Полная версия

Главная arrow Техника arrow Альтернативные источники энергии в транспортно-технологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использования, 2016, том 3, вып. №2 -

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

СЕКЦИЯ 1. ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В ТРАНСПОРТНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ КОМПЛЕКСЕ

DOI 10.12737/20679

УДК 621.382

Александрова А.А.

студент 3 курса факультета электроники Санкт-Петербургского государственного

электротехнического университета им.

В.И. Ульянова (Ленина) «ЛЭТИ», РФ

Лашкова Н.А.

студент 6 курса факультета

электроники Санкт-Петербургского

государственного

электротехнического университета им. В.И. Ульянова (Ленина) «ЛЭТИ», РФ

Aleksandrova А.А.

3th year student of the Faculty of Electronics, Saint Petersburg State Electrotechnical University “LETI”, Russian Federation

Lashkova N.A.

6th year student of the Faculty of Electronics, Saint Petersburg State Electrotechnical University “LETI”, Russian Federation

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК ZNO:AL

ELECTROPHYSICAL PROPERTIES OF THIN FILMS ZNO:AL

Ключевые слова: альтернативная энергетика, нанодиагностика, оксид цинка, сканирующая микроскопия сопротивления растекания

Keywords: alternative energetics, nanodiagnostics, zinc oxide, scanning spreading resistance microscopy

В статье изложены особенности исследования электрофизических свойств тонких пленок ZnO:Al с помощью проводящих методик атомно-силовой микроскопии. Проведенное исследование электрофизических свойств показало, что ток протекает частично по вершинам и преимущественно по границам зерен. В режиме туннельной атомно-силовой микроскопии построены локальные ВАХ исследуемой пленки.

The article outlines the features of researching electrophysical properties of thin films ZnO:Al using the methods of atomic force microscopy. The study of the electrical properties showed that the current flows partly through the peaks and mainly by the grain boundaries. In the tunneling mode atomic force microscopy built local CVC of the investigated film.

Оксид цинка ZnO - прямозонный полупроводник c Eg = 3,36 эВ и-типа электропроводности. В настоящее время широко используются гетероструктуры с использованием наноструктур оксида цинка. В микроэлектронике большим спросом пользуются пленки, наностержни [1-3] и нанотрубки оксида цинка. На основе тонких пленок ZnO разрабатываются ультрафиолетовые излучатели и фото детекторы, газовые сенсоры [4-6], наноустройства автономного питания. Проводящие пленки на основе ZnO также нашли применение в качестве прозрачных электродов для различных оптоэлектронных приборов и устройств, таких как светоизлучающие приборы, фотоприемники и тонкопленочные солнечные элементы [7-9]. Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая может быть использована для бортового питания транспортного средства или для электродвигателя электрического транспорта. В некоторых странах фотоэлементы устанавливают на крыши ж/д поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем [10, 11].

В данной работе с помощью проводящих методик атомно-силовой микроскопии (ACM) [12-15] исследовались тонкие слои легированного алюминием

(ZnO:Al) оксида цинка, полученные методом спрей-пиролиза [7, 8] на стеклянных подложках.

Спрей-пиролиз - это метод получения порошков и тонких пленок, основанный на термическом разложении аэрозоля раствора, содержащего ионы синтезируемого материала. Данный метод позволяет получать однородные покрытия на больших площадях с высокой воспроизводимостью [8].

Принцип работы атомно-силового микроскопа основан на регистрации силы взаимодействия твердотельного зонда с радиусом закругления порядка десятков нанометров с поверхностью исследуемого материала. Получение АСМ-изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли (кантилевера) зондового датчика. Атомно-силовой микроскоп способен регистрировать очень малые силы (1(Г8... 1(Г13 Н и менее), характерные для межатомного взаимодействия [12, 14, 15].

В работе исследованы морфологические особенности полученных методом спрей-пиролиза слоёв ZnO:Al. На АСМ-топографии (рис. 1) видно, что слой ZnO:Al состоит из агломератов зёрен размером 500-700 нм.

АСМ-изображение пленки ZnO:Al

Рисунок 1 - АСМ-изображение пленки ZnO:Al

При проведении измерений с помощью ACM в течение длительного времени чувствительность зондового датчика к рельефу поверхности уменьшается. В связи с этим была установлена зависимость перепада высот, фиксируемых атомно-силовым микроскопом в исследуемом образце, от количества сканирований (рис. 2), изучено влияние количества сканирований на изменение радиуса закругления зондового датчика.

Зависимость перепада высот от количества сканирований

Рисунок 2 - Зависимость перепада высот от количества сканирований

Установлено, что максимальный перепад высот исследуемой области наблюдается в начале сканирования. К концу сканирования значение перепада высот достигает минимального значения. Это может быть связано с тем, что по мере проведения измерений в контактном режиме происходит затупление зондового датчика (радиус закругления зонда увеличивается), соответственно, зонд становится менее чувствительным к рельефу поверхности и не проникает в определённые области исследуемого образца.

Электрофизические свойства пленок ZnO:Al исследовались с помощью туннельной атомно-силовой микроскопии [16]. Измерения осуществляются в режиме сканирующей микроскопии сопротивления растекания (SSRM) - одном из контактных режимов ACM, при котором поддерживается постоянной сила прижима проводящего зонда к образцу, и одновременно регистрируются рельеф и карта распределения тока по поверхности исследуемого образца [13]. Метод туннельной ACM дает возможность исследовать полупроводниковые структуры, покрытые естественным окислом, а также объекты, поверхность которых имеет непроводящие участки. С помощью туннельной ACM возможно построение вольт-амперных характеристик (ВАХ) в локальных областях исследуемой поверхности, анализ которых позволяет получить информацию о ширине запрещенной зоны исследуемого материала [16].

Для измерений в режиме SSRM использовались зондовые датчики с алмазоподобным покрытием DCP11 с радиусом закругления порядка 100 нм, имеющие два прямоугольных кантилевера.

На выбранную область пленки ZnO:Al подавалось напряжение смещения в диапазоне от -10 до +10 В шагом в 0,5 В, в результате чего был получен набор карт распределения тока по поверхности исследуемого слоя ZnO:Al (рис. 3).

Набор карт распределения тока при -5В, - ЗВ, -IB, +1В, +ЗВ и +5В, соответственно

Рисунок 3 - Набор карт распределения тока при -5В, - ЗВ, -IB, +1В, +ЗВ и +5В, соответственно

Карты распределения тока (рис. 3) показали, что ток протекает частично по вершинам и преимущественно по границам зерен. Это может быть связано с тем, что при сканировании площадь контакта проводящего зонда с границей зерен много больше площади контакта острия с вершиной зерна, возможно истирание проводящего покрытия на острие зонда. Кроме того, оксид цинка как фаза переменного состава обладает «мемри- стивным» эффектом, который связан с перемещением заряженных вакансий кислорода, высокие концентрации которых ответственны за n-тип электропроводности ZnO.

По методике косвенного построения ВАХ по АСМ-данным была получена ВАХ пленки ZnO:Al (рис. 4) в выбранной точке (рис. 1). Алгоритм данной методики подразумевает проведение измерений в режиме SSRM и экспорт полученных данных в текстовый формат. Далее пользователь совмещает топографии (из-за термодрейфа исследуемая область смещается при многократном сканировании), при этом происходит автоматическое совмещение карт тока. Затем выбирается точка на топографии, в которой и строится локальная ВАХ [16].

ВАХ пленки ZnO:Al, построенная в среде Lab VIEW

Рисунок 4 - ВАХ пленки ZnO:Al, построенная в среде Lab VIEW

Туннельная ВАХ исследуемой пленки ZnO:Al, построенная в выбранной точке поверхности (рис. 4), позволяет определить энергетический зазор, соответсветствующий ширине запрещенной зоны исследуемого материала (3,36 эВ), и тип электропроводности пленки (п-тип).

Заключение

В данной работе были исследованы тонкие слои ZnO:Al, полученные методом спрей-пиролиза. Исследование электрофизических свойств показало, что ток протекает частично по вершинам и преимущественно по границам зерен. В режиме туннельной атомно-силовой микроскопии построены локальные ВАХ исследуемой пленки.

Изучено влияние количества сканирований на изменение радиуса закругления зондового датчика; установлена зависимость перепада высот, фиксируемых атомно-силовым микроскопом в исследуемом образце, от количества сканирований.

Работа выполнена в УНЛ «Наноматериалы» под руководством д.ф.-м.н., проф. В.А. Мошникова и к.ф.-м.н., доц. А.И. Максимова.

Авторы статьи выражают благодарность аспиранту кафедры микро- и наноэлектроники Л.Б. Матюшкину за предоставление образцов.

Работа выполнена в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности № 16.2112.2014/К.

Библиографический список

1. Бобков А.А., Максимов А.И., Мошников В.А., Сомов П.А., ТеруковЕ.И. Наноструктурированные материалы на основе оксида цинка для гетероструктурных солнечных элементов // Физика и техника полупроводников. 2015. Т. 49. № 10. С. 1402-1406.

  • 2. Бобков А.А. Исследование микроструктуры и сенсорных свойств наноструктурированных слоев оксида цинка // Молодой ученый. 2014. № 7. С. 115-118.
  • 3. Рябко А.А., Лашкова Н.А. Синтез 1-D структур ZnO для фотовольтаики нового поколения // Молодой ученый. 2016. № 6 (110). С. 168-173.
  • 4. Moshnikov V.A., Gracheva I.E., Kuznezov V.V. Maximov A.I., Karpova S.S., Ponomareva A. A. Hierarchical nanostructured semiconductor porous materials for gas sensors // Journal of non-crystalline solids. 2010. T. 356. № 37-40. C.2020-2025 (Scopus).
  • 5. Давыдов С.Ю., Мошников B.A., Федотов А.А. Адсорбция газов на полупроводниковых оксидах: изменение работы выхода // Письма в Журнал технической физики. 2004. Т. 30. № 17. С. 39-44.
  • 6. Сенькин А.Е., Селезнев Б.И., Максимов А.И., Мошников В.А. Микропроцессорный газоаналитический модуль // Вестник Новгородского Государственного Университета. 2004. №26. С. 161-168.
  • 7. Лашкова Н.А., Максимов А.И., Матюшкин Л.Б., Мошников В.А. и др. Локальные электрофизические свойства проводящих пленок ZnO // Бутлеровские сообщения. 2015. Т. 42. № 6. С. 48-53.
  • 8. Benzarouk Н., Drici A., Mekhnache М., Amara A., Guerioune М., Bemede J.C., Bendjffal Н. Effect of different dopant elements (Al, Mg and Ni) on microstructural, optical and electrochemical properties of ZnO thin films deposited by spray pyrolysis (SP). // Superlattices and Microstrucrures. 52 (2012) 594-604.
  • 9. Лашкова H.A., Максимов А.И., Рябко A.A., Бобков А.А., Мошников В.А., Теруков Е.И. Синтез наноструктур на основе оксида цинка для создания гетероструктурных фотовольтаических элементов / ФТП. 2016. Т.50. №9. С. 1276-1280.
  • 10. Стребков Д.С., Пореев И.А., Чирков В.Г., Ерхов М.В. Технологии получения и использования возобновляемых источников энергии для АПК // Техника и оборудование для села. 2008. №5. С. 29-31.
  • 11. Бессель В.В., Беляев А.А., Зверев А.М. Энергосбережение в магистральном транспорте газа за счет использования возобновляемых источников энергии // Территория Нефтегаз. 2013. №9. С. 84-93.
  • 12. Мошников В.А., Спивак Ю.М., Алексеев П.А., Пермяков Н.В. Атомно-силовая микроскопия для исследования наноструктурированных материалов и приборных структур: Учеб, пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. 144 с.
  • 13. Spivak Y.M., Moshnikov V.A. Features of photosensitive polycrystalline PbCdS layers with a network-like structure // Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 4 (1) (2010) 71-76.
  • 14. Мошников В.А., Спивак Ю.М. Атомно-силовая микроскопия для нанотехнологии и диагностики: Учеб, пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009. 80 с.
  • 15. Александрова О.А., Титков А.Н., Кононова И.Е., Максимов А.И., МараеваЕ.В., Мошников В.А., Муратова Е.Н., Налимова С.С., Пермяков Н.В., Спивак Ю.М., Алексеев П.А. Диагностика материалов методами сканирующей зондовой микроскопии. Учеб, пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. 172 с.
  • 16. Лашкова Н.А., Пермяков Н.В., Максимов А.И., Спивак Ю.М., Мошников В.А. Анализ локальных областей полупроводниковых нанообъектов методом туннельной атомносиловой микроскопии // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки №1 (213). 2015. С. 31-42.

© Александрова А.А., Лашкова Н.А., 2016

DOI 10.12737/20672

УДК 621.891.2

Гуща А.А.

ассистент кафедры автомобильного транспорта Полоцкого государственного университета, г. Новополоцк, Республика Беларусь Жорник И.В.

д. т. н., доцент, заместитель начальника отделения технологий машиностроения и металлургии ГНУ «Объединенный институт машиностроения НАН Беларуси» г. Минск, Республика Беларусь Дудан А.В.

к.т.н., доцент кафедры автомобильного транспорта Полоцкого государственного университета, г. Новополоцк, Республика Беларусь

Hushcha А. А.

assistant of the department of road transport Polotsk state University, Novopolotsk, Republic of Belarus Zhornik V. I. Ph. D., associate professor, deputy head of department of manufacturing engineering and metallurgy SSI "joint Institute of mechanical engineering of NAS of Belarus", Minsk, Republic of

Belarus

Dudan A.V.

Ph. D., associate professor of the department of road transport Polotsk state University, Novopolotsk, Republic of Belarus

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>