Нанорозмірні кремнієві одновимірні структури для сенсорів фізичних та хімічних величин
| dc.contributor.advisor | Коваль, Вікторія Михайлівна | |
| dc.contributor.author | Ліневич, Ярослав Олексійович | |
| dc.date.accessioned | 2025-06-16T09:58:24Z | |
| dc.date.available | 2025-06-16T09:58:24Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Linevych Ya. O. One-dimensional silicon nanostructures for physical and chemical sensors. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for obtaining of the scientific degree of Doctor of Philosophy in specialty 153 – Micro- and nanosystem engineering (field of knowledge 15 – Automation and instrument engineering). - National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2025. The work is devoted to the study of an array of silicon nanowires (SiNWs) and its modifications for use in sensors of physical and chemical quantities. The scientific and applied research presented in this thesis focuses on the practical study of the influence of technological parameters of SiNWs array creation on the static and dynamic parameters of sensors based on it. Nanoscale silicon one-dimensional structures are becoming increasingly common in modern scientific and technical research into physical and chemical sensors. They have unique properties, such as high aspect ratio and large specific surface area, which can significantly increase the sensitivity of sensors. One-dimensional structures made from silicon are used in various fields, including medicine, environmental monitoring, food industry, and everyday life. Their use makes it possible to create highly sensitive sensors for measuring of temperature, light, humidity, and detecting of various gases and chemicals (VOCs). Silicon nanowires, which are the basis of such sensors, can be fabricated using various methods, including chemical vapor deposition (CVD), chemical etching (MACE), and lithography. In this work, we investigate the properties of SiNWs obtained using the MACE method. In particular, a comparative analysis of the effect of various technological parameters of SiNWs synthesis (duration of the first and second stages of MACE, as well as the content of solutions) and the type of modification on the static and dynamic parameters of sensors to various physical and chemical quantities was carried out. The relevance and novelty of the dissertation research is due to the need to determine the optimal parameters for the synthesis of silicon 1D structures to create various sensors of physical 8 and chemical quantities, as well as to improve stability, sensitivity, performance and selectivity by means of their surface modification. In the first chapter, we investigated the technologies, materials, and designs of sensors based on nanoscale silicon 1D structures for sensing chemical and physical quantities. It was found that sensors based on SiNWs have high sensitivity and adsorption properties due to their unique electronic properties and developed surface structure, which ensures accurate detection of various chemical and biological compounds. Other advantages of SiNW-based sensors include room temperature operation and compatibility with ICs, and due to their miniature size, these sensors can be used in various fields, including air and water pollutant monitoring and medical diagnostics. However, a review of the literature revealed several major problems with such sensors. First, SiNW-based sensors often have limited stability under different operating conditions, which can affect the accuracy of measurements. Secondly, such devices are characterized by relatively long response and recovery times, which determine the low speed of the sensor. Third, the durability of such sensors requires additional research, as silicon tends to oxidize over time. To overcome these problems, this paper proposes several promising approaches: improvement of the technological parameters of SiNWs array synthesis and the use of various types of their surface modification, which can improve the performance, stability, and sensitivity of such sensors. In the second chapter, it was described the fabrication of sensitive structures based on an array of SiNWs for physical and chemical sensors with planar contact geometry (resistive/capacitive type) and showed the effect of SiNWs fabrication parameters on their surface morphology, as well as static parameters (response and sensitivity) and dynamic parameters (response time and recovery time) of sensors based on them. It has been shown that the addition of one-dimensional silicon nanostructures to the composition of physical quantity sensors has significantly improved their sensitivity and performance. In particular, it was found that an increase in the resistivity of the device substrate leads to a significant deterioration in the response for temperature and light sensors, but to an improvement in humidity and VOC sensors. Additional treatment before the MACE operation (texturing) improved the response for light sensors, but worsened the response for temperature, humidity, and VOC sensors. Increasing the time of AgNPs deposition resulted in a 9 deterioration of the response for all sensors. A significant increase in the time of silicon etching leads to a deterioration in the response of temperature and light sensors, but on the contrary, to an improvement in humidity and VOC sensors. An increase in the content of H2O2 in the solution to 0.8-1 ml leads to an improvement in the response of all physical and VOC sensors. The obtained results indicate that the use of a simple and cheap nanowire synthesis technology is effective for the production of physical and chemical sensors. In the third chapter, it was described the fabrication of sensitive structures based on an array of SiNWs for sensors of physical and chemical quantities with a p-n junction (diode type) and showed the effect of SiNW fabrication parameters on the static parameters (response and sensitivity) and dynamic parameters (response time and recovery time) of sensors based on them. In particular, it was found that an increase in the resistivity of the device substrate leads to a significant deterioration in the response for temperature sensors, but to an improvement in light, humidity, and VOC sensors. Additional treatment before the MACE operation (texturing) improved the response for light sensors, but degraded the response for temperature, humidity, and VOC sensors. Increasing the deposition time of AgNPs led to a deterioration in the response of the light and VOC sensors, and in the case of temperature and humidity sensors, to an improvement at low deposition times. Increasing the content of silver nitrate during the first stage of MACE to 68 mg leads to improved response in all sensors. Increasing the time of silicon etching to 90 min leads to an improvement in the response of all sensors. Increasing the content of H2O2 in the solution to 0.8 ml leads to an improvement in the response of all sensors. Comparison of resistive/capacitive and diode sensors with each other showed that resistive/capacitive sensors are characterized by higher sensitivity but lower speed compared to diode sensors for the corresponding physical and chemical quantities. Therefore, resistive/capacitive structures based on SiNWs should be used for applications requiring high measurement accuracy, and diode structures based on SiNWs should be used for applications requiring fast response (human breath analysis sensors, leakage sensors for toxic and explosive gases, liquids, etc.) However, the developed sensors for applied applications may not have sufficiently high speed, stability (reversibility), and selectivity. Therefore, in this work, we propose to carry out structural and chemical modification of the surface of the SiNWs array. 10 In the fourth chapter, it was described the fabrication of sensitive structures based on structurally, chemically, and structurally-chemically modified SiNWs array for physical and chemical sensors and showed the effect of SiNWs array modification parameters (time and type of structural modification, as well as the nature and amount of chemical modifier) on the static parameters (response and sensitivity) and dynamic parameters (response time and recovery time) of sensors based on them. It is shown that the modification of the surface of the SiNWs array under optimal conditions has led to a significant improvement in the sensitivity of sensors of physical and chemical quantities based on them. In particular, it was found that the isotropic structural modification improves the response in diode sensors of physical and chemical quantities the most, while the anisotropic structural modification improves the response in resistive/capacitive sensors the most. From the point of view of chemical modification of the SiNWs array surface, the following trends in the influence of modifiers of different nature were established. Graphene improves the response in a thermistor and a resistive VOC sensor the most. Fullerenes improve the response in thermodiodes, photoresistors, photodiodes, and diode-type VOC sensors the most. MWCNTs improve the response of both capacitive and diode-type humidity sensors the most. The results obtained indicate that the use of a simple and cheap technology for modifying the SiNWs array is effective for the production of physical and chemical sensors. The direction of further research may be the development of multiparameter sensors based on the synthesized structures for the simultaneous measurement of basic environmental parameters (temperature, illumination and humidity), human breath sensors based on VOC sensors, in which the signal value is affected by humidity, temperature and chemical composition of breath, solar radiation power sensors, in which the signal value is affected by illumination and temperature, as well as odor sensors for the electronic nose, in which the signal value is affected by humidity and chemical composition. In the fifth chapter, we investigated the fabricated capacitive sensors based on a modified SiNWs array for analyzing breath, odor, and smoke and determined the effect of structural and chemical modification of the SiNWs array on the static and dynamic parameters of devices based on them. In particular, it was found that the sensors with a modified surface (alkaline modification and a graphene layer) were the best at distinguishing 11 between different exhalation rates of a person, both through the mouth and nose, so the developed sensors are proposed for use in wearable devices for analyzing breath during sport training. In turn, for odor sensors that detect various types of essential oils, beverages, and foods, the best results in terms of selectivity and performance were provided by the acid modification with a layer of MWCNTs. The obtained sensors can be used to develop an electronic nose that can determine the freshness of food (household, food industry), prevent counterfeiting of alcoholic beverages (household, beverage industry) and essential oils (household, perfumery and cosmetics). For smoke sensors, depending on the application, the following is recommended: for rapid detection of cigarette smoke, use an alkali-modified SiNWs array, and for greater selectivity but lower speed, use an alkali-modified SiNWs array with a layer of MWCNTs. Thus, in this section, we have demonstrated the possibility of using sensors based on an array of SiNWs with a modified surface in breath, odor, and smoke sensors. | |
| dc.format.extent | 221 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/74263 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | метало-стимульоване хімічне травлення | |
| dc.subject | срібні наночастинки | |
| dc.subject | оптичні сенсори | |
| dc.subject | вольт-амперна характеристика | |
| dc.subject | кремнієві нанонитки | |
| dc.subject | температура | |
| dc.subject | густина газу | |
| dc.subject | сенсори вологості | |
| dc.subject | кремній | |
| dc.subject | фотопровідність | |
| dc.subject | нанорозмірні шари | |
| dc.subject | наночастинки | |
| dc.subject | термодіодний сенсор | |
| dc.subject | тонка плівка | |
| dc.subject | газові сенсори | |
| dc.subject | metal-assisted chemical etching | |
| dc.subject | silver nanoparticles | |
| dc.subject | optical sensors | |
| dc.subject | current-voltage characteristics | |
| dc.subject | silicon nanowires | |
| dc.subject | temperature | |
| dc.subject | gas density | |
| dc.subject | humidity sensors | |
| dc.subject | silicon | |
| dc.subject | photoconductivity | |
| dc.subject | nanoscale layers | |
| dc.subject | nanoparticles | |
| dc.subject | thermodiode sensor | |
| dc.subject | thin film | |
| dc.subject | gas sensors | |
| dc.subject.udc | 538.9, 539.2, 539.3, 620.3 | |
| dc.title | Нанорозмірні кремнієві одновимірні структури для сенсорів фізичних та хімічних величин | |
| dc.title.alternative | One-dimensional silicon nanostructures for physical and chemical sensors | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: