CC BY
159
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН __________________________________2009, том 52, №1_______________________________
ТЕХНИКА
УДК 539.21:537.31
Х.С.Каримов, академик АН Республики Таджикистан Х.М.Ахмедов, К.Е.Чеонг ,
М.Салим , А.Ф.Мохд Нур , И.Муртаза РЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ НАНОСТРУКТУРЫ
В последние годы исследователи проявляют интерес к изучению объемных гетероструктур, состоящих из органических и неорганических полупроводников. Установлено, что, если указанные гетероструктуры содержат наноматериалы, чувствительность приборов, созданных на их основе, существенно возрастает. Важной областью применения наноматериалов является создание различного рода датчиков, например датчиков влажности [1-3] для мониторинга окружающей среды. Для создания наноструктуры нами были использованы поли-Ы-эпоксипропилкарбазол (ПЭПК) в качестве матрицы, фталоцианин никеля (ФН) как комплексобразующий материал для повышения электропроводности и нанопорошок окиси цинка (2п0). Свойства ПЭПК описаны в [4], где показано, что при использовании соответствующих сенсибилизаторов данный олигомер обладает высокой фоточувствительностью. В [5] изучены вольт-амперные характеристики гетероструктур на основе фталационинов, включая ФН. Окись цинка является неорганическим полупроводником п-типа с шириной запрещенной зоны 3.3 эВ и может использоваться в качестве датчика газов [6].
В данной работе описаны свойства резистивного датчика влажности, созданного на основе ПЭПК, ФН и нано-2п0.
Для исследований использовался ПЭПК с молекулярной массой 1200 а.е.т., синтезированный в лабораторных условиях. ФН был приобретен у фирмы 81§та-АЫпсЬ.
Нанопорошок окиси цинка был получен следующим методом. В качестве исходных материалов были использованы ацетат дегидрата цинка [2п(Ас)2], 2-пропанол и диэтанола-мин (ДЭА). 2-пропанол и ДЭА использовались в качестве растворителя и стабилизатора. 2п(Ас)2 в 2-пропаноле в молярном соотношении перемешивался 30 мин, затем добавлялся ДЭА и раствор перемешивался 1 час. Далее раствор фильтровался и высушивался при 1000С 30 мин. После этого продукт кальцинировался при 800°С 5 мин в воздушной среде и при атмосферном давлении. Смесь ПЭПК (25 вес. %), ФН (50 вес.%) и нанопорошка 2п0 (25 вес.%) был приготовлен в растворе бензола (5 вес.%).
Датчик изготовлялся следующим образом. На стеклянную подложку вакуумным испарением осаждались серебряные электроды (пленки) толщиной 100 пт: ширина электродов и расстояние между ними были равны 20 тт и 40 цт соответственно. Полупроводниковые пленки толщиной 400 и 330 пт осаждались из раствора спиновым методом прибором Б-
6000, при скорости вращения подложки 700 и 1000 об/мин соответственно. Толщина пленок полупроводника определялась эллиесометром 05К 9763С.
На рис. 1 приведена схематическая диаграмма датчика влажности на основе полупроводниковой наноструктуры.
ПЭПК-ФН^пО
Рис. 1. Схематическая диаграмма датчика влажности Ag/ПЭПК-ФН-Zn0/Ag.
Измерения сопротивления и влажности проводились в стандартной камере на переменном токе частотой 120 Гц и 1кГц.
Сопротивление (Я) образцов определялось по измерениям тангенса угла потерь 0^5)
[7]:
R=1/2 п f с 1-ё5,
где Г - частота, с - емкость образца.
1200
0 20 40 60 80 100
Относительная влажность, %
Рис. 2. Зависимость относительного изменения сопротивления датчика Ag/ПЭПК-ФН-Zn0/Ag от относительной влажности при разных частотах 120 Гц (1) и 1кГц(2).
На рис. 2 приведены зависимости относительного изменения сопротивления датчика Ag/ПЭПК - ФН - Zn0/Ag от относительной влажности. Толщина полупроводниковой пленки была равна 330 пт. Измерения проводились также на частоте 120 Гц и 1 кГц. Из рис. 2 видно, что сопротивление датчика уменьшается с ростом влажности от 50 до 95% при 120 Гц и 1 кГц в 450 и 550 раз соответственно. Для датчика с более толстой полупроводниковой пленкой (400 пт) при тех же условиях отмечено снижение сопротивления датчика в 60 и 140 раз соответственно. Более высокая чувствительность датчиков с меньшей толщиной полупроводниковой пленки, видимо, связано с более высокой концентрацией влаги в тонкопленочных образцах.
Выражение для относительного изменения сопротивления (Я^/К,) датчика с изменением влажности можно получить из соответствующих изменений концентрации (п0/п1) и подвижности (цо/ц 1) носителей заряда [8]:
К / К = Со/ С = по Цо/ п1 Ц1 , (1)
где Я0, о0, п0 и ц0 - сопротивление, проводимость, концентрация и подвижность носителей при начальной влажности (50%), соответственно значения Я1з с 1, п1 и ц1 относятся к влажности более 50%.
Из выражения (1) видно, что снижение сопротивления датчика, или повышение электропроводности полупроводниковой пленки, может быть связано с ростом концентрации носителей зарядов (п1) или / и их подвижности (ц1). Измерение сопротивления датчика при различных частотах (120 Гц и 1 кГц) показало, что сопротивление зависит от частоты. Это, как правило [9], связано с изменением подвижности носителей заряда. В данном случае при возрастании частоты с 120 Гц до 1кГц сопротивление датчика уменьшилось всего в 1.2 раза. Вместе с тем при воздействии влаги сопротивление снижалось в среднем в 500 раз. Вследствие этого можно полагать, что уменьшение сопротивления датчика или рост электропроводности полупроводниковой пленки связано в основном с увеличением концентрации носителей заряда. Эффективная концентрация носителей заряда может повышаться вследствие следующих факторов:
1) допирование полупроводниковой пленки молекулами воды, которые в этом случае играют роль примесей;
2) создание комплексов с переносом заряда (КПЗ) между молекулами воды и полупроводниковыми элементами входящими в нано-структуру;
3) участием самих молекул воды в переносе зарядов, вследствие участия в этом процессе связанных зарядов полярных молекул воды, так как измерения проводились на переменном токе, что, как известно, приводит к наличию токов смещения [10] в твердых телах.
Таким образом, исследованы свойства тонкоплёночных резистивных датчиков влажности на основе поли-Ы-эпоксипропилкарбазола, фталоцианина никеля и нанопорошка окиси цинка. Показано, что сопротивление датчика снижается в среднем в 500 раз при возрастании влажности с 50 до 95%. Данная структура может быть использована при разработке на их основе датчиков влажности.
Центр по исследованию и использованию Поступило 17.11.2008 г.
возобновляемых источников энергии при Физико-техническом институте им. С.У. Умарова,
АН Республики Таджикистан,
Н«
Институт прикладных наук и технологии им.Гулам Исхак Хана,
Топи, Пакистан,
Н«Н«
Университет прикладных наук, Пенанг, Малайзия
ЛИТЕРАТУРА
1. Chen Z., Lu C. - Sens. Lett, № 3, p. 274-281, Mach 2005.
2. Korvink J.G., Chandran L., Boltshauser T. - Sens. Mater., № 4, p.323-328, April. 1999.
3. Rittersma Z.M., Splinter A., Bodecker A., Benecke W. - Sens. Actuators, v. B 68, C. 210-217, January. 2000.
4. Ахмедов Х.М., Каримов Х.С. - ДАН РТ, 2006, т.49, № 8, с. 776-781.
5. Каримов Х.С., Ахмедов Х.М. и др. - ДАН РТ, 2008, т.51, № 8, с. 584-587.
6. Tang M., Yan V. еt al. - Sens. Actuators, v. D 113, p. 324-331, February, 2006.
7. Irwin J.D. Basic Engineering circuit analysis, sixth edition. New Jork: Johu Wiley & Sons, 1999, 571 c.
8. Городецкий А.Ф., Кравченко А.Ф. Полупроводниковые приборы, М.: Высшая школа, 1967, 348 с.
9. Neamen D.A. Semiconductor Devices, New-York John Wiley & Sons, 1992, 508 c.
10. Omar A.M. Elementary solid state physics: Principles and Applications. Singapore, Pearson Education Pte. Ltd., 2002, 468 c.
Х.С.Каримов, Х,.М.Ахмедов, К.Е.Чеонг, М.Салим, А.Ф.Мохд Нур, Н.Муртаза ДАТЧИКИ РЕЗИСТИВИИ НАМНОКЙ ДАР АСОСИ НИМНОЦИЛЙ НАНО-СОХТОРЙ
Дар мак;ола хосияти датчикхои резистивии намнокй дар асоси кдбатхои тунуки поли-№эпоксипропилкарбазол, фталоциалини никел ва нано-хокаи оксиди рух омухта шудааст. Нишон дода шудааст, ки дар вак;ти баланд гаштани намнокй аз 50 то 95% мук;овимати датчик ба хисоби миёна 5х102 маротиба паст мешавад. Сохтори мазкур ба-рои дар асоси онхо коркард намудани датчикхои намнокй истифода шуданаш мумкин аст.
Kh.S.Karimov, Kh.M.Akhmedov, KJ.Cheong, M.Saleem, A.F.Mond Noor, I.Murtaza SENICONDUCTOR NANO-STRUETURE BASED RESISTIVE HUMIDITY
SENSOR
It was made an investigation on properties of thin film resistive humidity sensor based on poly-N-epoxypropyl carbazole, nickel phthalocyanine and ZnO nano-powder. It was shown that the sensor’s resistance decreases approximately on 500 time as relative humidity increases from 50 to 95%.
