pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2016-7-3-84-89pimi-275Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsИМПЕДАНСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ДИОКСИДА ОЛОВАIMPEDANCE SPECTROSCOPY OF POLYCRYSTALLINE TIN DIOXIDE FILMSАдамчукД. В.AdamchuckD. V.КсеневичВ. К.KsenevichV. K.

Адрес для переписки: Ксеневич В.К. – Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь e-mail: ksenevich@bsu.by

Address for correspondence: Ksenevich V.K. – Belarusian State University, Nezavisimosty Ave., 4, 220030, Minsk, Belarus  e-mail: ksenevich@bsu.by

ksenevich@bsu.byГорбачукН. И.GorbachukN. I.ШиманскийВ. И.ShimanskijV. I.Белорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarus20160712201673312321Copyright © Адамчук Д.В., Ксеневич В.К., Горбачук Н.И., Шиманский В.И., 20162016Адамчук Д.В., Ксеневич В.К., Горбачук Н.И., Шиманский В.И.Adamchuck D.V., Ksenevich V.K., Gorbachuk N.I., Shimanskij V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/275

Целью работы являлось применение метода импедансной спектроскопии для анализа влияния отжига в инертной среде на электрофизические свойства и структуру нестехиометрических пленок диоксида олова. Пленки SnO2 варьируемого стехиометрического состава получали двухступенчатым окислением металлического олова, нанесенного на подложки поликристаллического Al2O3 методом магнетронного напыления на постоянном токе. Для модификации структуры и стехиометрического состава исходных покрытий проводился отжиг в инертной среде в интервале температур 300–800 °С. Измерения импеданса полученных пленок SnO2 проводились в диапазоне частот 20 Гц – 2 МГц при комнатной температуре на воздухе. Исследование электропроводности пленок диоксида олова на переменном токе позволило установить, что в результате высокотемпературного отжига происходит изменение частотных зависимостей действительной и мнимой частей импеданса пленок. Предложены эквивалентные схемы замещения, описывающие частотные зависимости импеданса пленок различного структурного и стехиометрического состава. Использование метода импедансной спектроскопии позволило установить, что в процессе окислительного отжига формируется поликристаллическая пленка диоксида олова, электропроводность которой можно варьировать отжигом в инертной среде, в результате которого происходит перекристаллизация пленок и изменение ее стехиометрического состава, а также увеличение размеров кристаллитов SnO2 . Изменения структуры и фазового состава пленок диоксида олова при проведении высокотемпературного отжига в инертной среде подтверждаются результатами проведенного рентгеноструктурного анализа. Установлено, что анализ годографов импеданса является информативным способом для исследования электрофизических свойств и структуры поликристаллических пленок диоксида олова.

The aim of this work is the analysis of the influence of annealing in an inert atmosphere on the electrical properties and structure of non-stoichiometric tin dioxide films by means of impedance spectroscopy method. Non-stoichiometric tin dioxide films were fabricated by two-step oxidation of metallic tin deposited on the polycrystalline Al2O3 substrates by DC magnetron sputtering. In order to modify the structure and stoichiometric composition, the films were subjected to the high temperature annealing in argon atmosphere in temperature range 300–800 °С. AC-conductivity measurements of the films in the frequency range 20 Hz – 2 MHz were carried out. Variation in the frequency dependencies of the real and imaginary parts of the impedance of tin dioxide films was found to occur as a result of high-temperature annealing. Equivalent circuits for describing the properties of films with various structure and stoichiometric composition were proposed. Possibility of conductivity variation of the polycrystalline tin dioxide films as a result of аnnealing in an inert atmosphere was demonstrated by utilizing impedance spectroscopy. Annealing induces the recrystallization of the films, changing in their stoichiometry as well as increase of the sizes of SnO2 crystallites. Variation of electrical conductivity and structure of tin dioxide films as a result of annealing in inert atmosphere was confirmed by X-ray diffraction analysis. Analysis of the impedance diagrams of tin dioxide films was found to be a powerful tool to study their electrical properties. 

импедансная спектроскопиянестехиометрические пленки диоксида оловавысокотемпературный отжигрентгеноструктурный анализimpedance spectroscopynonstoichiometric tin dioxide filmshigh-temperature annealingX-ray diffraction analysisМинистерство образования Республики БеларусьMinistry of Education of the Republic of BelarusReferencesBarsoukov, E. Impedance Spectroscopy. Theory, Experiment and Applications / E. Barsoukov, J. Ross Macdonald. – Second Edition. – John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2005. – 595 p.Barsoukov E., Macdonald J. Impedance spectroscopy. Theory, experiment and applications. Second Edition. John Wiley & Sons, 2005, 595 p.Chizhov, A.S. Frequency-dependent electrical conductivity of nanocrystalline SnO2 / A.S. Chizhov, M.N. Rumyantseva, A.M. Gaskov // Inorganic Materials. – 2013. – Vol. 49, no. 10. – P. 1000–1004.Chizhov A.S., Rumyantseva M.N., Gaskov A.M. Frequency-dependent electrical conductivity of nanocrystalline SnO2 . Inorganic Materials. 2013, vol. 49, no. 10, pp. 1000–1004. doi: 10.1134/S0020168513100014Богданов, К.П. Равновесие собственных точечных дефектов в диоксиде олова / К.П. Богданов, Д.Ц. Димитров, О.Ф. Луцкая, Ю.М. Таиров // Физика и техника полупроводников. – 1998. – Т. 32, № 10. – С. 1158–1160.Bogdanov K.P., Dimitrov D.Tz., Lutskaya O.F., Tairov Yu.M. Equilibrium of native point defects in tin dioxide. Semiconductors, 1998, vol. 32, no. 10, pp.  1033– 1035. doi: 10.1134/1.1187560Громов, В.Ф. Механизмы сенсорного эффекта в кондуктометрических датчиках на основе диоксида олова для детектирования газов-восстановителей / В.Ф. Громов, Г.Н. Герасимов, Т.В. Белышева, Л.И. Трахтенберг // Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева. – 2008. – Т. 52, № 5. – С. 80–87.Gromov V.F., Gerasimov G.N., Belysheva T.V., Trachtenberg L.I. Mechanisms of sensory effect in the conductivity sensor based on tin dioxide for detecting gas-reducing. Journal of the Russian Chemical Society named D.I. Mendeleev, 2008, vol. 52, no. 5, pp. 80–87 (in Russian).Кофстад, П. Отклонение от стехиометрии, диффузия и электропроводность в простых окислах металлов /П. Кофстад; пер. с англ. – М. : Мир, 1975. – 396 с.Kofstad P. Deviation from stoichiometry, diffusion and electrical conductivity in the simple metal oxides: Tr. from English. Moscow, Mir Publ., 1975, 396 p. (in Russian).Godinho, K.G. Energetic and Electronic Structure Analysis of Intrinsic Defects in SnO2 / K.G. Godinho, A. Walsh, G.W. Watson // J. Phys. Chem. C. – 2009. – Vol. 113. – P. 439– 448.Godinho K.G., Walsh A., Watson G.W. Energetic and electronic structure analysis of intrinsic defects in SnO2 . J. Phys. Chem. C., 2009, vol. 113: pp. 439–448. doi: 10.1021/jp807753tBansal, S. Charge transport mechanism in high conductivity undoped tin oxide thin films deposited by reactive sputtering / S. Bansal, D.K. Pandya, S.C. Kashyap // Thin Solid Films. – 2012. – Vol. 524. – P. 30–34.Bansal S., Pandya D.K., Kashyap S.C. Charge transport mechanism in high conductivity undoped tin oxide thin films deposited by reactive sputtering. Thin Solid Films, 2012, vol. 524, pp. 30–34. doi: 10.1016/j.tsf.2012.09.062Васильев, Р.Б. Импеданс-спектроскопия ультрадисперсной керамики с варьируемым размером кристаллитов / Р.Б. Васильев [и др.] // ФТП. – 2006. – Т. 40, № 1. – С. 108–111.Vasiliev R.B., Dorofeev S.G., Rumyantseva M.N., Ryabova L.I., Gas’kov A.M. Impedance spectroscopy of the ultrafine-grain SnO2 ceramic with variable grain size. Semiconductors, 2006, vol. 40, no. 1, pp. 104–107. doi: 10.1134/S1063782606010180Ginley, D. Handbook of Transparent Conductors / D. Ginley, H. Hosono, David C. P. (Eds.) – Associate Editors. – 2011. – 547 p.Ginley D., Hosono H., David C.P. Handbook of transparent conductors. 2011, 547 p. doi: 10.1007/978-1- 4419- 1638-9Batzill, M. The surface and materials science of tin oxide / M. Batzill, U. Diebold // Progress in Surface Science. – 2005. – Vol. 79. – P. 47–154.Batzill M., Diebold U. The surface and materials science of tin oxide. Progress in Surface Science, 2005, vol. 79, pp. 47–154. doi: 10.1016/j.progsurf.2005.09.002Zak, A.K. Substrate free synthesis of wide area stannic oxide nano-structured sheets via a sol-gel method using gelatin / A. Khorsand Zak, A. Moradi Golsheikh, W. Haliza Abd Majid, S.M. Banihashemian // Materials Letters. – 2013. – Vol. 109. – P. 309–312.Zak K.A., Golsheikh M.A., Haliza Abd Majid W., Banihashemian S.M. Substrate free synthesis of wide area stannic oxide nano-structured sheets via a sol-gel method using gelatin. Materials Letters, 2013, vol. 109, pp. 309– 312. doi: 10.1016/j.matlet.2013.07.084Гаськов, А.М. Химическая модификация нанокристаллического диоксида олова для селективных газовых сенсоров / В.В. Кривецкий, М.Н. Румянцева, А.М. Гаськов // Успехи химии. – 2013. – Т. 82, № 10. – С. 917–941.Krivetsky V.V., Rumyantsev M.N., Gaskov A.M. Chemical modification of nanocrystalline tin dioxide for selective gas sensors. Russian Chemical Reviews, 2013, vol. 82, no. 10, pp. 917–941. doi: 10.1070/RC2013v082n10ABEH004366Ksenevich, V.K. Fabrication and characterization of transparent tin dioxide films with variable stoichiometric composition / V.K. Ksenevich, D.V. Adamchuk, V.B. Odzhaev, P. Zhukowski // Acta Physica Polonica A. – 2015. – Vol. 128. – P. 861–863.Ksenevich V.K., Adamchuk D.V., Odzhaev V.B., Zhukowski P. Fabrication and characterization of transparent tin dioxide films with variable stoichiometric composition. Acta Physica Polonica A., 2015, vol. 128, pp. 861–863.Домашевская, Э.П. Механизмы окисления тонких металлических пленок олова / Э.П. Домашевская [и др.] // Конденсированные среды и межфазные границы. – 2012. – Т. 14, № 3. – C. 328–333.Ryabtsev S.V., Chuvenkova O.A., Popov A.E., Chernyshov F.M., Riabtseva N.S., Domashevskaya E.P. The mechanisms of oxidation of thin metal films of tin. Condensed Matter and interphase boundaries, 2012, vol.  14, no. 3, pp. 328–333 (in Russian).Garkin, L.N. Impedance Spectroscopy of Metal-Oxide Nanocomposites / L.N. Garkin [et al.] // Glass Physics and Chemistry. – 2004. – Vol. 30. – P. 461–470.Garkin. L.N. Tomaev V.V., Moshnikov V.A., Miroshkin V.P., Zhivago A.Yu. Impedance spectroscopy of metal-oxide nanocomposites. Glass Physics And Chemistry, 2004, vol. 30, no. 5, pp. 461–470. doi: 10.1023/B:GPAC.0000045928.95952.baSluyters-Rehbach, M. Impedances of electrochemical systems: terminology, nomenclature, and representation. Part I: cells with metal electrodes and liquid solutions / M. Sluyters-Rehbach // Pure and Appl. Chem. – 1994. – Vol. 66, no. 9. – P. 1831–1891.Sluyters-Rehbach M. Impedances of electrochemical systems: terminology, nomenclature, and representation. part i: cells with metal electrodes and liquid solutions. Pure and Appl. Chem., 1994, vol. 66, no. 9, pp.  1831–1891.Гнеденков, С.В. Импедансная спектроскопия в исследовании процессов переноса заряда / С.В. Гнеденков, С.Л. Синебрюхов // Вестник ДВО РАН. – 2006. – № 5. – С. 6–16.Gnedenkov S.V. Sinebryukhov S.L. Impedance spectroscopy in the study of charge transfer. Vestnik of the Far East Branch of the Russian Academy of Sciences, 2006, vol. 5, pp. 6–16. (in Russian).Attaran-Kakhki, E. Fabrication and characterization of silver-tin dioxide core-shell structured nanocomposite particles / E. Attaran-Kakhki, M. Khosravi-Nouri1, N. Shahtahmassebi1, G. Zohuri // Materials Physics and Mechanics. – 2013. – No. 17. – P. 29–32.Khosravi-Nouri M, Shahtahmassebi N., AttaranKakhki E., Zohuri G. Fabrication and characterization of silver-tin dioxide core-shell structured nanocomposite particles. Materials Physics and Mechanics, 2013, vol.  17,  pp. 29–32.Agilan, S. Structural and ferromagnetic investigation of the size effects in pure and Co doped SnO2 nano-particles / S. Agilan, M. Saravanakumar, N. Muthukumarasamy, V. Rukkumani // Int. J. Chem. Sci. – 2015. – Vol. 13, no. 2. – P. 605–612.Saravanakumar M., Agilan S., Muthukumarasamy N., Rukkumani V. Structural and ferromagnetic investigation of the size effects in pure and co doped SnO2 nano particles. Int. J. Chem. Sci., 2015, vol. 13, no. 2, pp. 605–612.Boroojerdian, P. Structural and Optical Study of SnO Nanoparticles Synthesized Using Microwave–Assisted Hydrothermal Route / P. Boroojerdian // Int. J. Nanosci. Nanotechnol. – 2013. – Vol. 9, no. 2. – P. 95–100.Boroojerdian P. Structural and optical study of SnO nanoparticles synthesized using microwave–assisted hydrothermal route Int. J. Nanosci. Nanotechnol., 2013, vol. 9, no. 2, pp. 95–100.Comini, E. Oxidation of Sn thin films to SnO2 . MicroRaman mapping and X-ray diffraction studies / E. Comini [et al.] // J. Mater. Res. – 1998. – Vol. 13, no. 9. – P. 2457–2460.Comini E., Sangaletti L., Depero L., Allieri B., Pioselli F., Sberveglieri G., Zocchi M. Oxidation of Sn thin films to SnO2 . Micro-raman mapping and x-ray diffraction studies. J. Mater. Res., 1998, vol. 13, no. 9. doi: 10.1557/JMR.1998.0343Ristića, M. Dependence of nanocrystalline SnO2 particle size on synthesis route / M. Ristića, M. Ivanda, S. Popović, S. Musića // Journal of Non-Crystalline Solids. – 2002. – Vol. 303, no. 2. – P. 270–280.Ristića M., Ivanda M., Popović S., Musića S. Dependence of nanocrystalline SnO2 particle size on synthesis route. Journal of Non-Crystalline Solids, 2002, vol. 303, no. 2, pp. 270–280. doi: 10.1016/S0022-3093(02)00944-4

The authors declare that there are no conflicts of interest present.