Сергєєва А. О.

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», м. Київ

Газовий сенсор на основі графенової плівки для вимірювання концентрації NO2

Графен – це двовимірна алотропна модифікація вуглецю, яка утворена шаром вуглецю товщиною в один атом. Графен володіє унікальним набором електрофізичних властивостей: висока рухливість носіїв заряду (при їх малій концентрації), дуже велике відношення площі поверхні до об’єму, низький рівень шумів. Поєднання цих властивостей призводить до того, що адсорбція мінімальної кількості домішки на поверхню графена може помітно змінити його загальну провідність. Таким чином, даний матеріал є досить перспективним для виготовлення газових сенсорів.

         Графен здатний відреагувати на адсорбцію навіть однієї молекули [1]. Опір провідника визначається концентрацією носіїв заряду та їх рухливістю. Адсорбовані молекули газу можуть поводите себе в залежності від їх заряду як донори або як акцептори. Також адсорбенти створюють додаткові центри розсіювання та змінюють рухливість носіїв. В залежності від типу адсорбованої молекули спостерігається зміна опору плівки.

Плівки графену можна отримувати за допомогою методу сублімації SiC в вакуумі [2 – 4]. Для підвищення росту плівок графена використовують слабо леговані підкладки 6Н – SiC з полірованою С (0001) гранню [5]. Перед ростом графенової плівки доцільно проводити процедуру відмивання підкладок в органічних розчинниках. Для видалення поверхневого порушеного шару, застосовується технологія передростової обробки підкладок SiC [6,7]. Графенові плівки ростуть в високовакуумній камері із залишковим тиском  Па. Температура росту повинна бути 1400 – 1500°С, час зростання 15 хв.

Структура сенсора формується на графеновій плівці з використанням лазерної фотолітографії і AZ5214 фоторезиста [3,4] (рис. 1). Надлишки графена віддаляються з поверхні підкладки травленням в киснево аргоновій плазмі.       Омічні контакти Ti/Au (5/50) нм виготовляються зворотною фотолітографією після нанесення металів на поверхню фоторезиста електронно-променевим випаровуванням. Чіп сенсора закріплюється на тримачі разом з двома резисторами. Один з резисторів використовувався для вимірювання температури, а інший в якості нагрівача.

Рис. 1 Чіп газового сенсора. Світла область – графен, тeмна – металеві омічні контакти з приєднаними проводами.

Для вимірювання чутливості сенсора використовується система змішування і подачі газових сумішей [3,4]. Дана система дозволяє змінювати коефіцієнт розведення в межах 1:1 – 1:, забезпечуючи вихідну концентрацію детектованого газу від 0,1 однієї частини на мільярд до 10 частин на мільйон . В якості газу – носія використовується очищене повітря. Чутливість сенсора (Г), виражається у відсотках і визначається як відносна зміна опору зразка при наявності в газовій суміші реєстрованого газу:

,                         (1)

де R – опір сенсора при подачі газу,  – початковий опір при відсутності детектованого газу в потоці повітря, що поступає.

На рис. 2 представлені відносні зміни опору сенсора на основі графену при наявності  в газовій суміші (періоди подачі газу позначені як світло-сірі смуги) при 20°C. Оскільки швидкість десорбції  при кімнатній температурі дуже низька, то для повернення датчика в початковий стан після кожного періоду експозиції використовувався відпал при 110°C [3].

Рис. 2 Залежність відгуку газового сенсора на основі графену від концентрації  в газовій суміші при температурі 20° С. Періоди подачі газу позначені як світло-сірі смуги, періоди відпалу темно-сірі.

Плівки графену, вирощені методом сублімації у вакуумі, проявляють      p-тип провідності [6,7].  є сильним окислювачем, який ефективно захоплює електрони з поверхні, на яку адсорбується. Тому його адсорбція на поверхні графену зменшує концентрацію електронів і збільшує концентрацію дірок. У разі матеріалу p-типу, це призводить до зменшення питомого опору. Для концентрації  10 ppb, амплітуда відгуку датчика складає близько 3% при впливі газової суміші протягом 1 години. Така чутливість сенсорів цілком достатня для моніторингу довкілля.

Література :

  1. Schedin F., Geim A.K., Morozov S.V., Hill E.W., Blake P., Katsnelson M.I., Novoselov K.S. // Nature Mater. 2007. Vol. 6. P. 652−655.
  2. Pearce R., Iakimov T., Anderson M., Hultman L., Lloid Spetz A., Yakimova R. // Sens. Actuator. B. 2011. Vol. 155. P. 451−455.
  3.  Novikov S., Lebedeva N., Satrapinski A. // J. Sensors. V.

2015. P. 108581.

4. Novikov S, Satrapinski A., Lebedeva N., Iisakka // IEEE Trans. Instrumentat. Measur. 2013. Vol. 62. N 6. С. 1859.

5. Лебедев А.А., Белов С.В., Лебедев С.П., Литвин Д.П., Никитина И.П., Васильев А.В., Макаров Ю.Н., Нагалюк С.С., Смирнов А.Н., Попов В.В., Вьюгинов В.Н., Шифман Р.Г., Кузмичeв Ю.С., Травин Н.К., Венедиктов О.В. // Электромагнитные волны и электронные системы. 2014. Т. 19. Вып. 2. С. 9−15.

6. Lebedev S.P., Petrov V.N., Kotousova I.S., Lavrent’ev A.A., Dement’ev P.A., Lebedev A.A., Titkov A.N. // Mater. Sci. Forum. 2011. Vol. 679−680. P. 437−440.

7. Агринская Н.В., Березовец В.А., Козуб В.И., Котоусова И.С., Лебедев А.А., Лебедев С.П., Ситникова А.А. // ФТП. 2013. T. 47. Вып. 2. С. 267−272.