Badania wybranych nanostruktur SnO 2 w aspekcie zastosowań sensorowych

Transkrypt

1 Badania wybranych nanostruktur SnO 2 w aspekcie zastosowań sensorowych Monika KWOKA, Jacek SZUBER Instytut Elektroniki Politechnika Śląska Gliwice

2 PLAN PREZENTACJI 1. Podsumowanie dotychczasowych prac: - - Inne pakiety zadaniowe: PZ2, PZ5, PZ7 2. Najnowsze wyniki: PZ1 3. Podsumowanie 2

3 DOTYCHCZASOWE PRACE PZ1: Z1.1, Z : 1.Charakteryzacja cienkich warstw MS: TDS Próbka/technologia Temperatura TD głównych gazów/c Procedura Grubość H2 H2O N2 CO2 Zn/Ar+O ZnO/Ar ZnO/Ar+O Optymalizacja technologii osadzania cienkich warstw innych TCO: L-CVD SnO 2 Morfologia (AFM) i chemia (XPS, TDS) Publikacje: M.Kwoka,.. J.Szuber, Thin Solid Films 520 (2011) 913; M.Kwoka, J.Szuber, Applied Surface Science 258 (2012)

4 DOTYCHCZASOWE PRACE PZ1: Z1.1, Z : Optymalizacja technologii osadzania cienkich warstw TCO: RGT(V)O SnO 2, In 2 O 3 RGTO: SnO 2 Morfologia (SEM, AFM) i chemia (XRD, XPS) RGVO: In 2 O 3 Morfologia (AFM) i chemia (XPS) Publikacje: P.Koscielniak, M.Kwoka, J.Szuber, Thin Solid Films 520 (2011) 927, P.Koscielniak, J.Szuber, Applied Surface Science 258 (2012)

5 DOTYCHCZASOWE PRACE PZ1: Z1.1, Z : Optymalizacja technologii osadzania cienkich warstw TCO: SnO 2 Uruchomienie i optymalizacja technologii SCTO: SnO 2 Morfologia: Chemia: 5

6 DOTYCHCZASOWE PRACE INNE PAKIETY PZ2: Nowe moduły technologiczne: Z2.7 Charakteryzacja kontaktów omowych do SiC Kontakty omowe do podłoża SiC na bazie warstw Ni-Si, oraz z udziałem fazy Ti 3 SiC 2 Właściwości strukturalne (SEM, HRTEM) Charakteryzacja właściwości optycznych, chemicznych, morfologicznych i elektronowych pasywowanych struktur AlGaN/GaN Struktury Al x Ga 1-x N/GaN/szafir (x = 0,15; 0,25; 0,4) Właściwości optyczne: widmo odbicia, oraz właściwości morfologiczne struktury AlGaN/GaN/szafir (AFM) Wyznaczanie profilu składu chemicznego struktur MOS na bazie SiC Struktury typu MOS SiO 2 /4H-SiC typu p - nanowarstwa termicznego SiO 2 grubości 40 nm Właściwości chemiczne: profil składu chemicznego (SAM) Wyznaczanie profilu składu chemicznego struktur MOS na bazie SiC Struktury typu MOS HfO 2 /4H-SiC typu - nanowarstwa MS HfO 2 grubości 30 nm Właściwości chemiczne: profil składu chemicznego (XPS - DP) - układ pomiarowy PZ7 Wyznaczanie profilu składu chemicznego warstw pasywujących na podłożu GaN Struktury typu SiN-GaN nanowarstwa pasywująca SiN o grubości 50 nm Właściwości chemiczne: profil składu chemicznego (XPS DP) układ pomiarowy PZ7 6 Pakiet zadaniowy PZ2 Tytuł zadania: Nowe moduły technologiczne

7 DOTYCHCZASOWE PRACE INNE PAKIETY PZ5: Aplikacje Z5.1: Wykonanie i weryfikacja parametrów funkcjonalnych sensora gazów toksycznych opartego na zjawisku fotonapięcia powierzchniowego (VII 2012) Zakres prac: - opracowanie koncepcji pomiaru na bazie sondy Kelwina - opracowanie projektu urządzenia - optymalizacja konstrukcji elektronicznej i mechanicznej - dobór materiału sensorowego (porowate warstwy ZnO) - testy odpowiedzi sensorowej w atmosferze NO2 Parametry funkcjonalne demonstratora: - szybkość działania układu pomiarowego: 10-2 s, - dokładność (rozdzielczość) pomiarów zmian pracy wyjścia: 0.01 mev, - czułość (wielkość zmian pracy wyjścia) dla 100 ppm NO 2 = 150 mev (!), przy (S/N) = 100, - szybkość (czas) odpowiedzi układu na 100 ppm NO 2 = 1-3 min. Szczegóły: poster 7 Pakiet zadaniowy PZ5 Tytuł zadania: Aplikacje

8 DOTYCHCZASOWE PRACE INNE PAKIETY PZ7: Inwestycje aparaturowe Uruchomienie działa jonowego Zestawienie instalacji do profilowania jonowego metodą XPS w spektrometrze XPS firmy SPECS na bazie: - działa jonowego IQE-38 (SPECS) - systemu pompowania różnicowego UHV (VARIAN) - systemu kontroli próżni (PFEIFER) - piezoelektrycznego zaworu dozowania Ar (VARIAN) Testy układu: - optymalizacja procedury profilowania jonowego XPS, oraz wyznaczanie szybkości trawienia: Ei = 3keV: MS ZnO nm/s; L-CVD SnO nm/s (zgodność z wartością dla PHI L Aquila, Włochy) 8 Pakiet zadaniowy PZ7 Tytuł zadania: Inwestycje aparaturowe

9 NAJNOWSZE WYNIKI PAKIET ZADANIOWY: PZ1 Z1.1, Z1.3 Badania wybranych nanostruktur SnO 2 w aspekcie zastosowań sensorowych 9

10 NAJNOWSZE WYNIKI - PAKIET ZADANIOWY PZ1: Z1.1, Z1.3 Optymalizacja technologii cienkich warstw/nanowarstw SnO 2 w aspekcie sensorowym Mechanizm sensorowy: Morrison (1984), Yamazoe (1991), Göpel (1995) - efekt SCL (evs) Aktualny stan wiedzy w literaturze: - największa czułość sensorów SnO2: rozmiar ziarna ~ 2 L D gdy L D ~ kilka nm - najlepsza selektywność: z udziałem metali katalitycznych jako domieszek: Pd, Ag, Au, Pt Przegląd najważniejszych informacji: - G.Eranna: Metal oxide nanostructures as gas sensing devices, CRC Press, Boca Raton, M.A.Carpenter, S.Mathur, A.Kolmakov: Metal oxide nanomaterials for chemical sensors, Springer, NY,

11 NAJNOWSZE WYNIKI - PAKIET ZADANIOWY PZ1: Z1.1, Z1.3 Optymalizacja technologii cienkich warstw/nanowarstw SnO 2 w aspekcie sensorowym Cel prac własnych: Określenie korelacji pomiędzy właściwościami morfologicznymi i chemicznych cienkich warstw/nanowarstw SnO 2 oraz ich charakterystykami sensorowymi (czułość, oraz czas odpowiedzi/regeneracji sensora) Morfologia (SEM, AFM) L-CVD RGTO MS SCTO Odpowiedz sensorowa SnO2 NO2 Chemia (XRD, XPS-DP) 11

12 NAJNOWSZE WYNIKI - PAKIET ZADANIOWY PZ1: Z1.1, Z1.3 Optymalizacja technologii cienkich warstw/nanowarstw SnO 2 w aspekcie sensorowym Cel prac własnych: Określenie korelacji pomiędzy właściwościami morfologicznymi i chemicznych cienkich warstw/ nanowarstw SnO 2 oraz ich charakterystykami dynamicznymi (czasy odpowiedzi/odtworzenia-regeneracji) sensora Nanostruktury SnO2 Wybrane właściwości Morfologia Struktura/Chemia Czas odpowiedzi NO2 Autorzy Cienkie warstwy RGTO SEM: izolowane ziarna ( nm) SEM, AFM: nanoziarna (~20 nm) zlepione w ziarna (100 nm) XRD: krystality [O]/[Sn]=2 XPS: [O]/[Sn] ~ 1.8 [C]/[Sn] ~3.5! 200 ppm, 200 C 4.1 min. 200 ppm, 200 C 4.2 min. Ruhland (1998) Własne (2009) Cienkie warstwy MS SEM: izolowane ziarna (70 nm) AFM: izolowane ziarna (30-70 nm) XRD: krystality [O]/[Sn]=2 XPS: [O]/[Sn] ~ 1.7 [C]/[Sn] ~ 2.6! 100 ppm, 200 C 4.1 min. Sharma (2011) - Własne (2010) Cienkie warstwy SCTO SEM: nanoziarna (20-50 nm) AFM: nanoziarna (15-25 nm) XPS: [O]/[Sn] ~ [C]/[Sn] ~ ! 100 ppm, 100 C 3.0 min (?!) Własne (2012) Nanowarstwy L-CVD SEM: nanoziarna (20-50 nm) AFM: nanoziarna (15-25 nm) XPS: [O]/[Sn] ~ XPS/TDS: [C]/[Sn] ~ ! 20 ppm, 200 C 3.0 min. Larciprete (1998) Własne (2011) Nanodruty SEM: nanodruty/nanowstążki ( nm) SEM: nanodruty/nanowstążki ( nm) XRD: krystality [O]/[Sn]=2 XPS: [O]/[Sn] ~ 1.8 XPS/TDS: [C]/[Sn] ~2.5-0! ppm, 200 C 2.0 min. Hwang (2006) Comini (2009) - Własne (2012)

13 WNIOSKI Najważniejsze osiągnięcia: PZ1: Nowe materiały Określenie właściwości chemicznych i elektronowych nanowarstw L-CVD SnO 2 Określenie lokalnej morfologii i chemii powierzchni cienkich warstw RGTO SnO2 Opracowanie nowej, oryginalnej technologii RGVO osadzania nanowarstw In2O3, SnO2 Optymalizacja technologii SCTO osadzania cienkich warstw SnO 2 Określenie korelacji pomiędzy właściwościami morfologicznymi i chemicznych cienkich warstw/nanowarstw SnO 2, oraz ich charakterystykami sensorowymi (czułość, oraz czas odpowiedzi/regeneracji) PZ5: Aplikacje Opracowanie koncepcji, oraz wykonanie demonstratora sensora gazów toksycznych opartego na zjawisku fotonapięcia powierzchniowego, a także wstępna weryfikacja jego parametrów funkcjonalnych PZ7: Inwestycje aparaturowe Zestawienie instalacji do profilowania jonowego w metodzie XPS, oraz opracowanie procedury określania profilu składu chemicznego struktur warstwowych. 13