Диссертация на соискание ученой степени

с
).
Рисунок 3.6 – Простейшие электрические цепи и годографы импеданса им соответствующие 
[94] 
Цепь рисунка 3.6 
a
часто присутствует в результатах импеданс-спектроскопии 
для твердых и жидких объектов. Данные элементы приводят к появлению 
временной константы τ=R*C, которая позволяет определить диэлектрическое 
время релаксации простого материала. Возможно также появление в схеме 
дополнительно 
параллельно 
подключенных 
комбинаций 
емкостей 
и 
сопротивлений (рисунок 3.6 
d
), обусловленное возможной специфической 
адсорбцией на электроде и появляющейся в результате задержке в отклике системы 

---

91 
на внешнее воздействие [95]. По полученным данным частотных зависимостей 
мнимой части импеданса производят расчет значения чувствительности к парам 
исследуемых газов: 
S = Im(Z)
возд
/𝐼𝑚(𝑍)
газ
(13) 
где Im(Z)
возд
– значение мнимой части импеданса в атмосфере воздуха, Im(Z)
газ
– 
значение мнимой части импеданса в присутствии паров восстанавливающих газов. 
а) 
б) 
Рисунок 3.7. – Изображение чипа, на котором проводились исследования: а) 
схематическое изображение, б) внешний вид 
На рисунке 3.7 представлены изображения чипов, которые были использованы 
для 
измерения 
газочувствительных 
свойств 
синтезируемых 
образцов. 
Представленный чип состоит из керамической подложки, на которую нанесены 
контакты NiCr/Ni/Au, толщина одного электрода 25 мкм (также, как и 
межэлектродное пространство). 
3.2 Исследование газочувствительных свойств наностержней ZnO 
Исследования газочувствительных свойств, синтезированных наностержней 
оксида цинка, были исследованы на представленной выше лабораторной установке 
(пункт 3.1). В качестве прекурсоров оксида цинка были выбраны неорганическая 
соль Zn(NO
3
)
2
•6H
2
O и гексаметилентетрамин (HMTA). Для формирования 
зародышевого слоя нитрат цинка и HMTA в эквимолярных соотношения (образец 
№1 12,5 мМ, образец №2 60 мМ) растворялись в этаноле посредством ультразвука 

---

92 
в течение 15 минут. Полученный раствор наносили на электрод с напылёнными 
контактными площадками (рисунок 3.7.) и центрифугировали (3000 об/мин) в 
течение минуты. Далее проводился отжиг в печи при 350ºС в течение полутора 
минут. Процедуры нанесения и отжига повторяли 5 раз, в результате чего 
наблюдалось формирование тонкой пленки. На полученных зародышевых слоях 
методом гидротермального синтеза осуществлялось формирование наностержней 
ZnO (см. пункт 2.1).
а) 
б) 
Рисунок 3.8. – РЭМ - изображение образца №1 с разрешением: 
а)
10 мкм; 
б)
40 мкм; На 
вставке на рисунке 
а)
разрешение 1 мкм, желтой линией показана граница между 
электродом и подложкой 
а) 
б) 

---

93 
 
 
в) 
г) 
Рисунок 3.9. – РЭМ- изображение образца №2 с разрешением: а) 5 мкм на вставке 500 нм; б) 
10 мкм; в) 50 мкм; г) 3 мкм
на вставке на рисунке 
б)
красной линией показана граница между электродом и подложкой 
В данном эксперименте были выбраны различные концентрации для 
зародышевого слоя, чтобы оценить влияния плотности наностержней на их 
газочувствительные свойства. Исходя из представленных данных (рисунок 3.8 и 
3.9), как и предполагалось, увеличение концентрации привело к увеличению 
плотности сети наностержней сформированных на поверхности чипа. Также на 
изображениях наблюдаются стержни ZnO, выпавшие из раствора в результате 
гидротермального синтеза. Стоит отметить, что такие стержни не привносят 
существенного влияния в газочувствительные свойства, вследствие их неучастия в 
процессе токопереноса. Четкая гексагональная огранка является следствием 
добавления поверхностно-активного вещества (СТАВ) в раствор. 
Далее проводили исследование газочувствительных свойств полученных 
структур ZnO на установке, описанной выше. Все измерения проводились при 
комнатной температуре. На рисунке 3.10 (
а, б
) для образцов №1 и №2 приведены 
диаграммы Найквиста в атмосфере воздуха и в присутствии паров изопропанола.

---

94 
а) 
б) 
Рисунок 3.10. – Годографы импеданса: 
а) 
чипа №1; 
б)
чипа №2 
Полученные данные показали, что в присутствии детектируемого газа (паров 
изопропилового спирта), сопротивление полученных образцов значительно 

---

95 
увеличивается. Что является необычным поведение полупроводникового 
материала на данный газ. Несмотря на то, что изопропиловый спирт является газом 
восстановителем, в присутствии которого должно происходить уменьшение 
сопротивления, вследствие десорбции с поверхности кислорода и снятия 
приповерхностного обеднения, сопротивление полученного образца увеличивается 
при воздействии этим газом. Данное аномальное поведение, может быть связано с 
тем, что кислород, присутствующий на поверхности, не приводит к равновесному 
состоянию уровня Ферми адсорбированного на поверхности кислорода и 
наностержней оксид цинка. Такая не равновесная ситуация и является следствием 
того, что газ восстановитель (пары изопропилового спирта), вместо того, чтобы 
возвращать электроны в зону проводимости полупроводника после десорбции 
кислорода, наоборот также забирают электроны из зоны проводимости, что влечет 
увеличение сопротивления.
Полученные годографы импеданса, были проанализированы посредством 
метода эквивалентных схем. Было установлено, что годографам соответствует 
эквивалентная схема из параллельно подключенных сопротивления и емкости. В 
таблице 3 приведены экспериментальные результаты максимальных значений 
газочувствительности исследованных образцов и частоты, на которых 
представлены эти значения, а также рассчитанные значения параметров 
эквивалентной схемы, аппроксимирующей данные годографы.
Таблица 3 – Основные характеристики полученных образцов