|
4.4 Измерение электрических свойств сформированного сенсорного слоя
Для измерения электрических характеристик сети наностержней ZnO,
выращенной на многоэлектродном чипе, использовалась экспериментальная
установка описанную в [113].
Данная установка состоит из многоканальной платы сбора данных,
управляемой ПК (NI-6259, США), для считывания сопротивлений постоянного
тока через малошумящий предусилитель тока (SR570, Stanford Research Systems,
США). Стандартное смещение постоянного тока 5 В применялось к каждой паре
измерительных электродов, которые формируют сегмент сети наностержней ZnO,
последовательно по всей микросхеме путем мультиплексирования карты со
скоростью, зависящей от значения сопротивления (до десятков ГОм менее 1
секунды на сегмент). Прежде всего, были проверены ВАХ сегментов в диапазоне
[-5; +5] В в прямом и обратном направлениях, чтобы убедиться в их линейности и
хорошем контакте между наностержнями и Pt-электродами. Полный импеданс
сегментов сети наностержней ZnO, Z (f), был изучен в режиме переменного тока с
помощью импедансометра (NovoControl Alpha AN, Novocontrol Technologies,
124
Германия). Каждая пара электродов микросхемы была смещена с переменным
напряжением 0,1 В и 5 В амплитуд, как подробно описано в [114]. Колебания тока
при первом значении переменного напряжения могут быть чувствительными к
существующим энергетическим барьерам, которые, как известно, обычно
составляют до 1 эВ, в то время как второе значение переменного напряжения равно
смещению, используемому в режиме измерения сопротивления в режиме
постоянного тока. Частотный диапазон измерения составлял 1 Гц – 1 МГц.
Изучение
релаксационного
поведения
исследуемого
материала
при
высокочастотных колебаниях позволяет оценить емкостного вклад. Для
уменьшения влияния возможных помех внешней среды, микросхемы и схемы
платы обработки были помещены в заземленную металлическую коробку,
служащую аналогом клетке Фарадея. Во время электрических измерений рабочая
температура микросхемы поддерживалась квазиоднородной с помощью
самодельной схемы, основанной на пропорционально-интегрально-производном
контроллере, путем регулировки мощности, рассеиваемой на нагревателях задней
стороны, чтобы получить точность ниже ±. 1
о
С, а распределение температуры по
чипу может составлять ± 10
о
С благодаря внутренних термических свойств
окисленной подложки Si [115].
Исследование электрических характеристики сети наностержней ZnO на
поверхности микросхемы в режимах постоянного и переменного тока
производилось при температуре 400
о
С. Эта температура соответствует
оптимальной рабочей температуре для чипа, позволяющая наблюдать довольно
быстрые и в то же время максимальные хемирезистивные отклики. На рисунке 4.6а
показана типичная кривая I-V одного сегмента сети наностержней ZnO. Кривая
является линейной, что указывает на отсутствие значительных потенциальных
барьеров на границе раздела между сетью наностержней и электродами.
125
а)
б)
в)
Рисунок 4.6. Электрическая характеристика сети наностержней ZnO на многоэлектродном
кристалле в фоновых условиях при нагревании до 400 оС Данные для примерного сегмента
показаны: а) кривая I-V, полученная в режиме постоянного тока в двух противоположных
направлениях изменения электрического потенциала, UDC = [- 5, + 5] В; вставка показывает
схему измерения; б) График Найквиста, диапазон [1: 106] Гц, пустые синие кружки и
заполненные красные кружки определяют экспериментальные точки, записанные при UAC =
0,1 В и UAC = 5,0 В, соответственно. Соответствующие кривые, проходящие вокруг точек,
построены с учетом эквивалентной электрической схемы хемирезисторов, показанных на
вставке; в) соотношение между полным сопротивлением, | Z |, его мнимым, Zim, и
действительным, Zreal, компонентами, записанными при UAC = 0,1 В и UAC = 5,0 В в
зависимости от применяемой частоты переменного тока.
На рисунке 4.6, б изображена мнимая часть полного сопротивления Z
im
в
зависимости от Z
real
сегментов сети наностержней ZnO в диапазоне частот
переменного тока от 1 Гц до 106 Гц. Два спектра регистрируются при величине
приложенного электрического потенциала переменного тока, равной 0,1 В и 5,0 В,
соответственно. Полученные данные представляют собой слегка искаженный
полукруг, позволяющий построить эквивалентную электрическую схему этого
хемирезистивного элемента, состоящего из двух последовательных RC-цепей.
Первый компонент RC связан с «объемной» проводимостью с соответствующей
емкостью (на высокой частоте), тогда как второй должен быть отнесен к барьерам,
проявляющимся, главным образом, в переходах, существующих между НС ZnO,
126
которые выражаются при более низких частоты [116-118]. Действительно, на
рисунке 4.6 в показано, как величина смещения влияет на полное сопротивление,
его действительную и мнимую части. Как можно видеть, при низких электрических
полях (U = 0,1 В) импеданс на частотах ниже 100 Гц выше, чем при U = 5 В, который
возникает из-за усиления обеих частей импеданса. Мы предполагаем, что это
отражает наличие потенциальных барьеров на контактах НС ZnO, что влияет как
на емкость, так и на сопротивление барьеров (степень модуляции довольно схожа).
Do'stlaringiz bilan baham: |
