LibRar.Org.Ua — Бібліотека українських авторефератів

Загрузка...

Головна Електроніка. Обчислювальна техніка → Фізико-технологічні засади мікроелектронних сенсорів на основі гетероструктур органічних та неорганічних напівпровідників

прилипання. При високій інтенсивності залежність робиться сублінійною . Така нелінійність може бути пояснена домінуванням нелінійної рекомбінації, низькою рухливістю носіїв заряду, зумовленою високою густиною пасток на межі інтефейсного шару. Величини густини струму короткого замикання та напруги холостого ходу при інтенсивності освітленості 30 мВт/м2 становлять, відповідно, 2,3 мкА/см2 і 0,52 В. Характер спектральної залежності композитного приладу в фотовольтаїчному режимі аналогічний до спектральної фоточутливості монокристалічного InSe. Вплив поліаніліну на спектральну фоточутливість є незначним, що пояснюється його низькою фоточутливістю порівняно з InSe.

У четвертому розділі представлені результати апробації гетероструктури In2O3 – спряжений поліарилен як електрохромного елемента в невипромінюючих дисплеях, а також як чутливого елемента в сенсорах токсичних газів і водневого покажчика середовища.

Для характеристики електрохромних переходів у плівках поліаміноаренів на оптично прозорих напівпровідниках вивчалась зміна оптичної густини або пропускання як функції прикладеного потенціалу і швидкості зміни потенціалу. Виявлено, що при переключенні потенціалу досить помітні зміни в спектрах поглинання спостерігаються в області 700 - 850 нм, що пов’язано зі зміною концентрації вільних носіів заряду в полімері під дією електричного поля. У випадку циклічної розгортки потенціалу в діапазоні від –0,3 до +0,5 В спостерігається зміна оптичної густини, яка має форму несиметричної вісімки, характерної для електрохромної поведінки полімерів і вказує на наявність “оптичної пам’яті” (рис.4). Швидкість переключення кольорів у структурі визначається як типом полімеру, так і електролітом. Встановлено, що найвища електрохромна активність спостерігається при використанні як електролітів водних розчинів 0,5 М сульфатної та 1 М толуолсульфокислоти.


Рис. 4. Зміна оптичної густини плівки полі-ортотолуїдину при циклічній розгортці потенціалу від -0,3 до 0,5 В в 1 М розчині толуолсульфокислоти (ТСК) при швидкості розгортки потенціалу 20 мВ/с


Виходячи з проведених досліджень, запропоновано конструкцію електрохромного оптичного елемента з поліаніліновим шаром із польовим керуванням (рис. 5).




Рис. 5. Схематичне зображення електрохромного оптичного елемента:

1 – скляні пластини; 2 – металічні електроди; 3 – прозорі електропровідні електроди; 4 – полімерна плівка; 5 – електроліт.


В процесі керування оптичним елементом у плівках поліаніліну, поліметоксианіліну та поліортотолуїдину зберігається електрохромний ефект, і вони можуть змінювати свій колір при переключенні напруги в межах ±2 В від повністю безбарвного до жовтого, зеленого і синього кольорів та їх перехідних відтінків. Кількість циклів забарвлення-знебарвлення оптичного елемента досягає 2010 циклів без помітної деградації матеріалу, при цьому час вмикання елемента становить 23 мс, вимкнення –18 мс, що знаходиться в межах швидкодії, яка вимагається для електрохромних дисплеїв (10-100 мс).

Виявлено електрохромний ефект у структурі In2O3 -рідкий кристал –полінілін - In2O3. На відміну від оптичного елемента з використанням протонних електролітів, напруги електрохромних переходів є вищими і становлять приблизно ±4,0 В (рис.6).


Рис.6. Зміна спектрів пропускання при різних напругах на 2-х електродному оптичному елементі з рідким кристалом в якості електроліту.

Одночасне використання електрохромного ефекту в плівці поліаніліну та електрооптичних ефектів у рідких кристалах уможливлює створення багатоступінчастого керування оптичними елементами.

Встановлено оптимальні умови одержання плівок поліаніліну на поверхні Іn2O3 з наперед заданими морфологічними та оптичними властивостями з метою використання цієї структури як чутливого елемента сенсора рН. Плівки, сформовані на поверхні оптично-прозорого напівпровідника протягом 2-3 хв при постійному значенні густини струму (j=0,07 мА/см2) мають аморфно-глобулярну структуру. Встановлено зв’язок оптичних спектрів плівок з їх товщиною. Показано, що при досягненні товщини плівки ПАН 250-350 нм максимум поглинання в оптичному спектрі при 750 нм не залежить від товщини, що обумовлює стабільний оптичний відгук. Встановлено, що збільшення величини pH приводить до зміщення максимуму спектрального поглинання в короткохвильову область спектра, а саме, при рH~1 становить lmax=745 нм, рH~6 становить lmax=710 нм, рH~12 становить lmax=595 нм. Виходячи з проведених досліджень, запропоновано метод визначення рН за величиною оптичної густини плівки поліаніліну на двох довжинах хвиль (540 нм, 750 нм). Максимальні зміни оптичної густини спостерігаються в діапазоні зміни рН 3-10, характерному для більшості хімічних реакцій у біологічних середовищах.

В результаті дослідження можливості використаня гетероструктури In2O3 – ПАН як чутливого елемента сенсора NH3, встановлено, що зі зростанням тиску аміаку відбувається зміна оптичного пропускання плівки ПАН на довжині хвилі 630 нм. Полімер відновлюється, що супроводжується збільшенням оптичного пропускання. Цей процес зворотний і після відкачування з системи аміаку відбувається процес окислення поліаніліну з відновленням початкової прозорості структури. На цій основі створений чутливий елемент оптичного газового сенсора. Показано, що така структура характеризується інерційними параметрами вмикання та вимикання і в залежності від тиску газу становить 2,5-6,5 хв і 7-9 хв. відповідно.

У п’ятому розділі представлені результати фізично-технологічних основ створення сенсорів на основі поруватого кремнію та провідних полімерів. В основі їх дії лежить розвинена робоча поверхня, яка під впливом хімічних чинників чи опромінювання може змінювати ряд параметрів, зокрема, опір, люмінесцентні та вольт-амперні характеристики. Плівки електропровідного полімеру на поверхні поруватого кремнію (ПК) отримували методом електрохімічної полімеризації з циклічною розгорткою потенціалу.

Вольт-амперна характристика (ВАХ) гетероструктури має чітко визначений випрямляючий характер. Експериментально встановлено, що при товщині поліанілінового шару менше 20 нм випрямляючі властивості не проявляються. Випрямляючий коефіцієнт при напрузі ±1,2 В становить 100, послідовний опір структури – 307 Ом, фактор ідеальності n становить 11 для напруг менше 1,4 В і зростає до 40 зі збільшенням напруги.

З метою визначення чутливості гетероструктури до газового середовища вивчався вплив аміачної атмосфери на ВАХ гетероструктур. Встановлено, що в залежності від величини тиску аміаку, відбувається зміна ВАХ гетероструктури (рис. 7).

Такий характер поведінки прямих гілок ВАХ можна пояснити відновленням шару поліаніліну, а отже зростанням внутрішнього послідовного опору. Таким чином,