydrogel for fast, highly sensitive, and selective gas sensor. Advanced Science, 2016, vol. 4, iss. 3, pp. 1-9. https://doi.org/10.1002/advs.201600319
  5. Song Z., Wei Z., Wang B. et al. Sensitive room-temperature H2S gas sensors employing SnO2 quantum wire/reduced graphene oxide nanocomposites. Chemistry of Materials, 2016, vol. 28, iss. 4, pp. 1205-1212. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.5b04850
  6. Hien H.T., Giang H.T., Hieu N.V. et al. Elaboration of Pd-nanoparticle decorated polyaniline films for room temperature NH3 gas sensors. Sensors and Actuators B: Chemical, 2017, vol. 249, pp. 348-356. https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.04.115
  7. Mun S., Park Y., Lee Y.K., Sung M.M. Highly sensitive ammonia gas sensor based on single-crystal poly(3-hexylthiophene) (P3HT) organic field effect transistor. Langmuir, 2017, vol. 33, iss. 47, pp.13554-13560. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.7b02466
  8. Capano M.A., Trew R.J. Silicon carbide electronic materials and devices. MRS Bulletin, 1997, vol. 22. iss. 3, pp. 19-23. https://doi.org/10.1557/S0883769400032711
  9. Spetz A.L, Savage S. Advances in SiC field effect gas sensors. In: Choyke W.J., Matsunami H., Pensl G. (eds) Silicon Carbide. Recent Major Advances, Germany, Berlin, Springer, 2004, pp. 869-896. https://doi.org/10.1007/978-3-642-18870-1_36
  10. Zolper J.C., Skowronski M. Advances in silicon carbide electronics. MRS Bulletin, 2005, vol. 30, iss. 4, pp. 273-278. https://doi.org/10.1557/mrs2005.73
  11. Neudeck P.G., Okojie R.S., Chen L. High-temperature electronics - a role for wide bandgap semiconductors? Proceedings of the IEEE, 2002, vol. 90, iss. 6, pp. 1065-1076. https://doi.org/10.1109/JPROC.2002.1021571
  12. Gaiardoa A., Belluttib P., Fabbria B. et al. Sensing properties of nanocrystalline silicon carbide in wet condition. 17th IMCS University of Vienna, 2018, Austria, pp. 612-613. https://doi.org/10.5162/IMCS2018/P1NM.18
  13. Sultan A., Ahmad S., Mohammad F. A highly sensitive chlorine gas sensor and enhanced thermal DC electrical conductivity from polypyrrole/silicon carbide nanocomposites. RSC Advances, 2016, vol. 6, pp. 84200-84208. https://doi.org/10.1039/C6RA12613H
  14. Semenov A.V., Puzikov V.M., Dobrotvorskaya M.V. et al. Nanocrystalline SiC films prepared by direct deposition of carbon and silicon ions. Thin Solid Films, 2008, vol. 516, iss. 10, pp. 2899-2903. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2007.05.059
  15. Kozlovskyi A., Semenov A., Skorik S. Electron transport in nanocrystalline SiC films obtained by direct ion deposition. Superlattices and Microstructures, 2016, vol. 100, pp. 596-604. https://doi.org/10.1016/j.spmi.2016.10.013
  16. Semenov A., Kozlovskyi A., Skorik S., Lubov D. Gas sensing properties of nanocrystalline silicon carbide films. Micro and Nano System Letters, 2019, vol. 7, iss. 6, pp. 1-5. https://doi.org/10.1186/s40486-019-0084-7
  17. Semenov A.V., Lubov D.V., Kozlovskyi A.A. The Chemresistive properties of SiC nanocrystalline films with different conductivity type. Journal of Sensors, 2020, аrticle ID 7587314, pp. 1-6. https://doi.org/10.1155/2020/7587314
  18. Taki Y., Kitiwan M., Katsui H., Goto T. Electrical and thermal properties of off-stoichiometric SiC prepared by spark plasma sintering. Journal of Asian Ceramic Societies, 2018, vol. 6, iss. 1, pp. 95-101. https://doi.org/10.1080/21870764.2018.1446490
  19. Gadzira M., Gnesin G., Mykhaylyk O. et al. Solid solution of carbon in β-SiC. Materials Letters, 1998, vol. 35, iss. 5-6, pp. 277-282. https://doi.org/10.1016/S0167-577X(97)00263-2
  20. Semenov A.V., Puzikov V.M., Golubova E.P. et al. Low-temperature production of silicon carbide films of different polytypes. Semiconductors, 2009, vol. 43, iss. 5, pp. 685-689. http://dx.doi.org/10.1134/S1063782609050273
  21. Birnie, D. P., & Kingery, W. D. , The limit of non-stoichiometry in silicon carbide. Journal of Materials Science, 1990, vol. 25, iss. 6, pp. 2827-2834. https://doi.org/10.1007/bf00584888
  22. Platzek D., Karpinski G., Stiewe C. et al. Potential-Seebeck-microprobe (PSM): measuring the spatial resolution of the Seeb.eck coefficient and the electric potential. ICT 2005. 24th International Conference on Thermoelectrics. https://doi.org/10.1109/ICT.2005.1519875
  23. Cheong K.Y., Silicon carbide (SiC) as non-volatile random access memory (NVRAM) material. JURUTERA, 2005, pp. 10-16.
  24. Yoon J.W., Kim H.J., Jeong H.M., Lee J.H. Gas sensing characteristics of p-type Cr2O3 and Co3O4 nanofibers depending on inter-particle connectivity. Sensors and Actuators B: Chemical, 2016, vol. 202, pp. 263-271. http://dx.doi.org/10.1016/j.snb.2014.05.081
  25. Nikolic M.V., Milovanovic V., Vasiljevic Z.Z., Stamenkovic Z. Semiconductor gas sensors: materials, technology, design, and application. Sensors, 2020, vol. 20, iss. 22, 6694. https://doi.org/10.3390/s20226694
  26. George F.F., Leon M.C., Ayo A., Russell B. Metal oxide semi-conductor gas sensors in environmental monitoring. Sensors, 2010, vol. 10, iss. 6, pp. 5469-5502. https://doi.org/10.3390/s100605469
  27. Semenov A.V., Lubov D.V., Makhonin M.V., Ozone Sensitive Properties of Thin Films of Nanocrystalline Silicon Carbide. Journal of Nano- and Electronic Physics, 2020, vol. 12, iss. 5, p. 05016. https://doi.org/10.21272/jnep.12(5).05016
  28. Hall S.A. Airborne contaminants. Occupational Health Practice, 1973.