Газочувствительность пленок графена на полуизолирующем SiC к NO2 и парам C2H5OH

Определение малых концентрации различных газов является важной задачей как для экологии, так и для промышленности. В настоящее время широко распространенными являются датчики на основе полупроводниковых оксидов металлов [1?4]. Однако, несмотря на ряд достоинств, низкая стоимость изготовления, простота конструкции, указанные сенсоры имеют относительно низкую чувствительность, селективность, потребляют значительную энергию, необходимую для подогрева сенсора [5−6]. Чувствительность таких датчиков ограничена флуктуациями, обусловленными тепловым движением зарядов и дефектов, в результате чего присутствует высокий уровень шума. Поэтому актуальным является поиск новых материалов, расширяющих возможности газочувствительных сенсоров. Одним из возможных решений данной проблемы является использование графена в качестве газочувствительного слоя датчика. На данный момент существует несколько методов получения пленок графена: механическое отслаивание, химическое отслаивание, химическое отслаивание и восстановление оксида графена, химическое осаждение из газовой фазы, термическое разложение карбида кремния в вакууме. Последний метод считается одним из перспективных для промышленного производства, поскольку пленки графена могут быть получены на всей поверхности подложки. Важным является также то, что пленка графена в этом случае является продолжением структуры подложки, за счет чего достигается высокая адгезия к карбиду кремния.

Принцип работы графенового сенсора, как и традиционных газовых сенсоров резистивного типа, основан на изменении электрической проводимости при адсорбции молекул газа. Отличительной особенностью графена является существенно низкий уровень шума, что позволяет регистрировать газы с низкими концентрациями. Наличие развитой поверхности по отношению к объему за счет моноатомного слоя графена делает его перспективным материалом в качестве чувствительного элемента датчиков. Известно небольшое количество работ по исследованию газочувствительности графена к некоторым газам. Показано, что параметры газочувствительного слоя, существенно зависят от условий его получения и качества пленок [7,8]. графеновой сенсор кремний газочувствительность В работе исследуются образцы графена на карбиде кремния полученные методом термического разложения карбида кремния в вакууме. В процессе исследований был определен оптимальный режим получения пленок, который заключался в 2х часовом отжиге в вакууме при температуре 900 °C и 20 мин отжиг при 1300 °C при давлении 10−3 Па [9].

Необходимый топологический рисунок графена на полуизолирующем карбиде кремния был получен виде змейки с помощью нанесения до отжига защитной пленки оксида алюминия, под которой, в процессе отжига, графен не образуется. Контакты к полученным пленкам были получены напылением Cr-Cu-Cr в едином вакуумном цикле.

В работе исследовалась чувствительность пленок графена к газу NO2 и парам C2H5OH в зависимости от температуры. Эксперименты проводились на стенде для измерения газочувствительности, состоящим из кварцевого цилиндра закрытого заглушками по бокам, с отверстиями для введения и удаления газа и выводами контактов нагревателя, термопары и самого сенсора. Величина сопротивления и ЭДС — термопары контролировалась с помощью мультиметра АКИП 137 — 78/1.

Чувствительность сенсора определялась с помощью уравнения (1), где R0 — начальное значение сопротивления, R — текущее значение сопротивления.

После каждой серии напуска газа, сенсоры нагревались для десорбции газов, с поверхности графена, затем охлаждались до 25 °C, чтобы убедиться, что начальный уровень сопротивления получен.

На рис. 1 показаны результаты чувствительности к NO2. Самая большая величина чувствительности сенсора была установлена для NO2, что объясняется его высокой химической активностью. Время отклика для NO2 составило 60 сек., время восстановления 130 сек.

На рис. 2 показаны результаты чувствительности к парам C2H5OH. Исследования при концентрации 100 ppm. Время отклика и время восстановления оказалось одинаковым и равным 100 сек, а чувствительность составила 4,5%.

Рис. 2. Чувствительность к парам C2H5OH при концентрации 100 ppm.

Для десорбции молекул газа необходимо осуществлять нагрев пленок графена. Температура нагрева прямо пропорциональна энергии связи молекул газа с пленкой [10].

На рис. 3 показаны результаты исследований зависимости процесса десорбции от температуры. Экспериментально установлено что для NO2 десорбция начинает происходить при температуре 60 °C, с ростом температуры уменьшается время восстановления, которое достигает своего минимума при температуре 110 °C и при дальнейшем росте температуры не изменяется. Для паров C2H5OH десорбция начинается при температуре 40 °C, время восстановления достигает минимума при 90 °C и не изменяется при дальнейшем увеличении температуры.

Рис. 3. Время восстановления при разных температурах; 1 — для паров C2H5OH, 2 — для NO2.

Выполненные исследования позволили установить оптимальные температуры десорбции для NO2 и паров C2H5OH, которые равны 110 °C и 90 °C соответственно. Определен режим получения пленок графена на карбиде кремния с наилучшими газочувствительными характеристиками. Полученные значения времен отклика и восстановления для исследованных газов позволяют сделать вывод, что графен является одним из перспективных материалов для газочувствительных сенсоров. Результаты данных исследований можно использовать при разработке графеновых газочувствительных сенсоров.

• 1. Кравченко Е. И. Петров В.В. Стегленко Д. В. Бычкова А.С. Исследование свойств газочувствительных материалов состава SiO2SnOxCuOy, используемых в сенсорах газов мультисенсорной системы мониторинга атмосферного воздуха // «Инженерный вестник Дона», 2012.
• 2. Бутурулин А. И. и др. Газочувствительные датчики на основе металлооксидных полупроводников [Текст] // Зарубежная электронная техника, 1989. — № 10. — C.3−38.
• 3. Арутюнян В. М. Микроэлектронные технологии — магистральный путь для создания химических твердотельных сенсоров [Текст] // Микроэлектроника, 1991. — № 4. — С.337−355.
• 4. Евдокимов А. В. и др. Микроэлектронные датчики химического состава газов [Текст] // Зарубежная электронная техника, 1988. — № 2. — С.3−39.
• 5. Фрайден, Дж. Современные датчики. Справочник [Текст] / Дж. Фрайден. — М.: Техносфера, 2006. — 588 с.
• 7. Pearce R., et al., Epitaxially grown graphene based gas sensors for ultra sensitive NO2 detection [Text] // Sens. Actuators B: Chem., 2011. — № 5. — P.768−771.
• 8. Ko G. et al. Graphene — based nitrogen dioxide gas sensors [Text] // Current Applied Physics, 2010. — № 10. — P. 1002−1004.
• 9. Лебедев и др. Формирование наноуглеродных пленок на поверхности SiC методом сублимации в вакууме [Текст] // Физика твердого тела, 2009. — № 4. — C.452 -454.
• 10. Волькенштейн Ф. Ф. Электроны и кристаллы [Текст] / Ф. Ф. Волькенштейн. — М.: Наука, 1983. — 128 с.