Нанокристаллические пленки оксида церия для биолюминесцентных сенсорных систем

Изучены свойства нанокристаллических пленок оксида церия, установлены основные закономерности их формирования в зависимости от технологических режимов вакуумного нанесения методом взрывного испарения и типа подложки с целью создания высокочувствительных фотоприемников. Морфология поверхности пленок...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2009
Hauptverfasser:	Борисов, А.В., Шмырева, А.Н., Максимчук, Н.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2009
Schriftenreihe:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76387
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Нанокристаллические пленки оксида церия для биолюминесцентных сенсорных систем / А.В. Борисов, А.Н. Шмырева, Н.В. Максимчук // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 1. — С. 245-254. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-76387
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-763872025-02-09T17:06:46Z Нанокристаллические пленки оксида церия для биолюминесцентных сенсорных систем Cerium Oxide Nanocrystalline Films for Bioluminescence Sensor Systems Борисов, А.В. Шмырева, А.Н. Максимчук, Н.В. Изучены свойства нанокристаллических пленок оксида церия, установлены основные закономерности их формирования в зависимости от технологических режимов вакуумного нанесения методом взрывного испарения и типа подложки с целью создания высокочувствительных фотоприемников. Морфология поверхности пленок СеОх исследовалась методом атомно-силовой микроскопии, а электронная структура пленок – методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. На фотоэлектронном спектре наблюдаются максимумы трёх- и четырёхвалентного Се. Показано, что наибольшей фоточувствительностью в спектральном диапазоне 380—450 нм обладают нанокристаллические пленки со структурой Si/SiO₂/CeOx, осажденные при температуре 200°С, и пленки со структурой Si/Si₃N₄/CeOx c температурами осаждения 200°С и 300°С. Минимальным ТКС в области рабочих температур обладают пленки, нанесенные на подложку из SiO₂ при температуре 200°С, – 0,36%/град. Досліджено властивості нанокристалічних плівок оксиду церію, встановлено основні закономірності їхнього формування в залежності від технологічних режимів вакуумного нанесення методою вибухового випаровування і типу підложжя з метою створення високочутливих фотоприймачів. Морфологія поверхні плівок СеОх досліджувалася методою атомовосилової мікроскопії, а електронна структура плівок – методою Рентґенової фотоелектронної спектроскопії. На фотоелектронному спектрі спостерігаються максимуми три- та чотировалентного Се. Показано, що найбільшу фоточутливість у спектральному діяпазоні 380—450 нм мають нанокристалічні плівки зі структурою Sі/SіО₂/CeOx, осаджені за температури 200°С, та плівки зі структурою Sі/Sі₃N₄/CeOx з температурами осадження 200°С і 300°С. Мінімальний температурний коефіцієнт опору в області робочих температур спостерігався у плівок, нанесених на підложжя з SіО₂ за температури 200°С, – 0,36%/град. For the purpose of creation of the high-sensitive photodetectors, the properties of nanocrystalline films of cerium oxide are studied, and the basic mechanism of their formation depending on the technological conditions of vacuum deposition by means of explosive evaporation and type of substrate are determined. Morphology of CeOх films surface is investigated using atomicforce microscopy technique, and electronic structure of films is studied with using the method of x-ray photoelectron spectroscopy. The x-ray diffraction peaks of Ce(III) and Ce(IV) are observed in photoelectronic spectrum. As shown, the films deposited on SiO₂ substrate at 200°C and the films deposited on Si₃N₄ substrate at 200°C and 300°C exhibit the most photosensitivity within the spectral range of 380—450 nm. Minimal temperature-resistance coefficient, 0.36%/deg, at operating temperature is revealed in the films deposited on SiO₂ substrate at 200°C. Авторы выражают благодарность М. Г. Душейко и Ю. В. Ясиевичу за предоставление образцов вакуумных конденсатов. 2009 Article Нанокристаллические пленки оксида церия для биолюминесцентных сенсорных систем / А.В. Борисов, А.Н. Шмырева, Н.В. Максимчук // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 1. — С. 245-254. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 68.37.Ps,73.50.Pz,81.05.Je,81.07.Bc,81.15.Ef,85.60.Gz,87.80.-y https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76387 ru Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології application/pdf Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Изучены свойства нанокристаллических пленок оксида церия, установлены основные закономерности их формирования в зависимости от технологических режимов вакуумного нанесения методом взрывного испарения и типа подложки с целью создания высокочувствительных фотоприемников. Морфология поверхности пленок СеОх исследовалась методом атомно-силовой микроскопии, а электронная структура пленок – методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. На фотоэлектронном спектре наблюдаются максимумы трёх- и четырёхвалентного Се. Показано, что наибольшей фоточувствительностью в спектральном диапазоне 380—450 нм обладают нанокристаллические пленки со структурой Si/SiO₂/CeOx, осажденные при температуре 200°С, и пленки со структурой Si/Si₃N₄/CeOx c температурами осаждения 200°С и 300°С. Минимальным ТКС в области рабочих температур обладают пленки, нанесенные на подложку из SiO₂ при температуре 200°С, – 0,36%/град.
format	Article
author	Борисов, А.В. Шмырева, А.Н. Максимчук, Н.В.
spellingShingle	Борисов, А.В. Шмырева, А.Н. Максимчук, Н.В. Нанокристаллические пленки оксида церия для биолюминесцентных сенсорных систем Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Борисов, А.В. Шмырева, А.Н. Максимчук, Н.В.
author_sort	Борисов, А.В.
title	Нанокристаллические пленки оксида церия для биолюминесцентных сенсорных систем
title_short	Нанокристаллические пленки оксида церия для биолюминесцентных сенсорных систем
title_full	Нанокристаллические пленки оксида церия для биолюминесцентных сенсорных систем
title_fullStr	Нанокристаллические пленки оксида церия для биолюминесцентных сенсорных систем
title_full_unstemmed	Нанокристаллические пленки оксида церия для биолюминесцентных сенсорных систем
title_sort	нанокристаллические пленки оксида церия для биолюминесцентных сенсорных систем
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2009
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76387
citation_txt	Нанокристаллические пленки оксида церия для биолюминесцентных сенсорных систем / А.В. Борисов, А.Н. Шмырева, Н.В. Максимчук // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 1. — С. 245-254. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT borisovav nanokristalličeskieplenkioksidaceriâdlâbiolûminescentnyhsensornyhsistem AT šmyrevaan nanokristalličeskieplenkioksidaceriâdlâbiolûminescentnyhsensornyhsistem AT maksimčuknv nanokristalličeskieplenkioksidaceriâdlâbiolûminescentnyhsensornyhsistem AT borisovav ceriumoxidenanocrystallinefilmsforbioluminescencesensorsystems AT šmyrevaan ceriumoxidenanocrystallinefilmsforbioluminescencesensorsystems AT maksimčuknv ceriumoxidenanocrystallinefilmsforbioluminescencesensorsystems
first_indexed	2025-11-28T10:35:00Z
last_indexed	2025-11-28T10:35:00Z
_version_	1850030017172471808
fulltext	245 PACS numbers: 68.37.Ps, 73.50.Pz, 81.05.Je, 81.07.Bc, 81.15.Ef, 85.60.Gz, 87.80.-y Нанокристаллические пленки оксида церия для биолюминесцентных сенсорных систем А. В. Борисов, А. Н. Шмырева, Н. В. Максимчук Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», просп. Победы, 37, 03056 Киев, Украина Изучены свойства нанокристаллических пленок оксида церия, установ- лены основные закономерности их формирования в зависимости от тех- нологических режимов вакуумного нанесения методом взрывного испа- рения и типа подложки с целью создания высокочувствительных фото- приемников. Морфология поверхности пленок СеОх исследовалась мето- дом атомно-силовой микроскопии, а электронная структура пленок – методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. На фотоэлек- тронном спектре наблюдаются максимумы трёх- и четырёхвалентного Се. Показано, что наибольшей фоточувствительностью в спектральном диа- пазоне 380—450 нм обладают нанокристаллические пленки со структурой Si/SiO2/CeOx, осажденные при температуре 200°С, и пленки со структурой Si/Si3N4/CeOx c температурами осаждения 200°С и 300°С. Минимальным ТКС в области рабочих температур обладают пленки, нанесенные на под- ложку из SiO2 при температуре 200°С, – 0,36%/град. Досліджено властивості нанокристалічних плівок оксиду церію, встанов- лено основні закономірності їхнього формування в залежності від техно- логічних режимів вакуумного нанесення методою вибухового випарову- вання і типу підложжя з метою створення високочутливих фотоприйма- чів. Морфологія поверхні плівок СеОх досліджувалася методою атомово- силової мікроскопії, а електронна структура плівок – методою Рентґено- вої фотоелектронної спектроскопії. На фотоелектронному спектрі спосте- рігаються максимуми три- та чотировалентного Се. Показано, що найбі- льшу фоточутливість у спектральному діяпазоні 380—450 нм мають нано- кристалічні плівки зі структурою Sі/SіО2/CeOx, осаджені за температури 200°С, та плівки зі структурою Sі/Sі3N4/CeOx з температурами осадження 200°С і 300°С. Мінімальний температурний коефіцієнт опору в області робочих температур спостерігався у плівок, нанесених на підложжя з SіО2 за температури 200°С, – 0,36%/град. Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2009, т. 7, № 1, сс. 245—254 © 2009 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 246 А. В. БОРИСОВ, А. Н. ШМЫРЕВА, Н. В. МАКСИМЧУК For the purpose of creation of the high-sensitive photodetectors, the proper- ties of nanocrystalline films of cerium oxide are studied, and the basic me- chanism of their formation depending on the technological conditions of vac- uum deposition by means of explosive evaporation and type of substrate are determined. Morphology of CeOх films surface is investigated using atomic- force microscopy technique, and electronic structure of films is studied with using the method of x-ray photoelectron spectroscopy. The x-ray diffraction peaks of Ce(III) and Ce(IV) are observed in photoelectronic spectrum. As shown, the films deposited on SiO2 substrate at 200°C and the films deposited on Si3N4 substrate at 200°C and 300°C exhibit the most photosensitivity within the spectral range of 380—450 nm. Minimal temperature-resistance coefficient, 0.36%/deg, at operating temperature is revealed in the films deposited on SiO2 substrate at 200°C. Ключевые слова: нанокристаллические пленки, оксид церия, фоторе- зистивные преобразователи, биолюминесцентные сенсоры. (Получено 8 апреля 2008 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Биолюминесцентные сенсоры способны интегрировать эффекты смесей токсикантов, определять концентрацию канцерогенных ве- ществ. Однако, для биолюминесцентных реакций характерен низ- кий уровень излучения (600 квантов/с⋅см2) и поэтому его регистри- руют с помощью фотоэлектронных умножителей, которые облада- ют высокой фоточувствительностью и возможностью регистрации малых потоков света, но отличаются высокой стоимостью [1, 2]. Для количественного флуоресцентного анализа используются так- же флуоресцентные широкополосные высокоапертурные микро- скопы, снабженные видео- или фотокамерами на основе охлаждае- мых ПЗС-матриц и компьютером [3]. Высокая цена и громоздкость такого оборудования ограничивает его использование. Спектральный диапазон флуоресцентных сенсоров лежит в ко- ротковолновой части спектра 380—450 нм, что обуславливает необ- ходимость выбора или разработки новых типов фотоприемников, которые должны, кроме этого, обладать высокой фоточувствитель- ностью, быстродействием, низким уровнем шумов, стабильностью, низким рабочим напряжением и микроминиатюрностью. Перспективным с такой точки зрения представляется использо- вание наноразмерных материалов, которые в последнее время ши- роко обсуждаются в мировой литературе, поскольку их применение обещает существенный прогресс в материаловедении и физике твердого тела [4]. Так, в области оксидной керамики снижение раз- меров частиц исходного порошка от микро- до нанометров позволя- ет не только повысить плотность и улучшить механические харак- теристики керамических материалов, но и существенно изменить НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ CeOx ДЛЯ СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ 247 их физические свойства. Последнее обусловлено тем, что при пере- ходе от макро- и микро- к нанометровому диапазону размеров час- тиц твердых тел (менее 100 нм) свойства веществ существенно из- меняются. При этом изменения затрагивают основные характери- стики твердого тела – параметр решетки, электронную структуру, температуры плавления и фазовых превращений, температуры Де- бая и Кюри, скорость диффузии и химических реакций. Оксиды церия представляют огромный интерес благодаря своим уникальным свойствам с точки зрения различных применений. Тонкие пленки СеОх имеют постоянную решетки, равную 0,541 нм, мало отличающуюся от постоянной решетки кремния, что делает возможным создание эпитаксиальных изолирующих слоев в крем- ниевой технологии, МДП-приборов и интегральных схем со ста- бильными характеристиками, а также большие значения показате- ля преломления и диэлектрической постоянной. Таким образом, пленки СеОх хорошо подходят для применений в оптических, элек- трооптических, микроэлектронных и оптоэлектронных устройст- вах [5]. Валентность церия влияет на структуру оксидов церия: ок- сид церия (IV) СеО2 образует кубическую решетку, тогда как окси- ды церия (III) Се2О3 имеют гексагональную кристаллическую ре- шетку. Было установлено, что нанокристаллические пленки СеОх состоят в основном из зерен СеО2, причем значительная концентра- ция Се 3+ наблюдается на границах зерен, образуя аморфный Се2О3. Небольшое количество Се 3+ также размещается вокруг вакансий атомов кислорода [5]. Очевидно, что физические свойства пленки существенно зависят от состояния ее поверхности, стехиометрии, кристалличности, плот- ности, микроструктуры и кристаллографической ориентации, то есть, в первую очередь, от методов получения пленки. В связи с этим были изучены свойства нанокристаллических пленок оксида церия в зависимости от технологических режимов вакуумного нанесения и типа подложки с целью создания высокочувствительных фотопри- емников [6]. 2. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ОКСИДА ЦЕРИЯ Пленки СеОх были получены из порошкообразных смесей и соедине- ний методом взрывного испарения (метод «вспышки»). Сущность метода заключается в мгновенном испарении очень малой дозы сме- си или соединения с поверхности испарителя, температура которого должна соответствовать температуре испарения наименее летучего вещества [7—11]. При взрывном испарении большое значение имеет выбор мате- риала испарителя. Так как испаритель должен иметь температуру, 248 А. В. БОРИСОВ, А. Н. ШМЫРЕВА, Н. В. МАКСИМЧУК как правило, превышающую 2000°С, то материал его должен легко нагреваться и не должен взаимодействовать с испаряемым вещест- вом. Чаще всего используют вольфрамовые или танталовые ленты толщиной 0,1мм, нагреваемые с помощью электрического тока. Испарение данным методом проводится обычно в вакууме 10−3—10−2 Па. Пленки оксида церия осаждались при температурах 175—300°С на подложки монокристаллического кремния с пленками оксиди- рованного кремния и нитрида кремния. 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ОКСИДА ЦЕРИЯ С целью достижения максимальной чувствительности фоторези- стивных преобразователей для биолюминесцентных сенсорных сис- тем были проведены комплексные исследования структурных, элек- трофизических, фотоэлектрических и температурных характери- стик экспериментальных образцов фоторезисторов с различным ти- пом структуры. Основным критерием оценки фоточувствительности пленочных фоторезисторов служило изменение сопротивления или выходного тока при малых уровнях облучения полупроводниковыми светодиодами в спектральном диапазоне 380—450 нм, в котором на- блюдается биолюминесценция. Морфология поверхности пленок СеОх исследовалась методом атомно-силовой микроскопии на серийном микроскопе NanoScope IIIa (DI, США) в режиме периодического контакта кремниевым зон- дом с номинальным радиусом острия 5—10 нм, а электронная струк- тура пленок исследовалась методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС) на электронном спектрометре ‘SERIES 800 XPS’ Kratos Analytical. На фотоэлектронном спектре наблюдаются а б Рис. 1. АСМ-изображения поверхности пленки оксида церия, осажден- ной на пленку оксида кремния при температурах 175°С (a) и 250°С (б). НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ CeOx ДЛЯ СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ 249 максимумы трёх- и четырёхвалентного Се. Рентгеноструктурные ис- следования полученных пленок на основе оксида церия, выполнен- ные на Х-дифрактометре модели DMAX—B Japan, показали наличие пика, характерного для нанокристаллической фазы этого оксида [12]. На рисунке 1 представлены АСМ-изображения поверхности пленок оксида церия, имеющих нанокристаллическую структуру. Поверхности сформированы плотноупакованным массивом на- нозерен, которые имеют диаметр 20 нм и высоту до 1,5 нм при тем- пературе подложки 175°С и увеличиваются в размерах (диаметр до 30—50 нм, высота до 4—5 нм) при температуре осаждения 250°С. Проводимость нанокристаллических пленок зависит от их струк- туры, размеров нанокристаллитов, свойств межфазных границ. Вольтамперные характеристики исследуемых образцов фоторези- сторов в указанном на рис. 2 диапазоне напряжений нелинейны и несимметричны. Нелинейность объясняется наличием межзеренных границ в структуре пленки и, соответственно, потенциальных барье- ров, высота которых влияет на величину проводимости. В настоящее время нет четкой теории, которая бы описывала ме- ханизм переноса заряда в нанокристаллах. Большинство авторов склоняются к какому-нибудь одному механизму переноса на кон- кретном участке вольтамперной характеристики. Это такие меха- низмы, как надбарьерный переход, термически активированное туннелирование, полевая эмиссия (туннельный эффект). Можно предположить, что в данном случае мы имеем дело с токами, ограни- ченными пространственным зарядом. Пленочные фоторезисторы подвергались ультрафиолетовому об- лучению с максимумом спектральной характеристики на длине вол- ны λ = 350 нм с помощью ртутной ультрафиолетовой лампы Спектр- UV5-A4-M. Установлено, что нанокристаллические пленки, нане- �15 �10 �5 0 5 10 15 20 �10 -8 �6 -4 �2 0 2 4 6 8 10 1 2 3 4 J, A/м 2 U, В �3 �2 �1 0 1 2 3 4 5 �10 �8 �6 �4 �2 0 2 4 6 8 10 1 2,3,4 J, А/м 2 U, В а б Рис. 2. Темновые вольтамперные характеристики пленочных фоторезисто- ров на основе СеОх со структурами Si/SiO2/CeOx/Ме (а) и Si/Si3N4/CeOx/Ме (б) при различных температурах осаждения пленки: 1 – 200°С; 2 – 175°С; 3 – 250°С; 4 – 300°С. 250 А. В. БОРИСОВ, А. Н. ШМЫРЕВА, Н. В. МАКСИМЧУК сенные на подложку из SiO2, обладают большей чувствительностью к УФ излучению по сравнению с пленками, осажденными на подлож- ке из Si3N4. Кроме того, максимальная чувствительность характерна для пленок, осажденных при температуре 175°С. Такой характер фо- точувствительности сохраняется и для коротковолнового излучения видимого диапазона спектра. С помощью стандартного люменометра, в котором используется фотоэлектронный умножитель, установлен диапазон токов через светодиоды для калибровки созданных фоточувствительных сенсо- ров (0,1—1,8 мА). Для проверки чувствительности разработанных пленочных фоторезисторов к синему излучению, которое характер- но для биохемилюминесценции, были проведены исследования пе- редаточных характеристик оптронных пар с применением соответ- ствующих полупроводниковых светодиодов (рис. 3). Зависимости плотности фототока в фоторезисторах от входного тока через светодиод имеют различный характер в зависимости от технологических параметров осаждения пленки и типа подложки. Наибольшей фоточувствительностью в спектральном диапазоне 380—450 нм обладают нанокристаллические пленки со структурой Si/SiO2/CeOx, осажденные при температуре 200°С, и пленки со структурой Si/Si3N4/CeOx c температурами осаждения 200°С и 300°С. В результате квантово-размерных эффектов, которые связаны с из- менением размера нанокристаллитов, происходит увеличение ши- рины запрещенной зоны и, соответственно, повышение фоточувст- вительности в коротковолновой части спектра. При освещении бе- лым светом максимальная фоточувствительность характерна для обеих структур нанокристаллических пленок СеОх, которые были нанесены при температуре подложки 200°С (рис. 4). 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1 2 4 3 Jфт, А/м 2 Iсд, мА 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1 2 3 4 Jфт, А/м 2 Iсд, мА а б Рис. 3. Проходные характеристики оптронов СД—ФР со структурами Si/SiO2/CeOx.(а) и Si/Si3N4/CeOx (б) с различными температурами осажде- ния пленки CeOx: 1 – 175°С; 2 – 200°С; 3 – 250°С; 4 – 300°С. НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ CeOx ДЛЯ СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ 251 Структурные изменения пленок сказываются и на характере температурной зависимости проводимости. Исследование темпера- турных характеристик проводились при помещении образцов пле- ночных фоторезисторов в термокамеру МС-71, температура в кото- рой изменялась в пределах −60—+80°С по заданной программе (дли- тельность цикла – 4 ч). С помощью цифрового омметра Щ300/1 проводилось измерение сопротивления фоторезисторов (рис. 5 и 6) и вычислены температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) ис- следуемых пленочных фоторезисторов. Пленочные фоторезисторы на основе СеОх чувствительны к изме- нению температуры. С ростом температуры сопротивление иссле- дуемых фоторезисторов уменьшается, что характерно для полупро- водниковых материалов. Полученные температурные зависимости (рис. 5) хорошо аппроксимируются экспоненциальной функцией вида R = B0 + A0exp(−T/T0). Данный вид зависимости обосновывает- ся проводимостью, основанной на термически активированном туннелировании через параболический потенциальный барьер. На температурных характеристиках наблюдались участки резкого спада сопротивления при пониженных температурах и слабого изме- нения сопротивления при повышенных температурах. Такой харак- тер температурной зависимости можно объяснить изменением меха- низмов переноса заряда. При понижении температуры, когда тепло- вой энергии носителя заряда недостаточно для перехода в зону прово- димости, реализуется прыжковый механизм проводимости в запре- щенной зоне: носители заряда туннелируют от одной ловушки к дру- гой. При довольно низких температурах механизм переноса заряда заключается в перескоках по локализованным состояниям вблизи 1 2 150 200 250 300 10 20 30 40 50 60 0 t îñàæäåíèÿ , °Ñ J, A/ì2 Рис. 4. Зависимость плотности фототока от температуры осаждения плен- ки СеОх в структурах Si/SiO2/CeOx (1) и Si/Si3N4/СеОх (2) при освещении фоторезисторов белым светом освещенностью 7000 лк. 252 А. В. БОРИСОВ, А. Н. ШМЫРЕВА, Н. В. МАКСИМЧУК уровня Ферми. На температурных зависимостях, построенных в ло- гарифмическом масштабе, наблюдается два участка с разным накло- ном. Это можно объяснить пороговым включением механизма пере- носа, обусловленного более глубокими примесными центрами. Полученные температурные зависимости темнового сопротивле- ния указывают на то, что при температурах осаждения 175°С и 200°С на подложку из SiО2 формируются низкоомные пленки СеОх, а их температурные характеристики близки к линейным, тогда как при температурах осаждения 250°С и 300°С пленки получаются вы- сокоомные, а их температурные характеристики можно аппрокси- мировать экспоненциальной зависимостью. Минимальным ТКС в области рабочих температур обладают пленки, нанесенные на под- ложку SiO2 при температуре 200°С, – 0,36%/град. Энергия активации примесей в нанокристаллических пленках СеОх, осажденных при температурах 200°С, 220°С и 250°С состав- ляла 0,22—0,24 эВ для Si/Si3N4/СеОх структур и 0,1—0,11 эВ для Si/SiO2/CeOx структур, тогда как при температуре осаждения 175°С она увеличилась примерно в два раза – 0,47 эВ в структурах Si/Si3N4/СеОх и 0,24 в структурах Si/SiO2/CeOx, что свидетельствует о формировании примесных уровней различной природы, которая может быть интерпретирована после проведения химического ана- лиза состава пленок методами Оже-спектроскопии и вторичной ионной масс-спектрометрии. Экспериментальная проверка пригодности разработанных фото- резисторов для регистрации слабых световых потоков, которые воз- никают при протекании биолюминесцентных процессов, и возмож- −80 −60 −40 −20 0 20 40 60 80 0 2 4 6 8 10 4 3 2 1 R, ÌÎì t, °C 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 4,6 4,8 12 13 14 15 16 4 3 2 1 lnR 103/T, 1/T а б Рис. 5. Температурные зависимости сопротивления фоторезисторов со структурой Si/Si3N4/СеОх/Me при разных температурах осаждения плен- ки СеОх: 1 – 175°С; 2 – 200°С; 3 – 250°С; 4 – 300°С. НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ CeOx ДЛЯ СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ 253 ности определения ее изменения при воздействии токсических ве- ществ, была выполнена при тестировании концентрации такого ток- сического вещества, как пестицид метомил. Точность определения концентрации метомила с применением разработанного биолюми- несцентного сенсора составила 0,1 мг/л. 4. ВЫВОДЫ Тонкопленочные фоторезистивные преобразователи на основе окси- да церия обладают максимальной фоточувствительностью в области пороговых уровней освещения и пригодны для измерения слабых уровней люминесценции, что позволяет использовать их в качестве чувствительных элементов биолюминесцентных сенсорных систем. Основным критерием оценки фоточувствительности созданных пленочных фоторезисторов служило изменение тока при малых уровнях облучения полупроводниковыми светодиодами в спек- тральном диапазоне 380—560 нм, в котором наблюдается биолюми- несценция. Установлено влияние технологических параметров осаждения пленки, а также типа подложки на электрофизические, фотоэлек- трические и температурные характеристики фоторезисторов. По- казано, что наибольшей фоточувствительностью в спектральном диапазоне 380—450 нм обладают нанокристаллические пленки со структурой Si/SiO2/CeOx, осажденные при температуре 200°С и пленки со структурой Si/Si3N4/CeOx c температурой осаждения 200°С и 300°С. Изучено влияние типа подложки на значение ТКС фоторезисторов. Минимальным ТКС в области рабочих температур обладают пленки, нанесенные на подложку из SiO2 при температуре 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 �60 �40 �20 0 20 40 60 80 1 2 R, МОм t, C� 0 1 2 3 4 5 �60 �40 �20 0 20 40 60 80 3 4 R, МОм t, C� а б Рис. 6. Температурные зависимости сопротивления низкоомных (кривые 1, 2) и высокоомных фоторезисторов (кривые 3, 4) со структурой Si/SiО2/ /СеОх/Me при разных температурах осаждения пленки СеОх: 1 – 175°С; 2 – 200°С; 3 – 250°С, 4 – 300°С. 254 А. В. БОРИСОВ, А. Н. ШМЫРЕВА, Н. В. МАКСИМЧУК 200°С, – 0,36%/град. На основе исследуемых в данной работе пленочных фоторезистор- ных преобразователей создан микроэлектронный биосенсор токси- нов, который имеет минимальный порог чувствительности, при ко- тором наблюдаются индикаторные тест-реакции на токсическое ве- щество метомил с точностью определения 0,1 мг/л. БЛАГОДАРНОСТИ Авторы выражают благодарность М. Г. Душейко и Ю. В. Ясиеви- чу за предоставление образцов вакуумных конденсатов. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Дж. Фрайден, Современные датчики (Москва: Мир: 2005). 2. А. Н. Шмирева, Н. Ф.Стародуб, Сенсорна електроніка і мікросистемні технології, № 4: 36 (2006). 3. В. А. Алферов, О. Н. Понаморева, А. Н. Решетилов и др., Вестник новых медицинских технологий, 6, № 3—4: 45 (1999). 4. T. E. Константинова, И. А. Даниленко, В. В. Токий, В. А. Глазунова, Наука та інновації, 1, № 3: 76 (2005). 5. P. Patsalas, S. Logothetidis, L. Sygellou, and S. Kennou, Phys. Rev. В, 68: 035104 (2003). 6. Нанотехнологии в электронике (Ред. Ю. А. Чаплыгин) (Москва: Техносфе- ра: 2003). 7. А. Н. Шмырева, Электроника и связь, № 29: 5 (2005). 8. A. N. Shmyryeva, M. G. Dushejko, and K. D. Scurtul, Extend Abstracts of JVC- 7–7th Joint Vacuum Conference of Hungary, Austrian, Croatia and Slovenia (May 26—29, 1997), р. 253. 9. A. N. Shmyryeva, T. V. Semikina, M. G. Dushejko, and K. D. Scurtul, Book of Abstracts ‘Sensors Springtime in Odessa’ Workshop (May 29—30, 1998), р. 70. 10. A. N. Shmyryeva, T. V. Semikina, and K. D Scurtul, Book of Abstracts ‘Physi- cal, Chemical and Biological Sensors’—Fourth International Workshop ‘Russian Technologies for Industrial Applications (May 29—31, 2000, St. Petersburg), р. 32. 11. A. V. Yushchenko, V. V. Ilchenko, A. N. Shmyryeva, and V. M. Telega, Pro- ceeding of the I International Conference ‘Electronics and Applied Physics’ (Kiev: 2005), р. 100. 12. А. Н. Шмырева, Н. В. Максимчук, Электроника и связь, № 1: 5 (2007). 13. Н. Н. Кононов, Г. П. Кузьмин, А. Н. Орлов, А. А. Сурков, О. В. Тихонович, Физика и техника полупроводников, 39, № 7: 868 (2005).

Нанокристаллические пленки оксида церия для биолюминесцентных сенсорных систем

Institution

Ähnliche Einträge