Исследуемые образцы - пленки InSb, CdTe и их твердых растворов получали дискретным термическим напылением в вакууме (Тконд.= 298 К, Р = 1,33×10-3 Па) на электродные площадки пьезокварцевых резонаторов с последующим отжигом в парах исходного материала [1,2]. Порошки твердых растворов получали методом изотермической диффузии бинарных компонентов в вакуумированных запаянных кварцевых ампулах при температурах, превышающих температуру плавления InSb - легкоплавкого компонента [3]. Состав полученных твердых растворов определялся пределами взаимной растворимости бинарных компонентов (до 6 мол. % InSb в CdTe и до 5 мол. % CdTe в InSb). Методы определения толщины, структуры пленок, исследования адсорбции, изменения электропроводности, получения адсорбатов описаны в [2, 4, 5].
Об образовании в системе InSb-CdTe твердых растворов замещения свидетельствуют результаты рентгенографических, термографических, ИК- спектроскопических, электрофизических исследований [6].
Адсорбционные свойства компонентов системы InSb-CdTe наиболее подробно изучены по отношению к диоксиду азота, как наиболее активному в выбранной серии газов.
Величины адсорбции NO2 на всех компонентах системы укладываются в пределе α∙10-4 - α∙10-3 моль/м2. Опытные зависимости адсорбции имеют сходный характер для всех компонентов и свидетельствуют о протекании при температурах ниже 273 К физической, а при более высоких - химической активированной адсорбции. Такое заключение подтверждают результаты термодинамического и кинетического анализов: теплоты адсорбции и средние значения энергии активации, рассчитанные описанными в [2,4] способами, составляют соответственно 6,1-13,4 и 43-86 кДж/моль.
Наблюдаемые падение теплоты и рост энергии активации адсорбции с заполнением поверхности, как и спрямляемость кинетических изотерм в логарифмических координатах, указывают на неоднородный характер поверхности и присутствие на ней различных по силе и энергетическому состоянию активных центров. Об этом же говорят и результаты ранее выполненных исследований кислотно-основных свойств поверхности данных адсорбентов [7].
С учетом кислотно-основных свойств поверхности адсорбентов и электронного строения молекул NO2 высказано предположение о донорно-акцепторном механизме адсорбции NO2 (по аналогии с адсорбцией СО2 [8]), протекающей с преимущественным участием поверхностных атомов А (с более выраженными металлическими свойствами) и вакансий атомов В при донорной функции молекул адсорбата (NO2). Такую функцию молекул адсорбата подтверждает отмеченный рост электропроводности (s) в условиях адсорбции NO2.
При сопоставлении бинарных и четверных компонентов (твердых растворов) системы InSb-CdTe как адсорбентов по отношению к NO2 обнаружены сходство в их поведении и специфические особенности твердых растворов. На специфические особенности твердых растворов указывают наличие экстремумов на диаграммах «адсорбционная характеристика - состав» (рис. 1). Найденный с помощью этих диаграмм наиболее активный по отношению к NO2 компонент системы - твердый раствор (InSb)0,03 (CdTe)0,97 - предложен в качестве материала для сенсора-датчика на микропримеси NO2. В связи с этим были проведены исследования изменения его электропроводности, наряду с остальными компонентами системы, под влиянием как NO2, так и, с целью выяснения селективности, смесей NO2 с другими газами.
Как показали данные исследования, при комнатной температуре антимонид индия практически не чувствителен к NO2. С увеличением содержания в системе InSb-CdTe теллурида кадмия чувствительность к NO2 возрастает и становится наибольшей у твердого раствора (InSb)0,95 (CdTe)0,05 (рис. 2). При повышении температуры возрастает чувствительность к NO2 всех компонентов системы, но особенно заметно - твердого раствора (InSb)0,95 (CdTe)0,05. Влияет на чувствительность (величину сигнала на NO2) и объемная скорость (Vоб) газа-носителя (аргона). Наиболее оптимальной для твердого раствора (InSb)0,95 (CdTe)0,05 оказалась Vоб = 8 мл/мин (рис. 2).
Рис. 1. Зависимости величин адсорбции (1), энергии активации (2) и теплоты (3) адсорбции от состава системы InSb-CdTe при Рн = 8 Па и Т = 300 (1, 3) и 300-358 К (2)
Рис. 2. Зависимости изменения удельной электропроводности тонких пленок компонентов системы InSb-CdTe от состава (при содержании NO2 в пробе 10 мкг, Т = 20 оС, объемной скорости газа-носителя 8 мл/мин) и тонкой пленки твердого раствора (InSb)0,95 (CdTe)0,05 от объемной скорости газа-носителя (Vоб).
Поскольку твердый раствор (InSb)0,95 (CdTe)0,05 рекомендован в качестве материала для сенсора-датчика на микропримеси NO2, важно было оценить время восстановления исходного значения его удельной электропроводности (время релаксации) после контакта с определяемым газом (NO2) и селективность к этому газу в присутствии других газов (в данном случае СО, SO2). Время релаксации в среде аргона, в зависимости от концентрации NO2 и температуры, составляет 2-7 мин, заметно уменьшаясь с повышением температуры.
Наибольшую селективность к оксиду азота твердый раствор (InSb)0,95 (CdTe)0,05 проявляет при комнатной температуре: присутствие в пробе СО и SO2 (с превышением над содержанием NO2 в 4 раза) практически не влияет на величину сигнала на NO2. С повышением температуры до 80 оС величина сигнала на NO2 незначительно уменьшается и обнаруживается некоторая чувствительность к СО и SO2.
Таким образом, получены твердые растворы системы InSb-CdTe (в форме порошков и пленок), которые аттестованы с привлечением рентгенографического, термографического, ИК-спектроскопического и электрофизического методов. Изучены их адсорбционные и электронные (изменение удельной электропроводности) свойства при контакте с NО2, NО2+SO2, NO2+CО, наряду с бинарными компонентами (InSb, CdTe). Установлены механизмы и закономерности в изменении этих свойств. Найден адсорбент (твердый раствор состава (InSb)0,95 (CdTe)0,05), обладающий наибольшей поверхностной (адсорбционной и электронной) чувствительностью и селективностью по отношению к NO2 уже при комнатной температуре, что позволило рекомендовать его в качестве материала для соответствующего сенсора-датчика.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- Тонкие пленки антимонида индия. Кишинев: Штиинца, 1989. -162 с.
- Кировская И.А. Поверхностные свойства алмазоподобных полупроводников. Адсорбция газов. Иркутск: Изд-во ИГУ, 1984. -186 с.
- Кировская И.А. Поверхностные свойства алмазоподобных полупроводников. Твердые растворы. Томск: Изд-во ТГУ, 1984. -160 с.
- Кировская И.А. Адсорбционные процессы. Иркутск: Изд-во ИГУ, 1995. 300 с.
- Кировская И.А., Азарова О.П., Шубенкова Е.Г., Дубина О.Н. Синтез и оптическое поглощение твердых растворов систем InSb-AIIBVI // Неорган. материалы, 2002. Т. 38, № 2. С. 667-671.
- Кировская И.А., Миронова Е.В. Синтез и свойства новых материалов - твердых растворов (InSb)х (CdTe)1-х) // Доклады АН ВШ РФ, 2007. № 1(8). С. 1-10.
- Кировская И.А., Миронова Е.В. Кислотно-основные свойства поверхности твердых растворов InSb-CdTe // Журн.физ.химии, 2005. Т. 79. № 4. С. 755-758.
- Кировская И.А. Поверхностные явления. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001.- 175 с.
Библиографическая ссылка
Кировская И.А., Миронова Е.В., Быкова Е.И. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АДСОРБЦИОННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И СЕЛЕКТИВНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ КОМПОНЕНТОВ СИСТЕМЫ InSb-CdTe // Современные наукоемкие технологии. – 2007. – № 9. – С. 36-38;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=25468 (дата обращения: 03.12.2024).