Нанорозмірні кремнієві одновимірні структури для сенсорів фізичних та хімічних величин
Вантажиться...
Дата
2025
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Ліневич Я. О. Нанорозмірні кремнієві одновимірні структури для сенсорів фізичних та хімічних величин. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 153 – Мікро- та наносистемна техніка (галузь знань 15 – Автоматизація та приладобудування). – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”, Київ, 2025. Робота присвячена розробці технології створення та модифікації масиву кремнієвих нанонток (КНН) для використання в сенсорах фізичних та хімічних величин. Науково-прикладні дослідження, висвітлені в дисертаційній роботі, зосереджені на практичному дослідженні впливу технологічних параметрів створення масиву КНН на статичні та динамічні параметри сенсорів на його основі. У сучасних науково-технічних дослідженнях сенсорів фізичних та хімічних величин все більшого поширення набувають нанорозмірні кремнієві одновимірні структури. Вони мають унікальні властивості, такі як високе аспектне співвідношення сторін та велика питома поверхня, що дозволяє значно підвищити чутливість сенсорів. Одновимірні структури з кремнію знаходять застосування у різних галузях, зокрема, в медицині, екологічному моніторингу, харчовій промисловості та у побуті. Їх використання дозволяє створювати високочутливі сенсори для вимірювання температури, освітлення, вологості, а також виявлення різних газів і хімічних речовин (ЛОС). Кремнієві нанонитки, що є основою таких сенсорів, можуть бути виготовлені за допомогою різних методів, зокрема хімічного осадження з парової фази (CVD), хімічного травлення (МСХТ) та літографії. У роботі досліджено властивості КНН, отриманих з використанням методу МСХТ. Зокрема, проведено порівняльний аналіз впливу різних технологічних параметрів створення КНН (тривалість першої та другої стадії МСХТ, а також вміст розчинів) та типу модифікації на статичні та динамічні параметри сенсорів фізичних і хімічних величин. Актуальність дисертаційного дослідження обумовлена потребою у визначенні параметрів створення кремнієвих 1D 3 структур для створення різних сенсорів фізичних і хімічних величин, а також вдосконалення їх шляхом поверхневої модифікації для покращення стабільності, чутливості, швидкодії та селективності. У першому розділі був наведений літературний огляд технології створення, матеріалів та конструкцій сенсорів на основі нанорозмірних кремнієвих 1D структур для сенсорів хімічних та фізичних величин. Було встановлено, що сенсори на основі КНН мають високу чутливість та адсорбційні властивості завдяки унікальним електронним властивостям та розвинутій поверхневій структурі, що забезпечує точне виявлення різних хімічних і біологічних сполук. Також до переваг сенсорів на основі КНН слід віднести кімнатні робочі температури та сумісність з ІС, а завдяки їх мініатюрним розмірам, ці сенсори можуть бути використані в різних сферах, включаючи моніторинг забруднювачів повітря, води та медичну діагностику. Однак огляд літератури виявив декілька основних проблем таких сенсорів. По-перше, сенсори на основі КНН часто мають обмежену стабільність за різних умов експлуатації, що може впливати на точність вимірювань. По-друге, таким приладам є властивим порівняно великі часи відгуку та відновлення, що визначають низьку швидкодію сенсора. По-третє, довговічність таких сенсорів потребує додаткових досліджень, оскільки кремній має властивість окислюватися з часом. Для подолання цих проблем в даній роботі запропоновано кілька перспективних підходів для вирішення виявлених проблем: дослідження та вдосконалення технологічних параметрів створення масиву КНН та використання різних видів поверхневої модифікація масиву КНН, що може підвищити швидкодію, стабільність та чутливість таких сенсорів. У другому розділі описано виготовлення чутливих структур на основі масиву КНН для сенсорів фізичних та хімічних величин з планарною геометрією контактів (резистивного/ємнісного типу) та наведено вплив параметрів створення КНН на їх поверхневу морфологію, а також статичні параметри (відгук та чутливість) та динамічні параметри (час відгуку та час відновлення) сенсорів на їх основі. Показано, що додавання одновимірних кремнієвих наноструктур до складу сенсорів фізичних величин значно покращило їх чутливість та швидкодію. Зокрема було встановлено, 4 що збільшення питомого опору підкладки сенсорів призводить до значного погіршення відгуку для сенсорів температури і освітленості, але до покращення в сенсорах вологості та ЛОС. Додаткова обробка перед операцією МСХТ (текстурування) покращило відгук для сенсорів освітленості, але для сенсорів температури, вологості та ЛОС погіршило відгук. Збільшення часу осадження AgNPs призвело до погіршення відгуку для всіх сенсорів. Значне збільшення часу травлення кремнію призводить в сенсорах температури і освітленості до погіршення відгуку, але в сенсорах вологості та ЛОС навпаки до покращення. Збільшення вмісту Н2О2 в розчині до 0,8-1 мл призводить до покращення відгуку всіх сенсорів фізичних величин та ЛОС. Одержані результати свідчать про те, що використання простої та дешевої технології створення нанониток є ефективним для виробництва сенсорів фізичних та хімічних величин. У третьому розділі описано виготовлення чутливих структур на основі масиву КНН для сенсорів фізичних і хімічних величин з p-n-переходом (діодного типу) та наведено вплив параметрів створення КНН на статичні параметри (відгук та чутливість) та динамічні параметри (час відгуку та час відновлення) сенсорів на їх основі. Зокрема було встановлено, що збільшення питомого опору підкладки сенсорів призводить до значного погіршення відгуку для сенсорів температури, але до покращення в сенсорах освітленості, вологості та ЛОС. Додаткова обробка перед операцією МСХТ (текстурування) покращило відгук для сенсорів освітленості, але для сенсорів температури, вологості та ЛОС погіршило відгук. Збільшення часу осадження AgNPs призвело до погіршення відгуку в сенсорах освітленості та ЛОС, а у випадку сенсорів температури та вологості – до покращення за малих часів осадження. Збільшення вмісту нітрату срібла під час першого етапу МСХТ до 68 мг призводить до покращення відгуку у всіх сенсорах. Збільшення часу травлення кремнію до 90 хв призводить до покращення відгуку у всіх сенсорах. Збільшення вмісту Н2О2 в розчині до 0,8 мл призводить до покращення відгуку всіх сенсорів. Порівняння резистивних та діодних сенсорів між собою показало, що резистивні сенсори характеризуються вищою чутливості, але нижчою швидкодією в порівнянні з діодними сенсорами відповідних фізичних та хімічних величин. Тому для 5 застосувань, які потребують високої точності вимірів, слід використовувати резистивні структури на основі КНН, а для застосувань, які потребують швидкого відгуку – діодні структури на основі КНН (сенсори аналізу дихання людини, сенсори витоку токсичних та вибухонебезпечних газів, рідин тощо). Однак розроблені сенсори для прикладного застосування можуть мати недостатньо високу швидкодію, стабільність (реверсивність) та селективність. Тому в даній роботі пропонується здійснити структурну та хімічну модифікація поверхні масиву КНН. У четвертому розділі описано виготовлення чутливих структур на основі структурно, хімічно та структурно-хімічно модифікованого масиву КНН для сенсорів фізичних та хімічних величин та наведено вплив параметрів модифікації масиву КНН (час та тип структурної модифікації, а також природа та кількість хімічного модифікатора) на статичні параметри (відгук та чутливість) та динамічні параметри (час відгуку та час відновлення) сенсорів на їх основі. Показано, що модифікація поверхні масиву КНН призвела до значного покращення чутливості сенсорів фізичних та хімічних величин на їх основі. Зокрема було встановлено, що ізотропна структурна модифікація найбільше покращує відгук в діодних сенсорах фізичних та хімічних велич, в свою чергу анізотропна структурна модифікація найбільше покращує відгук в резистивних/ємнісних сенсорах. З точки зору хімічної модифікації поверхні масиву КНН, були встановлені наступні тенденції впливу модифікаторів різної природи. Графен найбільше покращує відгук в терморезисторі та сенсорі ЛОС резистивного типу. Фулерени найбільше покращують відгук в термодіодах, фоторезисторах, фотодіодах та ЛОС сенсорів діодного типу. БВНТ найбільше покращують відгук сенсорів вологості як ємнісного, так діодного типу. Одержані результати свідчать про те, що використання простої та дешевої технології модифікації масиву КНН є ефективним для виробництва сенсорів фізичних та хімічних величин. Напрямом подальших досліджень може бути розробка на основі створених структур мультипараметричних сенсорів для одночасного вимірювання базових параметрів навколишнього середовища (температура, освітленість та вологість), сенсорів подиху людини на основі сенсорів ЛОС, в яких на величину сигналу впливає вологість, температура і хімічний склад подиху, сенсорів потужності 6 сонячного випромінення, в яких на величину сигналу впливає освітленість та температура, а також сенсорів запаху для електронного носу, в яких на величину сигналу впливає вологість та хімічний склад рідин та твердих речовин. У п’ятому розділі наведено дослідження виготовлених ємнісних структур на основі модифікованого масиву КНН для аналізу подиху, запаху і диму та наведено вплив структурної та хімічної модифікації масиву КНН на статичні та динамічні параметри приладів на їх основі. Зокрема було встановлено, що сенсори з модифікованою поверхнею (лужна модифікація та шар графену) найкраще розрізняли різні темпи дихання людини, причому як ротом, так і носом, тому розроблені сенсори пропонуються для використання в носимих приладах для аналізу подиху під час заняття спортом. В свою чергу, для сенсорів запаху, які реєструють різні види ефірів, напоїв та харчових продуктів, найкращі результати щодо селективності та швидкодії забезпечувала кислотна модифікація з шаром БВНТ. Отримані сенсори можуть бути використані для розробки електронного носа, який може визначати свіжість продуктів харчування (побут, харчова промисловість), запобігати підробці алкогольних напоїв (побут, індустрія напоїв) та ефірних олій (побут, парфумерія та косметика). Для сенсорів диму в залежності від області застосування рекомендується наступне: для швидкої детекції наявності диму цигарок використовувати лужно модифікований масив КНН, а для більшої селективності, але меншої швидкодії – лужно модифікований масив КНН з нанесеним шаром БВНТ. Таким чином, в даному розділі було продемонстровано можливість використовувати сенсори на основі масиву КНН з модифікованою поверхнею в сенсорах подиху, запаху та диму.
Опис
Ключові слова
метало-стимульоване хімічне травлення, срібні наночастинки, оптичні сенсори, вольт-амперна характеристика, кремнієві нанонитки, температура, густина газу, сенсори вологості, кремній, фотопровідність, нанорозмірні шари, наночастинки, термодіодний сенсор, тонка плівка, газові сенсори, metal-assisted chemical etching, silver nanoparticles, optical sensors, current-voltage characteristics, silicon nanowires, temperature, gas density, humidity sensors, silicon, photoconductivity, nanoscale layers, nanoparticles, thermodiode sensor, thin film, gas sensors
Бібліографічний опис
Ліневич, Я. О. Нанорозмірні кремнієві одновимірні структури для сенсорів фізичних та хімічних величин : дис. … д-ра філософії : 153 Мікро- та наносистемна техніка / Ліневич, Ярослав Олексійович. – Київ, 2025. – 221 с.