Дипломы, курсовые, рефераты, контрольные...
Срочная помощь в учёбе

Оптические, электрические и фотоэлектрические свойства нанокристаллического оксида индия

Диссертация: Оптические, электрические и фотоэлектрические свойства нанокристаллического оксида индия
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Оксид индия (1п203) находит широкое применение в современной технике. Будучи оптически прозрачным широкозонным полупроводником, оксид индия используется для производства компонент высокомощных полупроводниковых приборов (тиристоров, варисторов и др.), ультрафиолетовых фильтров, фотодетекторов, фотопреобразователей, оптоэлектронных устройств. В то же самое время оксид индия является чувствительным… Читать ещё >

Содержание

  • ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
    • 1. 1. Получение и структура нанокристаллического оксида индия
    • 1. 2. Зонная структура и оптические свойства нанокристаллического оксида индия
    • 1. 3. Электрические свойства оксида индия
    • 1. 4. Фотоэлектрические свойства оксида индия
    • 1. 5. Влияние адсорбции различных газов на проводимость нанокристаллического оксида индия
    • 1. 6. Выводы из обзора литературы и постановка задачи
  • ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАННЫЕ ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
    • 2. 1. Получение образцов
    • 2. 2. Структурные свойства исследуемых образцов
    • 2. 3. Методика исследования электрических свойств (статическая и динамическая электропроводность)
    • 2. 4. Методика исследования фотоэлектрических свойств нанокристаллического оксида индия
    • 2. 5. Методика регистрации спектров пропускания и отражения нанокристаллического оксида индия
    • 2. 6. Методика исследования оптических свойств нанокристаллического оксида индия с помощью спектроскопии диффузного отражения
    • 2. 7. Методика исследования влияния адсорбции диоксида азота на электрические свойства нанокристаллического оксида индия
  • ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ОКСИДА ИНДИЯ
    • 3. 1. Темновая проводимость нанокристаллического оксида индия
      • 3. 1. 1. Статическая проводимость нанокристаллического оксида индия
      • 3. 1. 2. Динамическая проводимость нанокристаллического оксида индия
    • 3. 2. Исследование влияния адсорбции диоксида азота на электропроводность нанокристаллического оксида индия
      • 3. 2. 1. Статическая проводимость нанокристаллического оксида индия
      • 3. 2. 2. Динамическая проводимость нанокристаллического оксида индия
  • ГЛАВА 4. ОПТИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ОКСИДА ИНДИЯ
    • 4. 1. Оптические свойства нанокристаллического оксида индия
    • 4. 2. Спектральная зависимость фотопроводимости нанокристаллического оксида индия
    • 4. 3. Релаксация фотопроводимости нанокристаллического оксида индия

Оптические, электрические и фотоэлектрические свойства нанокристаллического оксида индия (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Актуальность темы

Оксид индия (1п203) находит широкое применение в современной технике. Будучи оптически прозрачным широкозонным полупроводником, оксид индия используется для производства компонент высокомощных полупроводниковых приборов (тиристоров, варисторов и др.), ультрафиолетовых фильтров, фотодетекторов, фотопреобразователей, оптоэлектронных устройств. В то же самое время оксид индия является чувствительным к содержанию в атмосфере таких газов, как N0, N02, СО, С02, 03, что делает его одним из основных материалов для создания сенсоров резистивного типа, детектирующих указанные газы. В последнее время внимание исследователей в области сенсорики привлекают образцы нанокристаллического оксида индияматериала, состоящего из зерен кристаллического 1п203 нанометрового размера. Дело в том, что уменьшая размер нанокристаллов, можно заметно увеличить удельную поверхность образца, что приведет к увеличению чувствительности сенсора на основе 1п20з. Поскольку сенсоры на основе 1п203 являются приборами резистивного типа (т.е. их сопротивление меняется в результате адсорбции), то первоочередной вопрос для создания таких сенсоров с оптимальными характеристиками состоит в выяснении механизмов переноса носителей заряда в нанокристаллическом 1п203. Этот же вопрос является важным и в случае использования нанокристаллического 1п203 при создании электронных и оптоэлектронных приборов. На данный момент большинство работ посвящено исследованию электрического транспорта в хорошо проводящем и прозрачном в видимой области спектра сложном оксиде на основе 8п02 и 1п203 (именуемом в литературе как 1Т0). Существуют также работы по механизмам проводимости в монокристаллическом и поликристаллическом (состоящем из кристаллов микронного размера) 1п203. Однако переход в область нанометровых размеров может существенным образом изменить как величину проводимости, так и механизм переноса носителей заряда, за счет появления большого числа локализованных поверхностных состояний и, возможно, проявления квантово-размерных эффектов. В настоящее время не существует единой точки зрения на механизмы переноса носителей заряда в нанокристаллическом 1п203. Кроме того, не установлена корреляция между электрическими и структурными свойствами (размером нанокристаллов, величиной площади удельной поверхности) нанокристаллического 1п203.

Как для практических приложений, так и для выяснения фундаментальных закономерностей необходимо изучить вопрос о влиянии адсорбции молекул на электрофизические свойства образцов нанокристаллического 1п20з с различным размером нанокристаллов. На данный момент продолжается дискуссия о влиянии адсорбции молекул на транспорт носителей заряда в нанокристаллическом 1п203. Также не проведено систематических исследований зависимости проводимости нанокристаллического 1п203 в условиях адсорбции молекул от размеров нанокристаллов. В частности, нет данных по изменению чувствительности нанокристаллического 1п203 к адсорбции молекул >Ю2 при уменьшении размеров нанокристаллов до единиц нанометров.

Одно из активно развивающихся сейчас направлений газовой сенсорики — это создание полупроводниковых газовых сенсоров, работающих в условиях дополнительной подсветки. Важным для использования нанокристаллического 1п203 в таких приборах является вопрос о его оптических и фотоэлектрических свойствах. Исследование оптических и фотоэлектрических свойств нанокристаллического 1п203 также является ключевым и в случае создания на его основе фотодетекторов, фотопреобразователей и иных оптоэлектронных устройств. На данный момент процессы, определяющие оптические свойства и фотопроводимость нанокристаллического 1п203, однозначно не установлены.

Цель настоящей диссертационной работы — проведение фундаментальных исследований электрических, оптических и фотоэлектрических свойств нанокристаллического оксида индия с различным размером нанокристаллов с целью определения механизмов генерации, переноса и рекомбинации носителей заряда и выявления корреляции между структурными особенностями (размером нанокристаллов и площадью удельной поверхности) нанокристаллического оксида индия и его исследуемыми свойствами.

Научная новизна. В результате проведенных в диссертационной работе исследований получен ряд новых результатов по проводимости, фотопроводимости, оптическим свойствам и влиянию адсорбции активных молекул на проводимость нанокристаллического 1п203:

1. В области температур Т=5(К300 К определены механизмы переноса носителей заряда в образцах нанокристаллического 1п203 с размерами нанокристаллов от 7 до 20 нм.

2. Определен «оптимальный» размер нанокристаллов, при котором наблюдается максимальная чувствительность к диоксиду азота.

3. Определена оптическая ширина запрещенной зоны в образцах нанокристаллического оксида индия с размерами нанокристаллов от 7 до 20 нм.

4. Исследована спектральная зависимость фотопроводимости образцов нанокристаллического оксида индия со средними размерами нанокристаллов от 7 до 20 нм. Обнаружено, что в области энергий падающего излучения ^"3,2 эВ (практически совпадающей для образцов с различным размером нанокристаллов) наблюдается максимальное значение фотопроводимости нанокристаллического 1п203. В то же время установлено, что размер нанокристаллов влияет на значение энергии падающего излучения, при котором появляется фотопроводимость.

5. Исследованы кинетики спада фотопроводимости нанокристаллического оксида индия в воздухе, вакууме и аргоне. Обнаружено, что после выключения освещения наблюдается долговременной спад фотопроводимости (уменьшение фотопроводимости в е раз происходит за время порядка нескольких часов и зависит от размера нанокристаллов и окружающей атмосферы), описываемый растянутой экспонентой.

6. Установлено, что характерное время спада фотопроводимости нанокристаллического оксида индия уменьшается с уменьшением размера нанокристаллов. Предложена модель, объясняющая долговременной спад фотопроводимости.

Основные положения, выносимые на защиту. В рамках проведенных исследований получены следующие основные результаты, выносимые на защиту:

1. В температурном интервале То<�Т<300 К (То=200 К для образца со средним размером нанокристаллов 7 нм, То=170 К для образца со средним размером нанокристаллов 12 нм и То=160 К для образца со средним размером нанокристаллов 20 нм) перенос носителей заряда в нанокристаллическом оксиде индия происходит по делокализованным состояниям.

2. Транспорт электронов при Т<�Т0 в нанокристаллическом оксиде индия происходит за счет прыжков по локализованным состояниям, находящимся вблизи уровня Ферми.

3. При адсорбции диоксида азота механизм переноса носителей заряда в нанокристаллическом оксиде индия не изменяется, но наблюдается резкое уменьшение величины проводимости 1П2О3. При этом чувствительность (отношение проводимостей образца до и после адсорбции) нанокристаллического оксида индия изменяется немонотонным образом в зависимости от размера нанокристаллов. Такая немонотонность может быть объяснена зависимостью чувствительности 1п20з от площади удельной поверхности образца и начальной (до адсорбции) концентрации свободных электронов в нем.

4. Оптическая ширина запрещенной зоны нанокристаллического оксида индия с размером нанокристаллов от 7 до 20 нм равна 2.8±0.1 эВ.

5. Спектральная зависимость фотопроводимости нанокристаллического оксида индия с размером нанокристаллов от 7 до 20 нм имеет максимум в районе Ьу"3,2 эВ. Рост фотопроводимости при увеличении энергии кванта в области 2,8 эВ<�Ьу<3,2 эВ может быть связан с увеличением оптического поглощения вблизи края поглощения. Уменьшение фотопроводимости с ростом энергии кванта в области Ьу>3,2 эВ, по-видимому, объясняется растущей ролью поверхностной рекомбинации.

6. Образец, обладающий минимальным размером нанокристаллов (7−8 нм) является фоточувствительным к зеленому свету (фотопроводимость зарегистрирована, начиная с энергии квантов 2.25 эВ), что может быть объяснено генерацией электронов с примесных уровней, находящихся в запрещенной зоне.

7. Релаксация фотопроводимости нанокристаллического оксида индия после выключения освещения описывается растянутой экспонентой. Наблюдаемая кинетика спада фотопроводимости может быть описана моделью, учитывающей зависимость от времени коэффициента диффузии атомов кислорода.

Практическая ценность данной работы. Полученные в работе результаты представляют несомненный интерес с точки зрения установления фундаментальных закономерностей электронного переноса в ансамблях связанных нанокристаллов. Данные о проводимости, фотопроводимости, оптическом поглощении и отражении нанокристаллического оксида индия могут быть использованы при создании фотоэлектронных устройств на основе 1п203. Результаты по влиянию адсорбции NO2 на электрические свойства пленок оксида индия могут быть полезны для производства сенсора резистивного типа на диоксид азота. Данные о фотопроводимости и адсорбции NO2 также могут быть применены для разработки полупроводникового газового сенсора, работающего при комнатной температуре в режиме оптической подсветки.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: «II Международный форум по нанотехнологиям Rusnanotech — 2009», Москва, 2009; XI и XIII Международных Научно-Практических Конференциях «Современные информационные и электронные технологии», Одесса, Украина, 2010, 2012; 5th and 6th International Conference On Materials Science and Condensed Matter Physics, Chisinau, Moldova, 2010, 2012; XVII и XIX Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов», Москва, 2010, 2012; VII Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», Санкт-Петербург, 2012; V Всероссийской школы — семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Диагностика наноматериалов и наноструктур», Рязань, 2012; 10 Курчатовской молодежной научной школы, Москва, 2012; 14 Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой оптои наноэлектронике, Санкт-Петербург, 2012.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 15 работ (4 статьи в рецензируемых научных журналах и 11 публикаций в сборниках тезисов докладов и трудов международных и российских конференций), список которых приведен в конце диссертации.

Личный вклад автора. В основу диссертации легли результаты исследований, проведенные автором в период 2009 — 2013 годов на кафедре общей физики и молекулярной электроники физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова. Личный вклад автора в диссертационную работу заключается в проведении всех описанных в диссертационной работе экспериментов, обработке и анализе полученных результатов.

Содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения.

1.6. Выводы из обзора литературы и постановка задачи.

Как видно из обзора литературы, существует большое многообразие методов получения нанокристаллического оксида индия, однако, золь-гель метод является одним из методов, позволяющих создавать нанокристаллический оксида индия с размером нанокристаллов от единиц до десятков нанометров.

Все исследования электрических свойств moho-, поликристаллических и аморфных образцов оксида индия сводятся к изучению изменения концентрации и подвижности носителей заряда вследствие повышения температуры подложки в процессе осаждения на неё пленки 1п203, легирования металлами (Sn, Zn, Со, Mn, Mg и др.) и построения модели рассеяния носителей заряда на ионизованных и нейтральных примесях. В то же самое время на настоящий момент времени не определены механизмы переноса носителей заряда в нанокристаллическом оксиде индия. Не изучены электрические свойства оксида индия с малым размером нанокристаллов (до 20 нм) и не выявлено влияние малого размера нанокристаллов на проводимость нанокристаллического 1П2О3.

При изучении влияния адсорбции активных молекул на поверхности 1п203 авторы работ изучают только чувствительность и селективность оксида индия к тому или иному газу, однако, влияние адсорбции активных молекул на проводимость нанокристаллического оксида индия не изучено. Кроме того, в литературе отсутствуют данные о влиянии размера нанокристаллов на проводимость оксида индия при адсорбции газов-окислителей. Отсутствует также модель, объясняющая влияние адсорбции на перенос носителей заряда в нанокристаллическом оксиде индия.

На настоящий момент времени нет единой точки зрения о величине оптической ширины запрещенной зоны в нанокристаллическом оксиде индия. Более того, все исследования по изучению оптических свойств с целью выяснения оптической ширины запрещенной зоны и построения зонной модели проводились на монокристаллических и поликристаллических образцах оксида индия. Оптические свойства оксида индия с малым размером нанокристаллов изучены не были.

Как следует из обзора литературы, на настоящий момент времени не существует общепринятой модели, объясняющей явление долговременного спада фотопроводимости после прекращения УФ освещениия. Кроме того, в вопросе определения зонной структуры и оптической ширины запрещенной зоны важную информацию можно получить из спектров фотопроводимости. Сведения о спектральной зависимости фотопроводимости нанокристаллического 1п203 также отсутствуют в литературе.

Таким образом, основными задачами данной диссертационной работы являлись:

1. Исследование электрических свойств нанокристаллического оксида индия с различным размером нанокристаллов с целью определения механизмов переноса носителей заряда и выяснения влияния структурных особенностей (размера нанокристаллов и площади удельной поверхности) на проводимость исследуемого материала.

2. Изучение влияния адсорбции активных молекул-окислителей (на примере диоксида азота N02) на проводимость нанокристаллического оксида индия с различным размером нанокристаллов.

3. Исследование оптических свойств нанокристаллического оксида индия с целью определения оптической ширины запрещенной зоны и влияния на нее размеров нанокристаллов.

4. Изучение фотоэлектрических свойств нанокристаллического оксида индия с малым размером нанокристаллов с целью определения механизма, объясняющего фотоэлектрические особенности исследуемого материала.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАННЫЕ ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА.

ИЗМЕРЕНИЙ.

2.1. Получение образцов.

В настоящей работе был исследован набор нанокристаллических образцов оксида индия, отличающихся размером нанокристаллов, изготовленных на Химическом факультете Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова. Синтез нанокристаллических образцов 1п20з проводили золь-гель методом [92]. К раствору 10 г 1п (1чЮз)з-4.5Н20 в 100 мл деионизованной воды при перемешивании добавляли 1 моль раствора аммиака в деионизованной воде до достижения рН ~ 8.0-^8.5. Синтез проводили при комнатной температуре, выдерживая исходный раствор с осадком 1 час. Затем студенистый осадок гидроксида индия отделяли центрифугированием, промывали деионизованной водой до начала пептизации для удаления нитрат-ионов. Полученный гель высушивали в течение 24 часов при 50 °C, затем отжигали в печи при различных температурах в течение 24 часов.

2.2. Структурные свойства исследуемых образцов.

Фазовый состав и степень дисперсности порошков исследовали методом рентгеновской дифракции на приборе ДРОН-4−07 с использованием излучения линии Ка меди (длина волны 1.5418 А). Съемку проводили в диапазоне 10° - 70° с шагом 0.1°. Рентгенограммы анализировались с помощью программного обеспечения БТОЕ УшХРОУУ. 1.06.

Величины областей когерентного рассеяния рентгеновских лучей, соответствующие средним размерам нанокристаллов, определялись из уширения рефлексов рентгеновской дифракции по формуле Дебая-Шерера где ?=0.9- Я — длина волны излучения (1.52 А), в — угол, соответствующий максимуму рефлекса, а величину уширения /? вычисляли по формуле: набл «пр

2.2), где /?набл — определяемая по дифрактограмме ширина рефлекса на половине высоты, /?прприборное уширение (принимали равным 0.09°). Расчет областей когерентного рассеяния рентгеновских лучей, соответствующих средним размерам нанокристаллов, проводили по рефлексам In203 (110), и Аи (200).

Измерения площади удельной поверхности образцов производили методом низкотемпературной адсорбции азота, расчеты выполняли согласно модели Брунауэра, Эммета, Теллера [93]. Эксперименты осуществляли в одноточечном режиме на приборе для исследования свойств поверхности Chemisorb 2750 (Micromeritics). Навеску порошка образца ~ 100 мг помещали в проточную пробирку и предварительно выдерживали в потоке Не (50 мл/мин) при 250 °C в течение 1 часа. Затем, пропуская через систему поток (12 мл/мин) газовой смеси N2: He (30 об. % N2), охлаждали образец до температуры кипения жидкого азота (77 К). Величины удельной поверхности вычисляли по отношению абсолютной площади навески к ее массе. Абсолютную площадь навески рассчитывали по формуле [93]: стандартное давление (1 бар), Уа — поглощенный в ходе измерений объем азота, пересчитанный на стандартные условия (мл). Погрешность в определении площади.

На рис. 2.1 приведены рентгенограммы образцов 1п20з, отожженных при температурах 300, 500 и 700 °C. Анализ полученных рентгенограмм показал, что все образцы характеризуются кубической модификацией кристаллического оксида индия. Большая интенсивность дифракционных пиков показывает, что кристаллическая фаза является наноразмерной. При этом размеры нанокристаллов тем больше, чем выше температура отжига образца. Рассчитанная постоянная решетки (а = 1.018 нм) для нанокристаллического оксида индия находится в согласии с известным параметром для кристаллического оксида индия In203 (а = 1.0117 нм). Обозначения образцов, температуры отжига, при которых они получены, и результаты определенных методом.

2.3) 2 где Ба — абсолютная площадь поверхности навески (м), АЫ2 — площадь молекулы азота.

9п 9.

16.21−10″ м), Ут — объем монослоя (мл), р — парциальное давление азота (0.3 бар), р0 поверхности данным методом составляет ±-5м2. рентгеновской дифракции размеров нанокристаллов образцов сведены в Таблице 2.1. Также в этой таблице приведены рассчитанные значения удельной поверхности образцов. х н о.

J3 Б о X ш о.

X q) IX.

10 20 30 40 50 60 20, град.

Рис. 2.1. Рентгенограммы образцов 1п203, отожжённых при температурах: (1) — 300 £С, (2) — 500 °C,.

3) — 700 °C.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе исследованы оптические, электрические и фотоэлектрические свойства образцов нанокристаллического оксида индия с различным размером нанокристаллов (7−20 нм), синтезированных золь-гель методом. Проведены исследования по влиянию адсорбции диоксида азота на электрические свойства исследуемых образцов. Получены следующие основные результаты:

1. Исследованы электрические свойства нанокристаллического 1п20з на постоянном токе в области температур Т=50-^300 К. Обнаружено, что при высоких температурах Т>Т0 (Т0 = 200 К для образца со средним размером нанокристаллов 7 нм, Т0 =170 К для образца со средним размером нанокристаллов 12 нм и Т0 =160 К для образца со средним размером нанокристаллов 20 нм) проводимость активационным образом зависит от температуры. При низких температурах Т< Т0 зависимость проводимости от температуры подчиняется закону Мотга, что указывает на прыжковый механизм переноса носителей заряда с переменной длиной прыжка по локализованным состояниям, находящимся вблизи уровня Ферми.

2. Исследования проводимости на переменном токе нанокристаллического оксида индия в области температур Т=50н-300 К показали, что при высоких температурах Т>Т0 проводимость нанокристаллического 1п20з не зависит от частоты. В совокупности с полученными результатами по проводимости на постоянном токе это позволяет сделать вывод, что в данной области температур перенос носителей заряда (электронов) осуществляется по зоне проводимости. При Т<�То проводимость степенным образом зависит от частоты с показателем степени порядка 0.6, что подтверждает вывод о прыжковом механизме переноса электронов в области низких температур.

3. Установлено, что при наличии в атмосфере диоксида азота механизм переноса носителей заряда в нанокристаллическом оксиде индия не изменяется, но наблюдается резкое уменьшение проводимости 1п20з. При этом величина чувствительности (отношение проводимости образца до адсорбции к проводимости после адсорбции N02) немонотонным образом зависит от размера нанокристаллов. Максимальную чувствительность к диоксиду азота демонстрирует образец со средним размером нанокристаллов (10−12 нм). Такая немонотонность может быть объяснена зависимостью чувствительности 1п20з от площади удельной поверхности образца и начальной (до адсорбции) концентрации свободных электронов в нем.

4. Совместные исследования оптических спектров поглощения и диффузного отражения показывают, что оптическая ширина запрещенной зоны в образцах нанокристаллического оксида индия (со средним размером нанокристаллов от 7 до 20 нм) равна 2.8±0.1 эВ. Коэффициент поглощения отличен от нуля и в области энергий квантов меньших оптической ширины запрещенной зоны. Это может свидетельствовать о наличии локализованных состояний в запрещенной зоне нанокристаллического оксида индия.

5. Измерены спектральные зависимости фотопроводимости исследуемых образцов нанокристаллического 1п203. Обнаружено, что при энергии 2.8 эВ, равной оптической ширине запрещенной зоны в исследуемых образцах, начинается резкий рост фотопроводимости, который достигает своего максимума при энергиях 3.2 — 3.3 эВ, а затем наблюдается спад фотопроводимости. Рост фотопроводимости при увеличении энергии кванта в области 2,8 эВ<�Ьу<3,2 эВ может быть связан с увеличением оптического поглощения вблизи края поглощения. Уменьшение фотопроводимости с ростом энергии кванта в области Ьу>3,2 эВ может объясняться растущей ролью поверхностной рекомбинации.

6. Установлено, что образец, обладающий минимальным размером нанокристаллов (7−8 нм) является фоточувствительным к зеленому свету (фотопроводимость зарегистрирована, начиная с энергии квантов 2.25 эВ), что может быть объяснено генерацией электронов с локализованных уровней, находящихся в запрещенной зоне.

7. Измерены временные зависимости спада фотопроводимости образцов нанокристаллического оксида индия при выключении УФ освещения с энергией квантов 3.2 эВ. Обнаружено, что спад фотопроводимости описывается растянутой экспонентой. Из анализа спада фотопроводимости на воздухе, в вакууме и аргоне следует, что кинетика спада фотопроводимости зависит от наличия молекул кислорода в атмосфере. На основании полученных результатов предложена модель, объясняющая наблюдаемый спад фотопроводимости, в которой учитывается диффузия атомов кислорода, характеризуемая степенной зависимостью коэффициента диффузии от времени.

СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

1п203 Оксид индия (III).

Sn02 Диоксид олова (IV).

ITO Сложный оксид на основе оксида индия.

III) и диоксида олова (IV).

N02 Диоксид азота (IV).

W03 Оксид вольфрама (VI).

ZnO Оксид цинка (II).

УФ излучение Ультрафиолетовое излучение.

В заключение автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, заведующему кафедрой общей физики и молекулярной электроники профессору П. К. Кашкарову. Также хочу поблагодарить профессора С. Н. Козлова, доцента П. А. Форша и научного сотрудника М. Н. Мартышова за неоценимую помощь и поддержку во время выполнения диссертационной работы. Считаю своим приятным долгом поблагодарить профессора A.M. Гаськова, доцента М. Н. Румянцеву за ценные дискуссии, комментарии и дополнения, а также помощь в синтезировании образцов, доцента В. Б. Зайцева за помощь в измерении спектров диффузного отражения. Выражаю свою признательность всем сотрудникам кафедры общей физики и молекулярной электроники за неизменно доброе отношение и помощь на протяжении всех лет обучения.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Xu, Н., Zhou, Н., Zhu, G., Chen, J., Liao, C. Synthesis of tin-doped indium oxide nanoparticles by an ion-exchange and hydrothermal process // Mater. Lett. 2006. -V. 60.-P. 983−985.
  2. Girtan, M. and Folcher, G. Structural and optical properties of indium oxide thin films prepared by an ultrasonic spray CVD process // Surf. Coat. Tech. 2003. — V. 172.-P. 242−250.
  3. Girtan, M. The influence of post-annealing treatment on the electrical properties of In203 thin films prepared by an ultrasonic spray CVD process // Surf. Coat. Tech. -2004.-V. 184.-P. 219−224.
  4. Alain C. Pierre. Introduction to sol-gel processing // Boston: Kluwer Academic Publishers, 1998.-404 P.
  5. , Е.П., Яновская, М.И., Турова, Н. Я. Использование алкоголятов металлов для получения оксидных материалов // Неорган. Материалы. 2000. -Т. 36.-№ 3.-С. 330−341.
  6. Jiang, X., Wang, Y., Herricks, Т. and Xia, Y. Ethylene glycol-mediated synthesis of metal oxide nanowires // J. Mater.Chem. 2004. — V. 14. — P. 695−703.
  7. Atashbar, M.Z., Gong, В., Sun, H.T., Wlodarski, W., Lamb, R. Investigation on ozone-sensitive ln203 thin films // Thin Solid Films. 1999. — V. 354. — P. 222−226.
  8. Byrappa, K., Yoshimura, M. A. Technology for crystal growth and materials processing // Handbook of hydrothermal technology / Norwich, New York: William Andrew Publishing, 2000. 870 P.
  9. Frycek, R., Myslik, V., Vrnata, M., Vyslouzil, F., Jelinek, M., Nahlik, J. Laser deposited thin organic and inorganic active layers for low temperature ozone sensors // Sens. Actuat. B. 2004. — V. 98. — P. 233−238.
  10. Cantalini, C., Wlodarski, W., Atashbar, M.Z., Sun, H.T., Passacantando, M., Santucci, S. N02 response of ln203 thin film gas sensors prepared by sol-gel and vacuum thermal evaporation techniques // Sens. Actuat. B. 2000. -V. 65. — P. 101 104.
  11. Zhu H., Wang, X., Qian, L., Yang, F., and Yang, X. Nanoporous ln203 nanocrystal clusters: one-step synthesis, thermal stability and optical property // J. Phys. Chem. C. 2008. — V. 112. — P. 4486−4491.
  12. Marezio, M. Refinement of the crystal structure of In203 at two wavelengths // Acta Cryst. 1966. — V. 20. — P. 723 — 728.
  13. , R., В., H., Ban, Т., Ohya, Y., Takahashi Y. Optical, structural, and electrical properties of indium oxide thin films prepared by the sol-gel method // J. Appl. Phys. 1997. — V. 82. — № 2. — P. 865−870.
  14. Bagheri-Mohagheghi, M.-M., Shahtahmasebi, N., Mozafari, E., Shokooh-Saremi, M. Effect of the synthesis route on the structural properties and shape of the indium oxide (ln203) nano-particles // Physica E. 2009. -V. 41. — P. 1757−1762.
  15. Вол, A.E., Каган, И. К. Строение и свойства двойных металлических систем // М.: Наука, 1976. Т.З. — С. 335−336.
  16. Hamberg, I., Granqvist, С. G. Evaporation Sn-doped ln203 films: basic optical properties and applications to energy-efficient windows // J. Appl. Phys. 1986. — V. 60.-P. R123-R159.
  17. Granqvist, C.G., Hu taker, A. Transparent and conducting ITO films: new developments and applications // Thin Solid Films. 2002. — V. 411. — P. 1−5.
  18. Erhart, P., Klein, A., Egdell, R.G., Albe, K. Band structure of indium oxide: Indirect versusdirect band gap // Phys. Rev. B. 2007. — V. 75. P. 153 205−1-4.
  19. Klein, A. Electronic properties of ln203 surfaces // Appl. Phys. Lett. 2000. — V. 77. -P. 2009−2011.
  20. McGuinness, C., Stagarescu, С. В., Ryan, P. J. Influence of shallow core-level hybridization on the electronic structure of post-transition-metal oxides studied using soft X-ray emission and absorption//Phys. Rev. B. -2003. -V. 68. -P. 165 104−1-9.
  21. Gassenbauer, Y., Schafranek, R., Klein, A. Surface states, surface potentials, and segregation at surfaces of tin-doped ln203 // Phys. Rev. B. 2006. — V. 73. — P. 245 312−1-11.
  22. Weiher, R. L., Ley, R. P. Optical properties of indium oxide // J. Appl. Phys. 1966. -V. 37.-P. 299−302.
  23. Hamberg, I., Granquist, C. G., Berggren, K. F., Sernelius, B. E., Engstrom, L. Bandgap widening in heavily Sn-doped ln203 // Phys. Rev. B. 1984. — V. 30. — P. 3240 -3249.
  24. Kostlin, H., Jost, R., and Lems, W. Optical and electrical properties of doped ln203 films // Phys. Status Solidi A. 1975. — V. 29. — P. 87 — 93.
  25. Christou, V., Etchells, M., Renault O., Dobson, P. J., Salata, O. V., Beamson, G., Egdell, R. G. High resolution X-ray photoemission study of plasma oxidation of indium-tin-oxide thin film surfaces // J. Appl. Phys. 2000. — V. 88. — P. 5180 -5187.
  26. Ren, Chung-Yuan, Chiou, Shan-Haw, Choisnet, J. First-principles calculations of the electronic band structure of In4Sn30i2 and In5SnSbO.2 // J. Appl. Phys. 2006. — V. 99.-P. 23 706−1-4.
  27. Perdew, J. P., Burke, K., Ernzerhof, M. Generalized gradient approximation made simple // Phys. Rev. Lett. 1996. — V. 77. — P. 3865−3868.
  28. Girtana, M., Folcher, G. Structural and optical properties of indium oxide thin films prepared by an ultrasonic spray CVD process // Surface and Coatings Technology. -2003.-V. 172.-P. 242−250.
  29. Chopra, K. L, Major, S., Pandya, D.K. Transparent conductors—A status review // Thin Solid Films. 1983.-V. 102.-P. 1−46.
  30. Hartnagel, H.L., Dawar, A.L., Jain, A.K., Jagadish, C. Semiconducting Transparent Thin Films // Bristol and Philadelphia: Institute of Publishing, 1995. 358 P.
  31. Burstein, E. Anomalous Optical Absorption Limit in InSb // Phys. Rev. 1954. V. 93.-P. 632−633.
  32. Alshammary, M.S. Optical and magneto-optical properties of doped oxides. // Sheffield, University of Sheffield, 2011. 192P.
  33. Tahar, R.B.H., Ban Т., Ohya Y., Takahashi Y. Tin doped indium oxide thin films: Electrical properties // J. Appl. Phys. 1998. — V.83. — P. 2631- 2645.
  34. Arvin, M. J. Electrical conductivity and thermoelectric power of indium oxide // J. Phys. Chem. Sol. 1962. — V. 23. — P. 1681−1683.
  35. , М.И., Богданов, П.А., Гурло, А.Ч., Ивашкевич, JI.C. Особенности структуры 1п20з, полученного термообработкой стабилизированного золя // Неорган, матер. 1998. — Т. 34. — С. 329—334.
  36. Ivanovskaya, М., Bogdanov, P., Faglia, G., Sberveglieri, G. The features of thin film and ceramic sensors at the detection of CO and N02 // Sensors and Actuators B. -2000. V. 68. — P. 344—350.
  37. Ni, J., Wang, L., Yang, Y., Yan, H., Jin, S., Marks, T. J. Charge transport and optical properties of MOCVD-derived highly transparent and conductive Mg- and Sn-doped ln203 thin films // Inorg. Chem. 2005. — V. 44. — P. 6071 — 6076.
  38. Shigesato, Y., Paine, D. C. Study of the effect of ion implantation on the electrical and microstructural properties of tin-doped indium oxide thin films //J. Appl. Phys. -1993.-V.73.-P. 3805 -3811.
  39. , М.Н., Макеева, Е.А., Гаськов, A.M. Влияние микроструктуры полупроводниковых сенсорных материалов на хемосорбцию кислорода на их поверхности // Ж. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева. 2008. — Т. LII. — С. 122−129.
  40. , Е.К., Цветков, Ю.В. Испарение оксидов // М.: Наука, 1997. 544 С.
  41. , ЯМ. Введение в химию полупроводников // М.: Высшая школа, 1965. -302 С.
  42. , Е.К., Цветков, Ю.В. Испарение оксидов // М.: Наука, 1997. 544 С.
  43. Koida, Т., Kondo, М. High electron mobility of indium oxide grown on yttria-stabilized zirconia // J. Appl. Phys. 2006. — V. 99. — P. 123 703−1-6.
  44. Kittel, C. Introduction to Solid State Physics // New York: John Wiley & Sons, Ltd, 1996.-689 P.
  45. Frank, G., Kostlin, H. Electrical properties and defect model of tin-doped indium oxide layers // Appl. Phys. A: Solids Surf. 1982. — V.27. — P. 197−206.
  46. Fujisawa, A., Nishino, Т., Hamakawa, Y. Hall-effect measurement on polycrystalline Sn02 thin films // Jpn. J. Appl. Phys. 1988. — V. 27. — P. 552−555.
  47. Bellingham, J.R., Phillips, W.A., Adkins, C. J., Amorphous indium oxide Thin Solid Films. 1991,-V. 195.-P. 23−32.
  48. Clanget, R. Ionized impurity scattering in degenerate ln203 // Appl. Phys. 1973. -V. 2.-P. 247−256
  49. Shigesato, Y., Paine, D. C. Study of the effect of Sn doping on the electronic transport properties of thin film indium oxide // Appl. Phys. Lett. 1993. — V.62 (11).-P. 1268- 1270.
  50. Gerlach, E., Rautenberg, M. Ionized impurity scattering in semiconductors // Phys. Status Solidi B. 1978. — V. 86. — P. 479 — 482.
  51. Nakazawa, H., Ito, Y., Matsumoto, E., Adachi, K., Aoki, N., Ochiai, Y. The electronic properties of amorphous and crystallized ln203 films // J. Appl. Phys. -2006. V. 100. — P. 93 706−1-8.
  52. Dai, L., Chen, X.L., Jian, J.K., He, M., Zhou, Т., Hu, B.Q. Fabrication and characterization of ln203 nanowires. Appl. Phys. A. 2002. — V. 75. — P. 687−689.
  53. , R., В., H., Ban, Т., Ohya, Y., Takahashi Y. Optical, structural, and electrical properties of indium oxide thin films prepared by the sol-gel method // J. Appl. Phys. 1997. — V. 82. — № 2. — P. 865−870.
  54. Jeong, J. I., Moon, J. H., Hong, J. H., Kang, J. S., Lee, Y. I. Low-resistivity transparent ln203 films prepared by reactive ion plating // Appl. Phys. Lett. 1994. -№ 64(10).-P. 1215−1217.
  55. Girtan, M., Rusu, G.I. On the size effect in In203 thin films // Analele Stiintifice Ale Universitatii «Al. I. Cuza» Din Iasi. 1999- 2000. — V. XLV-XLVI. — P. 166−172.
  56. Leenheer, A.J., Perkins, J.D., van Hest, M.F.A.M., Berry, J .J., O’Hayre, R.P., Ginley, D.S. General mobility and carrier concentration relationship in transparent amorphous indium zinc oxide films, Phys. Rev. B. 2008. — V. 77. P. 115 215−1-5.
  57. Singh M., Mehta, B.R. Effect of structural anisotropy on electronic conduction in delafossite tin doped copper indium oxide thin films // Appl. Phys. Lett. 2008. — V. 93. P. 192 104−1-3.
  58. Wagner, Т., Kohl, C.-D., Morandi, S., Malagu, C., Donato, N., Latino, M., Neri, G., Tiemann, M. Photoreduction of mesoporous ln203: mechanistic model and utility in gas sensing // Chem. Eur. J. 2012. — V. 18. — P. 8216 — 8223.
  59. , А.Я., Куликова, Т.Е. Электрохимия твердофазных реакций. Формирование фаз системы ln203- W03. Процессы на границах W03|ln203 и W03|In6W0,2 // Электрохимия. 2007. — Т. 43. — С. 714−726.
  60. Dixit, A., Panguluri, R. P., Sudakar, С., Kharel, P., Thapa, P., Avrutsky, I., Naik, R., 1. wes, G., Nagorny, B. Robust room temperature persistent photoconductivity inpolycrystalline indium oxide films // Appl. Phys. Lett. 2009. — V.94. — P. 252 105−13.
  61. Pashmakov, В., Clariflin, В., Fritzsche, H. Photoreduction and oxidation of amorphous indium oxide // Solid State Commun. 1993. — V. 86. — P. 619 — 622.
  62. Fritzshe, H., Pashmakov, В., Claflin, B. Reversible changes of the optical and electrical properties of amorphous InOx by photoreduction and oxidation // Solar Energy Materials and Solar Cells. 1994. — V. 32. — № 4, P. 383−393.
  63. Muraoka, Y., Takuba, N., Hiroi, Z. Photoinduced conductivity in tin dioxide thin films // J. Appl. Phys. 2009. — V. 105. — P. 103 702−1-7.
  64. Chandra Bose, A., Balaya, P., Thangadurai, P., Ramasamy, S. Grain size effect on the universality of AC conductivity in Sn02 // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2003. — V. 64. — P. 659 — 663.
  65. Kohnke, E.E. Electrical and optical properties of natural stannic oxide crystals // J. Phys. Chem. Sol. 1962. — V.23. — P. 1557 — 1562.
  66. Baatto, C., Comini, E., Sberveglieri, G., Jha, M., Zappettini, A. Metal oxide nanocrystals for gas sensing // Sensors and Actuators B. 2005. — V. 109. — P. 2−6.
  67. Rumyntseva, M. N., Gaskov, A. M., Rosman, N., Pagnier, Т., Morante J. R. Raman surface vibration modes in nanocrystalline Sn02: correlation with gas sensing performances // Chem. Mater. 2005. — V. 17. — P. 893 — 901.
  68. Baraton, M.-I., Merhari, L., Ferkel, H., Castagnet, J.-F. Comparison of the gas sensing properties of tin, indium and tungsten oxides nanopowders: carbon monoxide and oxygen detection // Mater. Science and Engineering C. 2002. — V. 19. — P. 315−321.
  69. Бонч-Бруевич, В.JI., Калашников, С. Г. Физика полупроводников // М.: Наука, 1990.-688 С.
  70. Williams, D.E. Conduction and gas response of semiconductor gas sensors // Solid gas sensors / P.T.Mosely, B.C.Tofield. Bristol and Philadelphia: Alam Higer. -1987. -P.71−123.
  71. Seyama, Т., Kato, A., Fujiishi, K., Nagatani, N. A new detector for gaseous components using semiconductive thin films // Anal. Chem. 1962. — V. 34. -P.1502—1503.
  72. Galdikas, A., Martunas, Z., Setkus, A. SnlnO-based chlorine gas sensor // Sensors and Actuators B. 1992. — V. 7. — P. 633 — 636.
  73. Chung, W.-Y., Sakai, G., Shimanoe, K., Miura, N., Lee, D.-D., Yamazoe, N. Preparation of indium oxide thin film by spin-coating method and its gas-sensing properties // Sensors and Actuators B. 1998. — V. 46. — P. 139 — 145.
  74. Gurlo, A., Barsan, N., Ivanovskaya, M., Weimar, U., Gopel, W. In203 and M0O3-ln203 thin film semiconductor sensors: interaction with N02 and 03 // Sensors and Actuators B. 1998. — V. 47. — P. 92 — 99.
  75. Baatto, C., Sberveglieri, G., Onischuk, A., Caruso, B., di Stasio, S. Low temperature selective N02 sensors by nanostructured fibres of ZnO // Sensors and Actuators B. -2004.-V. 100.-P. 261−265.
  76. Wang, S.H., Chou, T.C., Liu, C.C. Nano-crystalline tungsten oxide N02 sensor // Sensors and Actuators B. 2003. — V. 94. — P. 343−351.
  77. Lee, D.-S., Han, S.-D., Huh, J.-S., Lee, D.-D. Nitrogen oxides-sensing characteristics of W03-based nanocrystalline thick film gas sensor // Sensors and Actuators B. -1999.-V. 60.-P. 57−63.
  78. Zhang, D., Liu, Z., Li, C., Tang, T., Liu, X., Han, S., Lei, B., Zhou, C. Detection of N02 down to ppb levels using individual and multiple ln203 nanowire devices // Nano Lett. -2004. V. 4. — P. 1919−1924.
  79. Pinna, N., Neri, G., Antonietti, M., Niederberger, M. Nonaqueous synthesis of nanocrystalline semiconducting metal oxides for gas sensing // Angew. Chem. Int. Edit. 2004. — V. 43. — P. 4345−4349.
  80. Rout, C.S., Ganesh, K., Govindaraj, A., Rao, C.N.R. Sensors for the nitrogen oxides, N02, NO and N20, based on ln203 andW03 nanowires // Appl. Phys. A. 2006. — V. 85.-P. 241−246.
  81. Comini, E., Faglia, G., Sberveglieri, G. Solid state gas sensing // New York: Springer, 2009. 337 P.
  82. Sze, S.M. Physics of semiconductor devices // New York: John Wiley and sons, 1981.-868P.
  83. Orton, J.W., Powel, M.J., The Hall effect in polycrystalline and powdered semiconductors//Rep. Prog. Phys. 1980. -V. 43. — P. 1263 -1307.
  84. Vasiliev, R.B., Rumyantseva, M.N., Dorofeev, S.G., Potashnikova, Yu.M., Ryabova, L.I., Gaskov, A.M. Crystallite size effect on the conductivity of the ultradisperse ceramics of Sn02 and ln203 // Mendeleev Commun. 2004. — V. 14. — P. 167−169.
  85. Brunauer, S. The adsorption of gases and vapors // Princeton: Princeton University Press, 1943.-511 P.
  86. Kubelka, P. New contribution to the optics of intensely light-scattering materials. Part 1. // J. Opt. Soc. Amer. 1948. — V. 38. — P. 448−457.
  87. , А.П. Оптика рассеивающих сред // Минск: Наука и техника, 1969. -592 С.
  88. Brodsky, М.Н. Amorphous Semiconductors // Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 1979.-419 P.
  89. , И.П. Кинетические явления в неупорядоченных полупроводниках // М.: Изд-во Моск. ун-та, 1984. 192 С.
  90. Mott, N.F. Conduction in glasses containing transition metal ions // J. Non-Cryst. Sol.- 1968.-V. l.-P. 1−46.
  91. Mott, N.F., Devis, E.A. Electronic properties in non-crystalline materials // Oxford: Clarendon Press, 1971. 590 P.
  92. Serin, N., Yildiz, A., Alsa?, A.A., Serin, T. Estimation of compensation ratio by identifying the presence of different hopping conduction mechanisms in Sn02 thin films // Thin Solid Films. 2011. — V. 519. — P. 2302−2307.
  93. Huang, Y.-L., Chiu, S.-P., Zhu, Z.X., Li, Z.-Q., Lin, J.-J. Variable-range-hopping conduction processes in oxygen deficient polycrystalline ZnO films // J. Appl. Phys. -2010,-V.107.-P. 63 715−1-6.
  94. Golikova, O.A., Samatov, S. Conduction mechanism of some «quasi-amorphous» semiconductors on the basis of boron // Phys. Stat. Sol. A. 1983. — V. 77. — P. 449 453.
  95. , H.A., Горбачук, Н.И. Основы импедансной спектроскопии композитов // Минск: БГУ, 2005. 130 С.
  96. Ben-Chorin, М., Moller, F., Koch, F. Hopping transport on a fractal: ac conductivity of porous silicon // Phys. Rev. B. 1995. — V. 51. — P. 2199−2213.
  97. Seto, J.Y.W. The electrical properties of polycrystalline silicon films // J. Appl. Phys. 1975. — V. 46. — P. 5247 — 5254.
  98. Dyre, J.C., Maass, P., Roling, В., Sidebottom, D.L. Fundamental questions relating to ion conduction in disordered solids // Rep. Prog. Phys. 2009. — V. 72. P. 46 501−115.
  99. Schreder, T.B., Dyre, J.C. Ac hopping conduction at extreme disorder takes place on the percolating cluster // Phys. Rev. Lett. 2008. — V. 101. — P. 25 901−1-4.
  100. , Ю. И. Оптические свойства полупроводников. // М.: Наука, 1977. 368 С.
  101. Пак, В.Н. Структурно-химическая природа поверхности кремнезёмов и ее влияние на строение титанкислородных слоев, синтезированных по методу молекулярного наслаивания // Журн. физ. химии. 1976. — Т. 50. — С. 1266 -1268.
  102. Olthof, В., Khodakov, A., Bell, А.Т. Effects of support composition and pretreatment conditions on the structure of Vanadia dispersed on Si02, A1203, Ti02, Zr02, and Hf02//J. Phys. Chem. B. -2000. V. 104.-P. 1516- 1528.
  103. Gao, X., Bare, S.R., Weckhuysen, B.M., Wachs, I.E. In situ spectroscopic investigation of molecular structures of highly dispersed Vanadium oxide on Silica under various conditions//J. Phys. Chem. B. 1998.-V. 102.-P. 10 842- 10 852.
  104. Kozlov, S.N. Slow relaxation kinetics on a heterogeneous semiconductor surface // Phys. Stat. Sol. (a). 1977. — V. 42. — P. 115−124.
  105. Кос, S. Slow non-exponential changes of surface conductivity of Germanium // Czech. J. Phys. В. 1961,-V. 11. -P. 193 — 197.
  106. Кос, S. Very slow changes in time constant of relaxations of surface conductivity of Germanium // Czech. J. Phys. В. 1961. — V. 11. — P. 287 — 292.
  107. Pilkuhn, M. H. Slow surface relaxation of Germanium // .). Appl. Phys. 1963. — V. 34.-P. 3302 — 3306.
  108. Akazawa, H. Argon plasma treatment of transparent conductive ZnO films // Appl. Phys. Express. 2009. — V. 2. — P. 81 601−1-3.
  109. Kakalios, J., Street, R.A., Jackson, W.B. Stretched-exponential relaxation arising from dispersive diffusion of hydrogen in amorphous silicon // Phys. Rev. Lett. -1987.-V. 59.-P. 1037 1040.
  110. Scher, H., Montroll, E. W. Anomalous transit-time dispersion in amorphous solids // Phys. Rev. B. 1975. — V. 12. — P. 2455 — 2477.
  111. Klafiter, J., Shlesinger, M. F. On the relationship among three theories of relaxation in disordered systems // Proc. Natl. Acad. Sci USA.- 1986. V. 83(4). P. 848 — 851.
Заполнить форму текущей работой

Заказал и сдал!