Abstract_15 молодёжная школа

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ГРАФЕНА НА КАРБИДЕ КРЕМНИЯ

Е.Ю. Волков, М.Н. Григорьев Южный федеральный университет г. Таганрог

Необходимость контроля окружающей среды и безопасности высокотехнологичных производств химической, металлургической, авиационной и космической промышленности требует создания датчиков различных физических величин: температуры, давления, газового состава. В настоящее время для этих целей широко используются полупроводниковые датчики. В качестве чувствительных элементов в таких датчиках используют окислы металлов, органические полупроводники, кремний. Однако, несмотря на ряд достоинств: низкая стоимость изготовления, простота конструкции, указанные сенсоры имеют и существенные недостатки: необходимость в нагреве чувствительного элемента, что требует значительных затрат мощности, а также относительно низкая чувствительность. Чувствительность таких датчиков ограничена флуктуациями, обусловленными тепловым движением зарядов и дефектов.

Одним из новых перспективных материалов для газочувствительных сенсоров является графен. Принцип работы графенового датчика, как и традиционных газовых сенсоров резистивного типа, основан на изменении электрической проводимости при адсорбции молекул. Но отличительной особенностью графена является существенное изменение проводимости при малых концентрациях газов.

В работе исследуются образцы графена на карбиде кремния, полученные методом термического разложения карбида кремния в вакууме. Оптимальный режим имеет следующие параметры: давление остаточных газов в камере 8·10-3 Па, предварительный отжиг при температуре 900 °С в течение двух часов, затем отжиг при температуре 1400 °С в течение 20 минут. Необходимый рисунок графена на карбиде кремния получен с помощью нанесения до отжига защитной пленки оксида алюминия, под которой графен не образуется.

Проводились исследования газочувствительности графена на такие газы как диоксид азота, аммиак и угарный газ. Пленка графена существенно увеличивает свое сопротивление при концентрации газов на уровне 10ppm, некоторые образцы демонстрируют такую же чувствительность, но уже для более низких концентраций газов: 5ppm и 2.5ppm. Также наблюдалось быстрое восстановление сопротивления графена при релаксации. Однако имеются трудности, связанные с селективностью обнаружения молекул газа различного вида, с помощью сенсора на основе графена.

40

ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ КОРПУСКУЛЯРНО-ПОРИСТЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ СТАННАТА ЦИНКА

Д. М. Воробьев, И. Е. Грачева, Е. А. Соболева, В. А. Мошников Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Впоследние годы наблюдается значительный интерес к созданию наноматериалов на основе системы ZnO – SnO2, в которой кристаллизуются структуры типа перовскита (ZnSnO3) и шпинели (Zn2SnO4). Тонкопленочные структуры ZnSnO3 перспективны как новые сегнетоэлектрические материалы, не содержащие свинец. Из других технических применений этих наноматериалов наиболее актуальными признаются разработки для литий-ионных аккумуляторов, пьезоэлектрических преобразователей, прозрачных проводящих покрытий и тонкопленочных полевых транзисторов, для электролюминесцентных устройств энергонезависимых ячеек памяти. Для технологии получения газочувствительных сенсоров нового поколения большoй интерес представляют технологические приемы создания наноструктурированных композитных слоев, включая структурирование наностержнями, нановолокнами, полыми наносферами, модифицированными оксидными нанотрубками или создание иерархических пористых наноструктур.

Целью настоящей работы являлось исследование чувствительности корпус- кулярно-пористых наноматериалов на основе станната цинка, полученных с использованием метода химического осаждения из паровой фазы, в переменном электрическом поле в условиях изменения газовой среды при комнатной температуре.

Вработе показана возможность создания методом химического осаждения из паровой фазы наноматериалов на основе станната цинка, представляющих корпускулярные пористые наносистемы, состоящие из агрегированных частиц размером от десятков до сотен нанометров и пор, являющихся промежутками между этими частицами, размерами которых можно управлять, изменяя условия синтеза. Выявлено, что полученные пленочные наноматериалы в переменном электрическом поле обладали чувствительностью к газам-реагентам при комнатной температуре. Установлено, что изменяя условия получения образцов, можно управлять положением уровня Ферми в объеме зерен станната цинка относительно уровня, соответствующего адсорбированным молекулам газа реагента.

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (ГК № П1249 от 07.06.2010, № 14.В37.21.0134,

№14.В37.21.0238).

41

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СЛОЕВ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ЦИНКА МЕТОДОМ СПЕКТРОСКОПИИ ИМПЕДАНСА

К. В. Воронцова, С. С. Налимова Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Наноструктуры, имеющие высокую кристалличность и большую площадь поверхности, в настоящее время позволяют развивать несколько традиционных направлений построения «электронного носа»: системы, состоящие из элементов, выполненных на основе различных наноматериалов или на основе одного наноматериала, но с различными каталитическими добавками и системы, в которых все чувствительные элементы созданы в едином технологическом цикле, но работают при разных температурах.

Целью настоящей работы являлось исследование чувствительности полупроводниковых наноматериалов на основе оксида цинка, полученных золь-гель методом, в переменном электрическом поле в условиях изменения газовой среды. Исследования электрических свойств оксидных материалов проводили с помощью метода спектроскопии импеданса, представляющего средство изучения электрических свойств поверхностей раздела и основанного на изучении электрического воздействия с переменной частотой.

Частотные зависимости действительной и мнимой части импеданса измеряли в частотном диапазоне от 100 Гц до 500 кГц с помощью импедансметра Z500P при температуре детектирования 300 °С. Данные спектроскопии импеданса, полученные в работе, описывали годографом импеданса для цепи, состоящей из параллельно соединенных резистора R и элемента постоянной фазы CPE.

Установлено, что при нанесении второго слоя металлооксида резко возрастает чувствительность к изопропиловому спирту, в то время как сенсорный отклик по ацетону остается практически неизменным.

Таким образом, в работе были показаны новые возможности использования для увеличения чувствительности и селективности систем типа «электронный нос» воздействия на образец возмущающего электрического поля с переменной частотой при определенной рабочей температуре.

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (ГК № П1249 от 07.06.2010, № 14.B37.21.1089).

42

ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТОДОМ ДИФРАКЦИИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ СКОЛЬЗЯЩЕМ ПАДЕНИИ ЛУЧА

С. А. Высоцкий1, В.А. Мошников2, В.П. Афанасьев2, Д.А. Чигирев2 1Национальный минерально-сырьевой университет “Горный” 2Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

Внастоящее время одним из направлений развития микро и наноэлектроники является получение структур на основе гетерофазных тонких пленок. При варьировании условий нанесения, фазовый состав наносимой пленки будет серьезно варьироваться. Поэтому особую актуальность приобретают методы исследования приповерхностных слоев. Использование специализированных приставок для реализации рентгеновской дифрактометрии при изменяемом угле скольжения рентгеновского излучения позволяет получить информацию о фазовых и структурных изменениях по глубине в микро- и нанопленках, оценивать толщину пленки, размер области когерентного рассеяния (ОКР), определять изменение напряженности пленки по глубине.

Целью данной работы является исследование методом рентгеновской дифрактометрии в режиме скользящего пучка влияния температурно-временных режимов формирования при магнетронном распылении сегнетоэлектрических пленок цирконата-титаната свинца на их фазовый состав.

Пленки ЦТС прошли термообработку в течение 40, 80 и 120 мин при 580 °С. Так же исследовался образец, полученный при 600 °С с длительностью отжига 120 мин.

Рентгеносъемки проводились на рентгеновском дифрактометре XRD-6000 производства Shimadzu с фокусировкой по Бреггу-Брентано в Сu -излучении с кристаллом-монохроматором LiF на дифрагированном пучке. Углы наклона скользящего пучка к поверхности образца принимались следующие: 1°, 2°, 3°, 5°, 10°. Ток и напряжение на рентгеновской трубке 30 мА и 30 кВ.

Вработе показана возможность применения метода рентгеновской дифрактометрии при скользящем падении луча для исследования микронных слоев сегнетокерамики. Получена информация о фазовом составе. Было определено присутствие следующих фаз: ЦТС, платина. Также был диагностирован оксид свинца. Проведена оценка области когерентного рассеяния при различных температурах отжига пленок по двум методикам [1, 2].

Литература

1.Pielaszek R. // FW M 1545/ method for determination of the grain size distribution from powder diffraction line profile // Journal of Alloys and Compounds. 2004.- V. 382.- P. 128-132.

2.Генье А. Рентгенография кристаллов. Теория и практика. М: Физматлит,

1961.

43

АТОМНО-СИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ НАНОГЛИН С. А. Высоцкий1, Ю. М. Спивак2,

1Национальный минерально-сырьевой университет “Горный” 2Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) представляет собой семейство методов исследования и модификации поверхности на наноуровне и является мощным современным исследовательским инструментом [1].

Внастоящее время значительный интерес в материаловедении вызывают композиты, включающие в свой состав слоистые и интеркалированные слоистые системы, а также материалы, представляющие собой один монослой (например, графен). Глины представляют собой слоистые силикаты, они нашли широкое применение в качестве добавок [2], особенно к полимерам. Важнейшими свойствами глин, определяющими их промышленное применение, являются: высокая механическая прочность, химическая и термостойкость, высокая электрическая прочность, газонепроницаемость.

Данная работа посвящена исследованию особенностей строения каолинита

ибейлендита методами атомно-силовой микроскопии. Предварительные исследования включали в себя рентгеновскую диагностику образцов слоистых минералов на рентгеновском порошковом дифрактометре Shimadzu XRD-6000 на медном излучении с LiF монохроматором на дифрагированном пучке. Проводился расчет области когерентного рассеивания. Определение крупности образцов глинистых материалов осуществлялось на лазерном анализаторе крупности Horiba LA-950 при диспергации в ультразвуке.

Исследования проводились на сканирующем зондовом микроскопе JSPM5400 фирмы Jeol в атмосферных условиях. Образцы глины проходили ультразвуковую обработку в растворе этанола, далее наносились на стеклянную подложку, высушивались, затем подложка устанавливалась на держатель образцов в АСМ. АСМ исследования глин проводились в полуконтактном режиме.

Вработе было показано, что методы атомно-силовой микроскопии позволяют выявлять как «макро»-особенности строения глинистых минералов, так и «микро»-ступени, структуры роста. Для глины толщиной 5нм обнаружено структурирование поверхности с образованием гофра.

Авторы благодарят сотрудников Отдела аналитических исследований НМСУ “Горный” за помощь в выполнении работы и возможность обсуждения полученных результатов.

44

Литература

1.Мошников В.А., Спивак Ю.М. Атомно-силовая микроскопия для нанотехнологии и диагностики микро- и наноэлектронике: Учеб. пособие. СПб. Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009.

2.J. Gaume, Ch. Taviot-Gueho Optimization of PVA clay nanocomposite for ultra-barrier multilayer encapsulation of organic solar cells // Solar Energy Materials and Solar Cells, 2012.

ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТНЫХ ПЛЕНОК 5,10,15,20-ТЕТРАФЕНИЛПОРФИРИНА И ГРАФЕНА

Т.Т. Гаджиев 1, И.А. Наговицын 2,3, Г.К. Чудинова 2, Г.Г. Комиссаров3 1Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики,

2Учреждение Российской Академии наук Центр естественно-научных исследований Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН,

3Учреждение Российской Академии наук Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН

Исследованы фотовольтаические и оптические свойства композитных пленок 5,10,15,20-тетрафенилпорфирина (TPP) и графена (Gr), полученных методом спин-коатинга. Растворы TPP (Aldrich) готовили в хлороформе в концентрации 0.6 мг/мл. Навеску графена (предоставлен Л.Д. Квачевой, ИНЭОС РАН) в хлороформе (0.6 мг/мл) диспергировали 40 мин на сонификаторе Branson 1510 (частота 42 кГц), после чего растворы графена и порфирина смешивали в различных объемных соотношениях. Пленки готовили на SnO2-оптически прозрачных электродах (18х18 мм) на установке, собранной в лаборатории на базе центрифуги «Элекон» ЦЛМН-Р10-02, нанося по 50 мкл раствора при скорости вращения подложки 1500 об/мин. Спектры поглощения регистрировали на спектрофото-

метре Shimadzu UV-1800.

На рисунке представлены изменения фотопотенциала (ФП, кривая 1) и оптической плотности в максимуме полосы Соре ТРР (кривая 2) при изменении соотношения компонентов в пленке. Для пленок TPP наблюдали ФП 1.39 мВ, для пленок смеси TPP:Gr при массовых соотношениях 4:1, 3:2, 2:3, 1:4 ФП составлял 1.89, 1.29, 3.0 и 1.51 мВ соответственно. Гипсохромный сдвиг в полосе Соре относительно значения для монокомпонентной пленки TPP составлял 0.5, 3.5, 3.0 и 6.5 нм соответственно, и может быть обусловлен увеличением количества мономерной формы TPP, что может приводить к увеличению квантового

45

выхода фототока и величины ФП, т.к. известно, что квантовый выход фотохимических процессов при образовании агрегатов красителей снижается.

Распад экситонов, возникающих в пленке при поглощении квантов света, происходит на структурных дефектах фотоактивного слоя, каковыми являются включения наночастиц и граница раздела TPP - электролит. Стимулирование распада экситонов включениями наночастиц графена может приводить к увеличению фотопотенциала.

Работа поддержана проектом МНТЦ № 3910.

СОЗДАНИЕ СЛОИСТЫХ СТРУКТУР В СИСТЕМЕ Si – SiO2 – ШИРОКОЗОННЫЙ ПОЛИМЕР

А. Ф. Галиев1, И. Е. Грачева2, И. Р. Набиуллин3 1ФГБОУ ВПО Башкирский государственный педагогический университет

им. М. Акмуллы, 2ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный электротехнический уни-

верситет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), 3ФГБУН Институт физики молекул и кристаллов Уфимского научного центра

Российской академии наук

В последние годы развивается научное направление – электроника тонких пленок электроактивных полимеров, уникальность электронных свойств которых определяет аномально низкие величины внешних воздействий, индуцирующих резкое скачкообразное изменение электропроводности. Предположительно, в ходе этого процесса, полимерный образец разбивается на высокопроводящие домены, разделенные диэлектрической матрицей. В то же время, в полимерной пленке, находящейся в высокопроводящем состоянии, возможно реализовать зарядовую неустойчивость, приводящую к обратному переходу в диэлектрическое состояние.

При исследовании контакта Si – SiO2 – электроактивный полимер обнаружены эффекты размерного квантования, которые могут найти применение при создании, например, систем скрытой записи информации. Доказана возможность многократной записи, перезаписи и считывания информации. Механизм этого

46

явления выявлен не полностью, в частности, не установлена достоверно область локализации заряда в многослойной структуре.

В работе создавали двухслойные структуры диоксид кремния – полидифениленфталид (ПДФ) на кремниевых подложках. Пленочные структуры на основе диоксида кремния были получены из золей на основе неорганического полимера в присутствии представителя алкоксисоединений этилового эфира ортокремневой кислоты. ПДФ был растворен в циклогексаноне и имел концентрацию 5 мас. %. Готовые растворы наносили на поверхность кремниевых подложек, методом центрифугирования в течение 15 с при частоте 3000 об/мин и высушивались на воздухе в течение 30 мин. Далее, образцы подвергались термической обработке при температурах 150 – 270 °С в течение 30 мин. Исследования морфологии полученных структур производились с применением «полуконтактной» колебательной методики атомно-силовой микроскопии с помощью нанолаборатории Ntegra Terma.

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (ГК № П1249 от 07.06.2010, № 14.В37.21.0134, № 14.В37.21.0238).

OBTAINING OF AQUEOUS SUSPENSIONS AND COATINGS BASED ON FERRITE SYSTEMS

S.A. Ionin, K.G. Gareev

Saint-Petersburg State Electrotechnical University “LETI”

Available nowadays MRI contrast agents have a number of drawbacks, notably the problem of elimination of the drug from patients with renal failure, as in this case, may be a manifestation of toxic properties, which are normally small. In these conditions, the development of new contrast agents is reduced to meet the following basic requirements: biocompatibility, stability in body fluids (saline, blood), the particle size of a micrometer-level and low size-dispersion of particles.

The authors propose a method for producing stabilized aqueous suspensions based on composite Fe3O4-SiO2, as well as coatings of similar composition. At the heart of the process based on the methods of the wet chemistry, and the silica basis made by the sol-gel method. In the first stage solution of tetraethoxysilane (TEOS) in isopropyl alcohol were dried and annealed in a volume of the crucible or on the surface of the substrate of glass or silicon at 300 ºC. Next, a porous base was placed in a container with the prepared iron chloride and iron sulfate and allowed to stand for 30 minutes. After that, an aqueous ammonia solution, resulting in a loss of magnetite particles in the sediment, and the task was to provide the reaction directly in the porous

47

structure of SiO2. At the final stage, the washing and drying of the resulting powders and coatings was obtained.

The essential problem to be solved is the wide dispersion of silica particles (pores in the layer) in size, which results in the need for subsequent filtering of large particles, which in this paper was carried out by briefly introducing the exposure to the magnetic field of the permanent magnet NdFeB. The long-term (one month or more) storage of suspensions does not lead to irreversible agglomeration of them, repeated vibration processing returns the system to its original state.

Phase composition of produced powders and layers was carried out by X-ray diffractometry and high-energy electron diffraction. Size distribution of specimens was analyzed by optical microscopy.

The work was conducted in the framework of the Federal Program "Scientific and scientific-pedagogical personnel of innovative Russia" for 2009 - 2013 years, when the state contract P1249 from 07.06.2010.

ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА И СВОЙСТВ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СЛОЕВ НА ОСНОВЕ СУЛЬФИДА СВИНЦА

Н. Н. Исаев, Е. В. Мараева, О. А. Александрова Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Сульфид свинца – один из полупроводниковых материалов, который широко применяется в инфракрасной технике, микро- и оптоэлектронике, в частности, для создания многих типов детекторов излучения, область чувствительности которых расположена в ближней ИК и видимой областях. С целью расширения диапазона принимаемого излучения детекторами на базе сульфида свинца используют различные способы изменения его энергии активации. Одним из перспективных методов является повышение в структуре полупроводника на основе PbS содержание оксидных фаз PbO, PbSO4.

Целью настоящей работы было получение слоев на основе сульфида свинца методом химического осаждения из водных растворов и исследование их свойств в зависимости от условий термических активационных отжигов.

Образования оксидных фаз в получаемых структурах можно добиться путѐм проведения термических активационных отжигов [1]. Наряду с экспериментальными исследованиями свойств соединений, образующихся при отжиге сульфида свинца, актуальной была задача предварительного термодинамического анализа исследуемой системы.

В настоящей работе были получены пленочные структуры и порошки на основе сульфида свинца методами химического осаждения из водных растворов

48

с применением поливинилового спирта и с использованием в качестве прекурсора для серы сероводорода. Также была проведена термическая обработка образцов, полученных методом растворной химии, при различных условиях. Проведен термодинамический анализ системы Pb-S-O, исследована микроструктура и фазовый состав слоев.

Работа выполнялась в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-

ва Д.Б. Халькогениды и оксиды элементов IV группы. Получение, исследование, применение / под ред. В.А. Мошникова. СПб.: Изд-во «Технолит», 240 с.

ПОЛУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СУЛЬФИДА СВИНЦА

И. С. Каширский 1,2, О. А. Александрова2 1Компания КРИОТЕРМ, СПб,

2Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Термоэлектрические устройства имеют целый ряд достоинств для применений в микро- и наносистемной технике, включая экологическую безопасность, отсутствие вредных химических хладагентов, бесшумность работы, простоту перехода из режима охлаждения в режим нагрева, безынерционность, локальность охлаждения с высоким быстродействием, возможность интеграции с электронными компонентами, отсутствие движущихся и изнашивающихся частей, малый размер и вес и др. Кроме того активная разработка энергоэффективных технологий в последнее время обусловила повышенный интерес к генерации электроэнергии за счет использования паразитного тепла.

Компания КРИОТЕРМ была образована в 1992 г. на базе крупнейшего в

СССР научно-исследовательского института, разрабатывающего термоэлектрические модули (элемент Пельтье) и системы на их основе для нужд военного и аэрокосмического комплексов. Благодаря большому научному потенциалу и применению современных методов управления, компания за время своей деятельности заняла лидирующие позиции на мировом термоэлектрическом рынке. В настоящее время на предприятии работает 200 человек, включая 13 кандидатов наук.

Среди термоэлектрических материалов среднего диапазона температур традиционное применение получили халькогениды свинца на основе теллуридов.

49