CC BY
57
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2012, том 55, №7_
ФИЗИКА
УДК 539.21:537.31
Х.С.Каримов, академик АН Республики Таджикистан Х.М.Ахмедов, М.Махруф Тахир*,
Адам Хан , Ф.Ахмедов
ИССЛЕДОВАНИЕ ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИТА УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И КОМПЛЕКСА ВАНАДИЯ
Центр исследования и использования возобновляемых источников энергии при Физико-техническом институте им. С.У.Умарова АН Республики Таджикистан, Университет Сейнт-Клауд, Миннесота, США, Институт технологии и прикладных наук им. Гулам Исхак Хана, Пакистан,
Научно-исследовательское и производственное учреждение АН Республики Таджикистан
В настоящей работе изготовлен и исследован датчик давления на основе композита углеродных нанотрубок и комплекса ванадия (VO2 (3-fl)). Установлено, что изготовленный датчик обладает высокой чувствительностью к давлению. При повышении величины давления до 50 кН м-2 сопротивление датчиков снижается в 2.8-3.0 раза.
Ключевые слова: композит - углеродные нанотрубки - комплекс ванадия - бензол - датчик - давление.
Датчики давления используются для измерения давления в различных областях техники. Они изготавливаются на основе пьезо-резистивных, ёмкостных, индуктивных и пьезоэлектрических элементов [1,2]. В [3] описаны транзисторные датчики давления на основе органического полупроводника пентацена. Было установлено, что ток транзистора между истоком и стоком возрастал примерно в два раза при давлении 30 kPa.
Углеродные нанотрубки (CNT) также представляют интерес для создания электромеханических датчиков [4,5], таких как датчики давления, тензодатчики и акселерометры. При этом электрические свойства углеродных нанотрубок могут быть подобны свойствам проводников или полупроводников с небольшой шириной запрещённой зоны в зависимости от ориентации решётки графена по отношению к оси трубки [6].
При температе 68...70°C окись ванадия (VO2) подвергается фазовому переходу, вследствие чего скачкообразно изменяются его электрические, оптические и магнитные свойства [7]. В частности, в инфракрасных спектрах данного материала наблюдался фазовый переход из полупроводникового в металлическое состояние, что делает окись ванадия весьма перспективным материалом для использования в окнах с регулируемой прозрачностью, а также в электрических и оптических переключателях. Изготовление датчика давления и исследование эффекта сжатия на плёнках композита углеродных нанотрубок и соединений ванадия было бы полезным для изучения физических свойств композита и его практического использования. В данной работе описаны изготовление и исследова-
Адрес для корреспонденции: Ахмедов Хаким Мунаваррович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299/1, Физико-технический институт АН РТ. E-mail: [email protected]
ние резистивных датчиков давления на основе композита углеродных нанотрубок и комплекса ванадия (3-й)), где 3-й: 3-Hydroxyflavone.
V02(3-fl)
Рис.1. Структурная формула производной окиси ванадия (VO2 (3-fl)).
Углеродные нанотрубки и комплекс ванадия (VO2 (3-fl)) (рис.1) были приобретены в Sun Nanotech Co Ltd., China и Sigma Aldrich, соответственно. Для получения плёнки композита суспензия углеродных нанотрубок (2.5 вес.%) и комплекса ванадия (VO2 (3-fl)) (2,5 вес.%) в бензоле наносилась на медную плёнку, предварительно осаждённую на стеклянной подложке. Толщина плёнок композита составляла 20-40 цм. В качестве второго электрода использовалась алюминиевая фольга толщиной 40 цм и размерами 5мм x 5мм.
Давление
I I I
•- Алюминиевая пленка
Композит
•-
Медная пленка
Стеклянная подложка
Рис.2. Схематическая конструкция датчика давления на основе композита CNT-VO2 (3-fl).
Экспериментальная установка для исследования датчика давления описана в [8]. Сопротивление образцов на постоянном токе измерялось при комнатной температуре цифровым прибором FLUKE 87 .
Рис.3. Зависимость сопротивления одного из датчиков от давления.
Было установлено (рис.3), что при повышении давления до 50 кН м-2 в среднем сопротивление датчиков снижается в 2.8-3.0 раза. Как известно, сопротивление датчика определяется следующим выражением:
Я = ^ = — , (1)
А аА
где ё - толщина плёнки образца композита, А - площадь поперечного сечения образца, р - удельное
сопротивление композита (р — — , о - проводимость). Изменение сопротивления композита под
а
действием давления может быть обусловлено следующими факторами: во-первых, изменением геометрических параметров образца, прежде всего толщины и площади поперечного сечения, и, во-вторых, собственными свойствами композита, а именно, удельного сопротивления или проводимости. Исследования, проведённые на полупроводниках, показали, что изменение проводимости с давлением на несколько порядков выше, чем изменение геометрических параметров [9]. Следовательно, можно полагать, что наблюдавшееся экспериментально изменение сопротивления композита с давлением в основном обусловлено изменением проводимости образца.
В [8] были исследованы свойства датчика давления на основе только углеродных нанотрубок. Использование композита, в данном случае, в качестве активного материала даёт возможность изменять начальное сопротивление датчика путём изменения соотношения входящих в композит материалов - углеродных нанотрубок и комплекса ванадия. Возможность изменения начального сопротивления датчика давления позволяет снизить влияние сопротивления соединительных проводов на результат измерения и лучше согласовать сопротивление датчика с измерителем давления.
Обычно в некристаллических структурах, при наличии локализованных состояний, имеет место перескоковый механизм проводимости [10,11], при котором носители заряда перескакивают из одного локализованного состояния в другое посредством термически активированных перескоков. Электропроводность в этом случае может описываться перколяционной теорией. Согласно перколя-ционной теории, средняя электропроводность (о) описывается следующим выражением [11]:
, (2)
11
где Ь - характеристическая длина между участками и Z - среднее сопротивление между участками, между которыми переносится заряд. Под действием давления, прикладываемого к образцу, по-видимому, характеристическая длина и среднее сопротивление между участками уменьшаются, что приводит к возрастанию электропроводности и соответственно снижению сопротивления образца, что и наблюдалось нами экспериментально (рис.3).
Для использования на практике характеристики датчиков давления обычно линеаризуют, если они изначально нелинейны.
Как видно из рис.4, логарифмирование характеристики в значительной степени её линеаризует. На практике линеаризация может быть осуществлена с помощью нелинейных операционных усилителей [12].
Рис. 4. Логарифмическая зависимость сопротивления датчика от давления: Я и Я0 - сопротивление образца под
давлением и начальное сопротивление.
Таким образом, исследования датчика давления на основе композита углеродных нанотрубок и комплекса (У02 (311)) показало, что датчик давления обладает высокой чувствительностью и при повышении давления до 50 кН м-2 сопротивление датчиков снижается в 2.8-3.0 раза.
Поступило 20.07.2012 г.
ЛИТЕРАТРУРА
1. Simpson C.D., Industrial Electronics, Prentice Hall, Inc., New Jersey, U.S.A., 1996.
2. Dally J.W., Riley W.F., McConnell K.G., Instrumentation for Engineering Measurements, 2nd ed., John Willey & Sons, Inc., New York, U.S.A., 1993.
3. Someya T., Kato Y., Sekitani T, Iba S., Noguchi Y., Murase Y., Kawaguchi H., Sakurai T., PNAS, v.102 (2005), pp.12321-12325.
4. Cao J., Wang Q. and Dai H., Phys. Rev. Lett. vol.90 (2003), pp.157601-4.
5. Xue W. and Cui T. , Proc 14th Int. Conf. Solid State Sensors, Actuators, and Microsystems Lyon, France,(2000), рр.1047-1050
6. Grow R. J., Wang Q., Cao J., Wang D., Dai H., Appl. Phys. Lett. Vol.86 (2005), pp. 093104.
7. Guzman G. Vanadium dioxide as infrared active coating. http: //www.solgel.com/articles/August00/thermo/Guzman.htm., (2010), pp.10-14.
8. Karimov Kh.S. et .al. A carbon nanotube-based pressure sensor. Phys. Scr., Vol. 83 (2011), 065703 (4 pp).
9. Schols Sarah, Device Architecture and Materials for Organic Light-Emitting Devices, Springer, 2011.
10. Croft A., Davison R, HargreavesM., Engineering Mathematics. A Modern Foundation for Electronic, Electrical and Control Engineers. Addison-Wesley Publishing Company, Great Britain, 1993.
11. Brabec C.J., Dyakonov V., Parisi J., Sariciftci N.S., Organic Photovoltaics. Concepts and Realization, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2003.
12. Irvine R.G., Operational Amplifiers Characteristics and Applications, Third Edition, Prentice Hall, En-glewood Cliffs, NJ, 1994.
^.С.Каримов, ^.М.Ахмедов, М.Махруф Тахир*, Адам Хан**, Ф.Ахмедов***
ТАЗДИЦИ ДАТЧИКИ ФИШОР ДАР АСОСИ КОМПОЗИТИ НАНОТРУБКА^ОИ КАРБОНЙ ВА КОМПЛЕКСИ ВАНАДИЙ
Маркази та^цик ва татбици манбаъ^ои барцароркунандаи энергияи назди Институти физикаю-техникаи ба номи С.У.Умарови Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон,
*Университети Сейнт-Клауд, Миннесота, ИМА, **Институти технология ва илм^ои бунёдии ба номи Гулом Ис^оц Хон, Покистон, ***Муассисаи давлатии илмй-тацрибавй ва исте^солии Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон
Дар макола усули тайёр намудан ва тахкики датчики фишор дар асоси композити
нанотрубкахои карбонй ва комплекси ванадий омухта шудааст. Нишон дода шудааст, ки бо
баландшавии фишор то 50 кН/м2 муковимати датчик то 2.8-3.0 маротиба паст мегардад.
Калима^ои калиди: композит - нанотрубкауои карбонй - комплекси ванадий - бензол - датчик -
фишор.
Kh.S.Karimov, Kh.M.Akhmedov, M.Mahroof-Tahir*, Adam Khan**, F.Akhmedov***
INVESTIGATION OF PRESSURE SENSORS BASED ON COMPOSITES OF CARBON NANO-TUBES AND VANADIUM COMPLEX
Center of Research and Usage of Renewable Sources of Energy under the S.U. Umarov Physical-Technical Institute, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan,
*University of Saint Claude, Minnesota, USA, Gulam Ishak Khan Institute of Technology and Applied Science, Pakistan, ***Scientific Research and Production Institution, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan
In this work it is described fabrication and investigation of pressure sensor based on composite of carbon nanotubes and vanadium complex (VO2 (3-fl)). It was observed that at the increase of the pressure up 50 kN m-2 the sensors resistances were decreased into 2.8-3.0 times.
Key words: composite - carbon nanotubes - complex of vanadium - benzol - sensor - pressure.
