Реферат: Кристаллическая структура керамик Tl2Ba2, полученных с использованием высокого давления

Рис.6.

В связи с поиском новых материалов для твердотельных газовых сенсоров активно изучается влияние адсорбированных молекул на электрофизические свойства полупроводниковых оксидов SnO₂ , ZnO, WO₃ , In₂ O₃ , а также сложных соединений, например Cr_2-х Ti _х O₃ , FeNbO₄ и др. Нанокристаллический диоксид олова среди изученных веществ нашел наиболее широкое применение, так как он является широкозонным полупроводником n-типа, вследствие чего электропроводность SnO₂ оказывается чрезвычайно чувствительной к состоянию поверхности как раз в той области температур 20 - 500 °С, для которой на поверхности оксидов наблюдаются окислительно-восстановительные реакции [1].

Существенным недостатком газовых сенсоров на основе SnO₂ является их низкая селективность. Одним из путей повышения селективности является введение в высокодисперсную оксидную матрицу легирующих добавок, как правило, переходных металлов или их оксидов, которые могут влиять на электронные и каталитические свойства поверхности.

Целью работы является исследование структуры и электрофизических свойств пленок композитов SnO_х : MnO_у , для использования их в качестве чувствительных элементов датчиков газов.

Для получения композиционных наноструктур на основе диоксида олова был применен метод реактивного ионно-лучевого распыления составной мишени из металлического олова и полосок марганца в атмосфере аргона - кислорода. Напылительная установка была изготовлена на основе вакуумного напылительного поста УВН-2М. Параметры напыленных пленок контролировались общепринятыми методами.

Толщина пленок определялась на интерференционном микроскопе МИИ-4. Электрическое сопротивление измеряли четырехзондовым методом (ЦИУС-4). Концентрацию и подвижность носителей заряда определяли с помощью эффекта Холла по методу Ван дер Пау. Газовая чувствительность пленок измерялась как отношение сопротивления пленки на воздухе (R_в ) к сопротивлению пленки при напуске в кювету известной концентрации исследуемого газа (R_г ): S_g = R_в /R_г.

В результате выполненных исследований установлено, что пленки после изготовления имеют преимущественно аморфную структуру. При высокотемпературном отжиге происходит их кристаллизация и стабилизация электрических параметров. Для стабилизации структуры и электрических параметров пленок применялся трехступенчатый изотермический отжиг при температурах 300 ^о С, 400 ^о С и 500 ^о С в течение 10 часов. Отожженные пленки-нанокомпозиты SnO_x : MnO_у имеют поверхностное сопротивление 1,7 - 3,3 МОм, тогда, как пленки на основе чистого диоксида олова, полученные при аналогичных режимах, имеют сопротивление лишь десятки килом [2].

Исследовалась газовая чувствительность пленок на основе SnO₂ к парам этанола, пропанола, ацетона, аммиака и формальдегида в воздухе. Обнаружено, что нелегированные пленки SnO₂ обладают максимальной чувствительностью к парам этанола при температуре 330 ^о С, а пленки нанокомпозиты, SnO_х : MnO_у , обнаруживают максимальную чувствительность к парам этанола при более низких температурах, чем пленки нелегированного диоксида олова. Например, нанокомпозиты SnO_х : MnO_у с процентным содержанием Mn 0,4% ат. обладают максимальной чувствительностью к парам этанола при температуре 220 °С. Пленки SnO₂ : (1,7% ат) Mn имеют максимальную чувствительность к парам этанола при 180 °С, а пленки SnO₂ : (5% ат) Mn имеют максимальную чувствительность к парам этанола при 200 °С (рис.1)

Установлено, что пленки SnO₂ обладают максимальной чувствительностью к парам ацетона при температуре 360 ^о С, а пленки-нанокомпозиты, SnO_х : MnO_у , обнаруживают пары ацетона при более низких температурах, чем пленки нелегированного диоксида олова. Например, нанокомпозиты SnO_х : MnO_у с процентным содержанием Mn 0,4% ат. обладают максимальной чувствительностью к парам ацетона при температуре 160 °С. Пленки SnO₂ : (1,7% ат) Mn имеют максимальную чувствительность к парам ацетона при 100 °С, а пленки SnO₂ : (5% ат) Mn имеют максимальную чувствительность к парам ацетона при 260 °С.

Mn, % ат.

Т, о С

Рис.7. Зависимость температуры максимальной газовой чувствительности пленок SnO_x : MnO_у к парам различных веществ в воздухе от процентного содержания марганца в пленках

Установлено, что увеличение количества марганца в составе пленок до 1,7% ат., приводит к снижению температуры максимальной газовой чувствительности пленок к этанолу, аммиаку, ацетону, пропанолу, формальдегиду. Причем, этот эффект для каждого газа проявляется по-разному. Затем наблюдается незначительный рост температуры максимальной газовой чувствительности. Этот результат показывает, что исследованные пленки при их применении в датчиках газов позволят уменьшить величину потребляемой мощности датчика при контроле примесей исследованных газов в воздухе.

Выводы

Применение высокого давления на стадии компактирования исходной шихты позволяет:

1) снизить температуру синтеза керамики Tl₂ Ba₂ CaCu₂ O_y F_{x (} х=0; 0,1; 0,2) c 840 ⁰ С (для образцов необработанных высоким давлением [4]) до 825 ⁰ С;

2) получить более совершенные образцы (по сравнению с образцами, полученными без использования высокого давления), имеющие большую плотность и меньшую ширину перехода (4-7 К);

3) с ростом содержания фтора в системе Tl₂ Ba₂ CaCu₂ O_y F_{x (} х=0; 0,1; 0,2) происходит уменьшение носителей заряда (дырок), что сказывается на величине температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Управление изменением расстояний Cu-Cu и CuO₂ - Ba может явиться одним из способов изменения Т_с .

Список литературы

1. Volkova L. M., Polyshchuk S. A., Magarill S. A., Herbeck F. E. Journal of Superconductivity: Incorporating Novel Magnetism. 2003. Vol.16. No.6 P.937-939.

2. Volkova L. M., Polysgchuk S. A., Herbeck F. E. Journal of Superconductivity: Incorporating Novel Magnetism. 2000. Vol.13. No.4. P.583-586.

3. Altomare A., Burla M. C., Giacovazzo C. et al. J. Appl. Cryst. 2001. Vol.34.,P.392 - 397.

4. Акимов А.И., Лебедев С.А. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2005, №11, с.61-67.

5. Young R. A. School of Physics Georgia Institute of Technology. Atlanta. GA 30332.1995. P.105.

6. Michel C., Martin C., Hervieu M. et al. Journal of Solid State Chemistry. 1992. Vol.96. pp.271-286.

7. Shimakawa Y., Kubo Y., Manako T. et al. Physica C. 1988. Vol.156. pp.97-102

8. Faiz M., Hamdan N. M. Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 2000. Vol.107. pp.283-291.

9. AkimovA.I., KsenofontovV., LebedevS. A. andTkachenkaT. M. Physica C. 2006.443. pp.29-32

10. Волкова Л.М., Полищук С.А., Магарилл С.А., Соболев А.Н. Неорганические материалы. 2000. том 36. №9, с.1100-1110.

11. Volkova L. M., Polysgchuk S. A., Magarill S. A., Sobolev A. N., Herbeck F. E. Journal of Structural Chemistry. 2001. Vol.42. No.2. pp.239-243

12. Абакумов А.М., М.Г. Розова, Ардашкова Е.И., Антипов Е.В. Успехи химии. 2002.71 (5). C.442-460.

13. Акимов А.И., Лебедев С.А. Огнеупоры и техническая керамика. 2007. №6. C.3-9.