Seadmed, mis mõõdavad gaaside sisaldust meid ümbritsevas õhus – gaasisensorid – on kahtlemata vajalikud, mõelgem kasvõi hapniku ja süsihappegaasi sisaldusele meid ümbritsevas õhus. Gaasisensorite arendamises on aktiivselt tegevad ka Eesti füüsikud.
Plaatinaga kaetud Cr2O3 kiled takistuslike gaasisensorite materjalina
A.Kasikov, A.Gerst, A.Kikas, L.Matisen, A.Saar, A.Tarre, A.Rosental
Takistuslike gaasisensorite töö põhineb asjaolul, et pooljuhi pinnakihi juhtivus sõltub ümbritseva gaasikeskkonna koostisest. Gaasimolekulide reaktsioon pinnaga või nende adsorptsioon muudab laengukandjate (elektronid või augud) kontsentratsiooni pinnakihis ja järelikult ka pinnakihi takistust. Kui vool pinnakihis moodustab suure osa süsteemi läbivast voolust, kajastab koguvoolu muutus ümbritsevas keskkonnas toimuvaid muutusi. Takistuslikud gaasisensorid on lihtsad ja odavad pooljuhtseadised. Nad sobivad põlevate ja toksiliste gaaside, lahustiaurude ja lõhnaainete avastamiseks õhus. Neid kasutatakse muu hulgas lekkeavastajates ja -otsijates, ventilatsiooni kontrollerites, alkomeetrites ja kala värskuse määrajates.
Takistuslikke gaasisensoreid valmistatakse enamasti teralistest materjalidest, mille koste sõltub protsessidest terade pindadel ja kokkupuutepunktides. Meie uurisime CrO2Cl2-st ja CH3OH-st monokristallilisele safiirile aatomkihtsadestatud Cr2O3 õhukesi kompaktseid (mitteteralisi) kilesid, mille pinnakihi paksus oli võrreldav kihi kogupaksusega. Elektrilisteks mõõtmisteks kasutasime elektronkiiraurustatud Pt-kontakte piluga 0,1 mm.
Takistuslike gaasisensorite omadusi parandavad lisandatud väärismetallid, mis toimivad gaasireaktsioonide katalüsaatorina. Meie katsetes oli katalüsaatoriks kile pinnale kantud plaatina. Plaatinakihi nominaalpaksuseks valisime 0,2 nm ning võrdlesime plaatinata ja plaatinaga kilede kostet. Katsed näitasid, et mõõtmistemperatuuril 250 °C oli platineeritud kile koste CO-le ja H2-le õhus suurem ja kiirem kui platineerimata kile oma. See koste muutus aga mõlema parameetri poolest palju halvemaks pärast seda, kui kilet oli kuumutatud 450 °C-ni.
Et lähemalt iseloomustada nanomeetermõõtmelistest saarekestest koosnevat Pt-kihti, kasutasime röntgenfotoelektronspektroskoopiat – röntgenkiirgusega materjalist välja löödud elektronide energiajaotuse analüüsi. Jälgisime saarekeste keemilise seisundi sõltuvust kuumutustemperatuurist. Tuli välja, et Pt-kiht kile pinnal oli oksüdeerunud, kusjuures vähene oksüdeerumine leidis aset juba aurustamise ajal. Kuumutamine 250 °C juures õhu keskkonnas suurendas PtO ja PtO2 osakaalu saarekestes. Sellises seisundis saarekestega saime paranenud koste. Halvenenud kostele vastas oksiidide vahekorra muutumine oluliselt PtO2 kasuks. Seega võib öelda, et 1) PtO2 ohtrus segab Cr2O3 kilede gaasikoste parandamist platineerimise teel ja 2) PtO2 ülekaalukat teket saab vältida, kui rakendada vaid madalatemperatuurilisi töötlus- ja mõõtmisrežiime. Artikliga saad tutvuda siit.
Tartu Ülikooli Füüsika Instituut, Eesti Nanotehnoloogiate Arenduskeskus
Leave a Reply