Металлооксидные пленки для датчиков системы «Умный дом»

Жизнь в современном мире окружает нас огромным количеством приборов и устройств микро- и наноэлектроники. Неотъемлемыми являются различные виды датчиков и управляющих ими систем. В быту всё чаще встречаются комплексные системы управления жилой инфраструктурой как на уровне отдельного пользователя (человека), так и в случае агломераций (например, общедомовые счетчики различных систем потребляемых ресурсов).

Рассмотрим простейшую систему типа «Умный дом», параметры которой можно экстраполировать на многоквартирные сооружения, офисные объекты и блоки производства. Данная система состоит из трех блоков: принимающих сигнал датчиков, анализирующего сигнал контроллера и выполняющих заданное действие исполняющих устройств.

В нашем проекте остановимся на разработке первого – блока измерения параметров окружающей среды – и будем исследовать и разрабатывать элементы сенсорной системы на основе тонких металлоокосидных пленок.

Классические металлооксиды, такие как SnO₂, ZnO, TiO₂ и др., являются одним из распространенных направлений разработок в области прозрачной электроники и сенсорики. Тем не менее, свойства данных соединений без добавления каких-либо примесей ограничивают области их применения и не обеспечивают стабильность электрофизических характеристик при эксплуатации в условиях окружающей среды. В зависимости от состава материала-прекурсора (порошок металлооксида, его соль, окисляемый металл и т.д.), а также от метода нанесения пленки на поверхность образца, сложно добиться повторения электрофизических свойств пленки при использовании различных технологий изготовления. Ранее поведенные исследования образцов пленок оксидов ZnO, SnO₂ и соединений на их основе с одной стороны демонстрируют перспективные свойства прозрачных металлооксидов как полупроводниковых материалов, пригодных для разработки областей прозрачных транзисторов, а так же в качестве чувствительных элементов газовых датчиков (типичные представители – датчики серии MQ, широко используемые в бытовых сенсорах). С другой стороны, у данного направления есть две большие проблемы: нестабильность свойств металлооксидных пленок под воздействием высокой температуры (проявляющаяся в росте электросопротивления пленки вплоть до перехода её характеристик от полупроводниковых к диэлектрикам) и некоторая деградация свойств при поглощении газов-окислителей из окружающей среды.

Модификация тонких пленок различными элементами и соединениями широко распространена и используется для повышения чувствительности в газовых датчиках (например, легирование AgNO₃ позволяет повысить чувствительность пленки к газу и понизить температуру измерения и очистки пленки от загрязнения отжигом). Она используется для получения полупроводниковой пленки с заданной шириной запрещенной зоны и требуемой подвижностью носителей заряда; позволяет получать диэлектрические материалы с необходимой проницаемостью; применяется для разработки пористых поглощающих покрытий.

Различные модификации углерода (фуллерены, УНТ, графены, пиролитический углерод и т.д.) обладают очень хорошими электрофизическими и оптическими свойствами – они высокопроводящие, не деградируют при эксплуатации, в лабораторных исследованиях используются как модифицирующие добавки и в чистом виде, а на производстве как примеси, в значительной мере улучшающие свойства исходных материалов и структур.

В литературе встречается информация об использовании тонких пленок Ta₂O₅, Nb₂O₅ и TiO₂, модифицированных углеродом для придания им новых свойств. На основе этих пленок разрабатываются МДМ-катоды, датчики влажности и углеводородов, рентгеновские волноводы, мемристоры и другие компоненты. Но при этом практически нет разработок, в которых углеродом модифицируют оксиды ZnO, SnO₂ и твердые растворы на их основе.

В данном проекте планируется исследование свойств и областей применения модифицированных углеродом различной структуры металлооксидов ZnO, SnO₂ в чистом виде и виде соединений разного процентного состава. Образцы пленок, модифицированных углеродом, будут наноситься стандартными методами: спрей-пиролиз, магнетронное напыление, золь-гель технология, нанесение из растворов и др. В качестве подложек для нанесения пленок планируется использовать пластины из ГОСТ-лабораторного стекла, образцы из чистого кварца, кремниевые пластины электронного и дырочного типа проводимости и др. (например, перспективными являются свойства пленок, нанесенных на подложки из ситалла и на гибкие подложки). На них будут проводиться исследования различных характеристик до отжига, в процессе отжига и после стабилизации свойств посредством отжига.

Планируется проведение исследования стабильности свойств образцов (например, сопротивления):

- под влиянием температуры в окружающей среде (и в атмосфере инертного газа аргона);

- под импульсным и длительным воздействием УФ-облучения разной длины волны;

- под влиянием различных газов (взрывоопасных пропана, бутана, метана; углекислого газа; паров аммиака; паров ацетона и др.);

- в сочетании двух или всех приведенных выше воздействующих факторов.

Еще одной решаемой в данном проекте проблемой будет подбор оптимальных контактов для разрабатываемых тонких пленок. Планируется исследование напыляемых областей из Al, Cu, Pt; контактов из токопроводящего клея и пасты; мягких низкотемпературных контактов на галлиевой эвтектике; классических прижимных контактов из Cu и др. Будет определяться стабильность электросопротивления при различных режимах измерения характеристик образцов.

После выбора наиболее оптимальных параметров нанесения предлагаемых тонких пленок и получения образцов со стабильными и воспроизводимыми характеристиками будут определены области применения разработанных материалов:

- различного вида сенсоры;

- просветляющие покрытия;

- высокопроводящие покрытия;

- диэлектрические изолирующие слои и экранирующие покрытия;

- и т.д.

Основной областью применения разработанных пленок будут сенсорные элементы, поскольку уже проведенные исследования образцов пленок показывают перспективные направления разработки датчиков:

- влажности и протечки (слаболегированные и нелегированные пленки ZnO демонстрируют значительное изменение электросопротивления при изменении влажности или попадании в водную среду);

- освещения (выявлено влияние освещения УФ диапазона электросопротивление образцов);

- состава атмосферы (пленки реагируют на наличие в окружающей среде природного горючего газа, а также углекислого газа);

- температуры (образцы металлооксидов имеют ярко выраженную зависимость параметров от роста температуры);

- в системах доступа и движения (пленки ZnO с определенной конфигурацией рабочей области проявляют пьезоэлектрические свойства и могут быть использованы в RFID-системах, а также срабатывать как датчики вибрации или удара).

После оптимизации технологии изготовления, параметров и конструкции конкретного вида датчика готовый прибор можно будет выводить на рынок как в виде отдельного изделия, совместимого с уже существующими системами контроля и управления, так и в комплексной системе, позволяющей осуществлять контроль и регулирование выбранного набора параметров для конкретного объекта жилой инфраструктуры или производства.

1. НАПЫЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК СУБМИКРОННЫХ ПЛЕНОК ZNO С ДОБАВЛЕНИЕМ SNO2 В НЕОТОЖЖЕННОМ СОСТОЯНИИ. Плотникова Е.Ю., Винокуров А.А., Арсентьев А.В. В сборнике: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА И НАНОЭЛЕКТРОНИКА: АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ. межвузовский сборник научных трудов. Воронеж, 2021. С. 113-121.

2. СИНТЕЗ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК (SNO2)X(IN2O3)1– X ПРИ X = 0–1. Рембеза С.И., Воронов П.Е., Зайнабидинов С.З., Рембеза Е.С., Кошелева Н.Н., Плотникова Е.Ю. Неорганические материалы. 2020. Т. 56. № 3. С. 290-298.

3. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК (SNO2)X(ZNO)1- X (X = 0...0,5) ДЛЯ ПРОЗРАЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ. Рембеза С.И., Кошелева Н.Н., Свистова Т.В., Рембеза Е.С., Агапов Б.Л., Плотникова Е.Ю., Белоусов С.А., Носов А.А. Нано- и микросистемная техника. 2016. Т. 18. № 11. С. 699-707.

4. THE ROLE OF CATION CONCENTRATION ON PARTICLE FORMATION MECHANISM DURING HYDROTHERMAL SYNTHESIS OF NANOSIZED ТIN OXIDE (SNO2). Aciksari С., Tuncolu I.G., Suvacr Е., Özel Е., Кауа P., Rembeza S.I., Rembeza Е., Plotnikova Е., Kosheleva N. Journal of Тhе Australian Ceramic Society. 2016. Т. 52. № 1. С. 60-71.

5. СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ПЛЕНОК SNO2+ZNO ДЛЯ ГАЗОВОЙ СЕНСОРИКИ И ПРОЗРАЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ. Рембеза С.И., Кошелева Н.Н., Плотникова Е.Ю., Носов А.А., Белоусов С.А. В сборнике: Комплексные проблемы техносферной безопасности. Ответственный редактор: В.А. Небольсин, ответственный секретарь: А.В. Звягинцева. 2014. С. 28-31.

6. СИНТЕЗ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ МЕТАЛЛООКСИДНЫХ ПЛЕНОК РАЗЛИЧНОГО СОСТАВА (SNO2)X(ZNO)1-X (X=1-0.5). Рембеза С.И., Кошелева Н.Н., Рембеза Е.С., Свистова Т.В., Плотникова Е.Ю. Физика и техника полупроводников. 2014. Т. 48. № 8. С. 1147-1151.

На страницу проекта