Управление электрическими и оптическими параметрами активных элементов датчиков влажности на основе пленок оксидов олова переменного состава

Цель работы – разработка методики синтеза пленок оксидов олова различного стехиометрического состава, характеризующихся высокими электропроводностью и коэффициентом пропускания света в УФи видимом диапазоне электромагнитного спектра, для дальнейшего их применения в качестве датчиков влажности и газов, а также электродов для электрои фотокаталитических преобразователей.

Нестехиометрические пленки SnO/SnO₂ /SnO_2−δ были синтезированы методом реактивного магнетронного распыления олова на стеклянные подложки в плазме аргона с добавлением кислорода и последующим термическим окислением формируемых слоев на воздухе. Для изменения структурных, оптических и электрических свойств пленок и подбора оптимальных параметров синтеза варьировались содержание кислорода в процессе напыления и температура отжига на воздухе в диапазонах 0−2 об. % и 200−450 °C соответственно. Характеризация пленок проводилась с использованием 4-х зондового метода измерений электрического сопротивления, рентгеновской дифракции и оптической спектроскопии пропускания света.

В результате комплексного анализа структурных, оптических и электрических свойств пленок установлено, что для получения наиболее прозрачных и проводящих покрытий, перспективных для использования в качестве датчиков влажности и газов, а также в фотоэлектрических устройствах, оптимальными параметрами синтеза являются: содержание кислорода в аргоновой плазме в процессе напыления ≈ 0,8–1,2 об. %, температура отжига на воздухе ≈ 350–375 °C. При этом формируется поликристаллическая пленка, в которой преобладает фаза диоксида олова, содержащая структурные дефекты (кислородные вакансии), обеспечивающие сочетание высоких электропроводности и коэффициента пропускания в видимой и УФ-области электромагнитного спектра.

1. Khan, A.F. Effect of annealing on electrical resistivity of rf-magnetron sputtered nanostructured SnO2 thin films / A.F. Khan [et al.] // Applied Surface Science. - 2009. - Vol. 255, № 20. - P. 8562-8565. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2009.06.020

2. Liu, Bin. Salt-Assisted Deposition of SnO2 on α-MoO3 nanorods and fabrication of polycrystalline SnO2 nanotubes / Bin Liu, Zeng Hua Chun // J. Phys. Chem. B. - 2004. - Vol.108, no. 19. - P. 5867-5874. https://doi.org/10.1021/jp037822d

3. Korotcenkov, G. Catalytically active filters deposited by SILD method for inhibiting sensitivity to ozone of SnO2 based conductometric gas sensors / G. Korotcenkov [et al.] // Ferroelectrics. - 2014. - Vol. 459. - P. 46-51. https://doi.org/10.1080/00150193.2013.837765

4. Ma, N. Effect of water vapor on Pd-loaded SnO2 nanoparticles gas sensor / N. Ma [et al.] // ACS Appl. Mater. Interfaces. - 2015. - Vol. 7, no. 10. - P. 5863- 5869. https://doi.org/10.1021/am509082w

5. Huang, H. Needle-like Zn-doped SnO2 nanorods with enhanced photocatalytic and gas sensing properties / H. Huang [et al.] // Nanotechnology. - 2012. -Vol. 23, no. 10. - P. 105502. https://doi.org/10.1088/0957-4484/23/10/105502

6. Alaf, M. Tin/Tinoxide (Sn/SnO2 ) Nanocomposites thin films as negative-electrode materials for li-ion batteries / M. Alaf, D. Gultekin, H. Akbulut // Acta Physica Polonica A. - 2013. - Vol. 123, no. 2. - P. 323-325. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.123.323

7. Lou, X.W. Designed Synthesis of coaxial SnO2 @ carbon hollow nanospheres for highly reversible lithium storage / X.W. Lou, C.M. Li, L.A. Archer // Advanced Materials. - 2009. https://doi.org/10.1002/adma.200803439

8. Journals, I. Comparative studies of Cerium and Zirconium doped Barium Titanate / I. Journals // International Association of Scientific Innovation and Research (IASIR). - 2014. - P. 15-19.

9. Lu, Y.C. Electrochemical properties of tin oxide anodes for sodium-ion batteries / Y.C. Lu [et al.] // Journal of Power Sources. - 2015. - Vol. 284. - P. 287-295. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.03.042

10. Lu, Y.C. Improved electrochemical performance of tin-sulfide anodes for sodium-ion batteries / Y.C. Lu [et al.] // J. Mater. Chem. A. - 2015. - Vol. 3, no. 33. - P. 16971-16977. https://doi.org/10.1039/C5TA03893F

11. Saravanakumar, B. Enhanced pseudocapacitive performance of SnO2 , Zn-SnO2 , and Ag-SnO2 nanoparticles / B. Saravanakumar // Ionics. - 2018. - Vol. 24, no. 12. - P. 4081-4092. https://doi.org/10.1007/s11581-018-2727-8

12. Ohodnicki, P.R. Characterization of optical, chemical, and structural changes upon reduction of sol- gel deposited SnO2 thin films for optical gas sensing at high temperatures / P.R. Ohodnicki [et al.] // Thin Solid Films. - 2012. - Vol. 520, no. 19. - P. 6243-6249. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2012.05.023

13. Presley, R.E. Tin oxide transparent thin-film transistors / R.E. Presley [et al.] // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2004. - Vol. 37, no. 20. - P. 2810-2813.

14. Jeong, J.-A. Characteristics of inkjet-printed nano indium-tin oxide particles for transparent conducting electrodes / J.-A. Jeong, H.-K. Kim // Current Applied Physics. - 2010. - Vol. 10, no. 4, Supplement, p. e105- e108. https://doi.org/10.1016/j.cap.2010.06.009

15. Minami, T. Transparent conducting oxide semiconductors for transparent electrodes / T. Minami // Semicond. Sci. Technol. - 2005. - Vol. 20, no. 4. - P. S35-S44. https://doi.org/10.1088/0268-1242/20/4/004

16. Ksenevich, V. Fabrication and characterization of transparent tin dioxide films with variable stoichiometric composition / V. Ksenevich [et al.] // Acta Physica Polonica A. - 2015. - Vol. 128, no. 5. - P. 861-863. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.128.861

17. Wang, Z. Transparent SnO-SnO2 p-n junction diodes for electronic and sensing applications / Z. Wang [et al.] // Advanced Materials Interfaces. - 2015. - Vol. 2, no. 18. - P. 1500374. https://doi.org/10.1002/admi.201500374

18. Zakaryan, H. Adsorption of the H and H2 O on SnO2 surfaces in an O2 environment: density functional theory study. - 2016. - Vol. 9, no. 4. - P. 283-293.

19. Rusling, J.F. Environmental electrochemistry: fundamentals and applications in pollution abatement / J.F. Rusling // J. Am. Chem. Soc. - 1998. - Vol. 120, no. 45. - P. 11837-11837. https://doi.org/10.1021/ja975699w

20. Zhang, C. Communication: Computing the Helmholtz capacitance of charged insulator-electrolyte interfaces from the supercell polarization / S. Zhang // J Chem Phys. - 2018. - Vol. 149, no. 3. - P. 031103. https://doi.org/10.1063/1.5038639

21. Sinha, A.K. Tin oxide with a p-n heterojunction ensures both UV and visible light photocatalytic activity / A.K. Sinha [et al.] // RSC Adv. - 2013. - Vol. 4, no. 1. - P. 208-211. https://doi.org/10.1039/C3RA42740D

22. Srinivasan, V. Phase-change annealing effects on electrical and optical properties of tin oxide thin films / V. Srinivasan // Journal of Optoelectronics and Advanced Materials. - 2010. - Vol. 12, no. 7. - P. 1485-1489.

23. Batzill, M. The surface and materials science of tin oxide / M. Batzill, U. Diebold // Progress in Surface Science. - 2005. - Vol. 79, no. 2. - P. 47-154. https://doi.org/10.1016/j.progsurf.2005.09.002

24. Ivanov, V.V. Poluchenie poroshkov SnO2 razlozheniem termicheski nestabil'nykh soedinenii / V.V. Ivanov [i dr.] // Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. - 2010. - T. 3, № 2. - S. 189-213.

25. Shatokhin, A.N. Gazochuvstvitel'nost' k vodorodu tonkikh plenok dioksida olova, poverkhnostno legirovanykh lazernoi plazmoi platiny razlichnoi struktury i zaryadovogo sostava / A.N. Shakhotin [i dr.] // Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 2. Khimiya. - 2009. - T. 50, № 6. - S. 468-471.

26. Sarmah, S. Optical properties of SnO2 nanoparticles / S. Sarmah, A. Kumar // Indian J Phys. - 2010. - Vol. 84, № 9. - P. 1211-1221. https://doi.org/10.1007/s12648-010-0109-9

27. Adamchuk, D.V. Impedansnaya spektroskopiya polikristallicheskikh plenok dioksida olova / D.V. Adamchuk [i dr.] // Pribory i metody izmerenii. - 2016. - T. 7, № 3. - S. 312-321. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2016-7-3-312-321

28. Shamala, K.S. Studies on tin oxide films prepared by electron beam evaporation and spray pyrolysis methods / K.S. Shamala, L.C.S. Murthy, Rao K. Narasimha // Bull Mater Sci. - 2004. - Vol. 27, no. 3. - P. 295-301. https://doi.org/10.1007/BF02708520

29. Srinivasan, V. Phase-change annealing effects on electrical and optical properties of tin oxide thin films / V. Srinivasan [et al.] // Institutional Repository IIT Bombay. - 2010. - Vol. 12, no. 7. - P. 1485-1489.

30. Sefardjella, H. Characterization of SnO2 obtained from the thermal oxidation of vacuum evaporated Sn thin films / H. Sefardjella [et al.] // Journal of Physics and Chemistry of Solids. - 2013. - Vol. 74, no. 12. - P. 1686- 1689. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2013.06.008

31. Abdullah, N. Preparation of tin oxide (SnO2 ) thin films using thermal oxidation / N. Abdullah, N.M. Ismail, D.M. Nuruzzaman // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. - 2018. - Vol. 319. - P. 012022. https://doi.org/10.1088/1757-899X/319/1/012022

32. Masterov, D.V. Thin films of YBaCuO hightemperature superconductor grown in a simplified magnetron sputterer and their microwave application / D.V. Masterov, S.A. Pavlov, A.E. Parafin, Yu.N. Drozdov // Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics. - 2007. - Vol. 52, no.10. - P. 1351-1355. https://doi.org/10.1134/S1063784207100167

33. Ryabtsev, C.V. Mekhanizmy okisleniya tonkikh metallicheskikh plenok olova / S.V. Ryabtsev [i dr.] // Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granitsy. - 2012. - T. 14, № 3. - P. 328-333.

34. Kondrashin, V.I. Opredelenie tolshchiny tonkikh opticheski prozrachnykh plenok SnO2 konvertnym metodom / V.I. Kondrashin // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Povolzhskii region. Tekhnicheskie nauki. - 2016. - № 2 (38). - S. 91-103.

35. Brus, V.V. Optical properties of TiO2 -MnO2 thin films prepared by electron-beam evaporation / V.V. Brus, Z.D. Kovalyuk, P.D. Maryanchuk // Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics. - 2012. - Vol. 57, no. 8. - P. 1148-1151. https://doi.org/10.1134/S1063784212080063

36. Brus, V.V. Osobennosti opticheskikh i elektricheskikh svoistv polikristallicheskikh plenok CdTe, izgotovlennykh metodom termicheskogo ispareniya / V.V. Brus [i dr.] // Fizika tverdogo tela. - 2014. - T. 56, № 10. - C. 1886-1890.

37. Baco, S. Study on optical properties of tin oxide thin film at different annealing temperature / S. Baco, A. Chik, F.M. Yassin // Journal of Science and Technology. - 2012. - Vol. 4, № 1. - P. 61-71.

38. Abraham, J.T. Oxidation mechanism involved in thin tin films / J.T. Abraham [et al.] // Indian Journal of Engineering and Materials Sciences. - 1996. - Vol. 3, no. 3. - P. 109-113.

39. Park, S.H. Tin oxide films made by physical vapor deposition-thermal oxidation and spray pyrolysis / S.H. Park [et al.] // Chem. Mater. - 1998. - Vol. 10, no. 9. - P. 2389-2398. https://doi.org/10.1021/cm970672x

40. Saravanakumar, M. Structural and ferromagnetic investigation of the size effects in pure and Co doped SnO2 nano particles / M. Saravanakumar [et al.] // International journal of chemical sciences. - 2015. - Vol. 13, no. 2. - P. 605-606.

41. Boroojerdian, P. Structural and Optical Study of SnO Nanoparticles Synthesized Using Microwave- Assisted Hydrothermal Route / P. Boroojerdian // International Journal of Nanoscience and Nanotechnology. - 2013. - Vol. 9, no. 2 - P. 95-100.

42. Sangaletti, L. Oxidation of Sn thin films to SnO2 . Micro-raman mapping and X-ray diffraction studies / L. Sangaletti // Journal of Materials Research. - 1998. - Vol. 13, no. 9. - P. 2457-2460. https://doi.org/10.1557/JMR.1998.0343P

43. Shahtahmassebi, N. Fabrication and characterization of Silver-Tin dioxide core-shell structured nanocomposite particles // Materials Physics and Mechanics. - 2013. - Vol. 17, no. 1. - P. 29-32.

44. Ahn, H.-J. Investigation of the structural and electrochemical properties of size-controlled SnO2 nanoparticles / H.-J. Ahn [et al.] // J. Phys. Chem. B. - 2004. - Vol. 108, no. 28. - P. 9815-9820. https://doi.org/10.1021/jp035769n