Способ формирования структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена

Изобретение относится к полупроводниковой технике. Сущность изобретения заключается в формировании структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена. Техническим результатом является достижение предела чувствительности графена к разнообразным токсичным газообразным веществам. Согласно изобретению пленки графена на поверхности карбида кремния получают термодеструкцией. Травление пленки графена производят ионно-лучевым методом с использованием маски фоторезиста, металлизацию электродов осуществляют методом взрывной фотолитографии, затем напыляют на омические контакты никелевое покрытие с последующим формированием топологии усиления контактных площадок. Способ может быть использован в процессе промышленного производства сенсоров на основе графена.

 

Изобретение относится к способам, специально предназначенным для изготовления и обработки приборов на твердом теле. Изобретение также относится к формированию слоев графена на подложках карбида кремния.

Известны способы изготовления сенсоров газообразных токсичных веществ на основе пленок графена, предусматривающие получение пленки графена на поверхности карбида кремния термодеструкцией, с последующим нанесением омических контактов («Сверхчувствительный газовый сенсор на основе графена», А.А. Лебедев, С.П. Лебедев, С.Н. Новиков, В.Ю. Давыдов, А.Н. Смирнов, Д.П. Литвин, Ю.Н. Макаров, B.C. Левицкий. Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 3). Пленки графена, выращенные методом сублимации в вакууме, проявляют P-тип проводимости. Оксид азота (NO2) является сильным окислителем, эффективно захватывающим электроны с поверхности, на которую адсорбируется. Поэтому его адсорбция на поверхности графена уменьшает концентрацию электронов и увеличивает концентрацию дырок. При этом удельное сопротивление уменьшается, что позволяет использовать сенсор на основе графена для мониторинга окружающей среды.

Однако в рассматриваемой работе не приводятся исследования, касающиеся влияния конструкции и технологии получения омических контактов, оказывающих влияние на работу сенсора при различных условиях.

Известен способ формирования структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена, включающий получение пленки графена на поверхности карбида кремния, травление пленки графена и нанесение омических контактов (Патент US 9178032, «Gas sensor and manufacturing method thereof», filled: Jan. 24, 2014; Date of Patent Nov. 3, 2015).

Известный способ позволяет изготавливать сенсоры на основе графена, которые могут быть широко использованы в мобильных устройствах, однако предлагаемый широкий спектр материалов, которые согласно известному способу могут быть использованы в процессе изготовления сенсора, не позволяют сформировать омические контакты к графену, обладающие линейными вольт-амперными характеристиками и имеющие хорошую адгезию как к графену, так и к подложке, а также обеспечить сохранение исходной структуры графена на всех этапах формирования прибора в целом, что в итоге не позволяет получить сенсор с высокой чувствительностью.

Задачей создания изобретения является формирование структуры газового сенсора, позволяющей достигнуть предела чувствительности графена к разнообразным токсичным газообразным веществам.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе формирования структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена, включающем получение пленки графена на поверхности карбида кремния термодеструкцией, химическую обработку пленки графена и нанесение омических контактов, травление пленки графена осуществляют ионно-лучевым травлением с использованием маски фоторезиста, затем осуществляют металлизацию электродов методом взрывной фотолитографии, напыляют никелевое покрытие, формируют топологию усиления контактных площадок, а затем осуществляют финишную химическую обработку.

Предлагаемый способ позволяет обеспечить сохранение исходной структуры графена на всех этапах формирования сенсора, а также сформировать омические контакты к графену, обладающие линейными вольт-амперными характеристиками. Полученные предлагаемым способом омические контакты имеют хорошую адгезию как к однослойному графену, так и к карбиду кремния. В целом, структура сенсора, изготовленного с использованием предлагаемого способа, характеризуется высокой стабильностью и устойчива к последующим технологическим операциям, в частности нагреву до температуры 300°C, пайке или сварке омических контактов, погружению полученной структуры в различные некислотные и нещелочные жидкости.

Предлагаемый способ предусматривает возможность осуществления дополнительных технологических операций с применением фотошаблонов, что позволяет увеличить чувствительность сенсора к определенным типам газов. Это, в частности, достигается за счет формирования на поверхности графена металлических пленок определенной формы.

Была изготовлена партия структур сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена. При изготовлении структур сенсора использовались образцы со следующими параметрами: подложка - 6H-SiC i-типа проводимости, толщиной 360 мкм; толщина эпитаксиальных слоев графена составляла 1-2 монослоя.

Топология требуемых структур была создана с применением стандартной процедуры процесса контактной фотолитографии с использованием специально разработанного комплекта фотошаблонов. Минимальные размеры задавались на уровне 5 мкм, что исключало применение жидкостных методов травления.

Формирование топологии графенового базиса структур проводилось методом ионно-лучевого («сухого») травления пленок с использованием маски фоторезиста марки AZ-1518 при следующих условиях процесса: рабочее давление в камере - 2-3 миллибар, энергия аргонового пучка - 50 эВ, ток пучка - 0,5 мА/см2. Формирование топологии подзатворного окисла и металлизации электродов графеновых сенсорных структур проводилось с использованием метода взрывной фотолитографии.

Металлизация электродов структур была получена методом термического испарения в вакууме. В качестве металлизации была использована трехслойная композиция - Ti/Au/Ni. Подслой Ti толщиной напылялся с целью повышения адгезии основного металлического покрытия Аu, толщина которого составляла 0,3 мкм. Ni-покрытие толщиной 0,3 мкм необходимо для усиления контактных площадок структур.

Для измерения чувствительности сенсора была использована система смешивания и подачи газовых смесей, позволяющая изменять коэффициент разбавления в пределах 1:1-1:105, обеспечивая выходную концентрацию детектируемого газа от 0,1 ppb (одна часть на миллиард) до 10 ppm (одна часть на миллион). В качестве газа-носителя использовался очищенный воздух.

Чувствительность сенсора (г) была выражена в процентах и определялась как относительное изменение сопротивления образца при наличии в газовой смеси регистрируемого газа:

где R - сопротивление сенсора при подаче газа,

R0 - исходное сопротивление при отсутствии детектируемого газа в потоке поступающего воздуха.

Были определены относительные изменения сопротивления сенсора на основе графена при наличии NO2 в газовой смеси при 20°C.

Как было показано ранее, пленки графена, выращенные методом сублимации в вакууме, проявляют p-тип проводимости. NO2 является сильным окислителем, эффективно захватывающим электроны с поверхности, на которую адсорбируется. Поэтому его адсорбция на поверхности графена уменьшает концентрацию электронов и увеличивает концентрацию дырок. В случае материала p-типа это приводит к уменьшению удельного сопротивления. Для концентрации NO2 10 ppb амплитуда отклика датчика составила около 3% при воздействии газовой смеси в течение 1 часа. Такая чувствительность сенсоров вполне достаточна для мониторинга окружающей среды.

Предлагаемый способ формирования структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена может быть использован в процессе промышленного производства сенсоров на основе графена

Способ формирования структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена, включающий получение пленки графена на поверхности карбида кремния термодеструкцией, химическую обработку пленки графена и нанесение омических контактов, отличающийся тем, что травление пленки графена осуществляют ионно-лучевым травлением с использованием маски фоторезиста, затем осуществляют металлизацию электродов методом взрывной фотолитографии, напыляют никелевое покрытие, формируют топологию усиления контактных площадок, а затем осуществляют финишную химическую обработку.



 

Похожие патенты:

Настоящее изобретение относится к жидкому составу для получения содержащих оксид индия слоев. Состав получают путем растворения по меньшей мере одного соединения алкоксида индия, которое может быть получено при помощи реакции тригалогенида индия InX3, где X=F, Cl, Br, I, с вторичным амином формулы R'2NH, где R'=C1-C10-алкил в молярном соотношении от 8:1 до 20:1 к тригалогениду индия в присутствии спирта общей формулы ROH, где R=C1-C10-алкил, по меньшей мере в одном растворителе, выбранном из группы, состоящей из первичных, вторичных, третичных и ароматических спиртов.

Изобретение относится к области литографии и касается способа получения фоторезистивного слоя. Фоторезистивный слой получают аэрозольным распылением из раствора фоторезистивного материала.

Настоящее изобретение предусматривает способ получения шаблона для эпитаксиального выращивания. Способ содержит стадию поверхностной обработки, включающий диспергирование Ga-атомов на поверхности сапфировой подложки, и стадию эпитаксиального выращивания AlN-слоя на сапфировой подложке, где при распределении концентрации Ga в направлении глубины перпендикулярно поверхности сапфировой подложки во внутренней области AlN-слоя, исключая зону вблизи поверхности до глубины 100 нм от поверхности AlN-слоя, полученной вторичной ионно-массовой спектрометрией, положение в направлении глубины, где Ga - концентрация имеет максимальное значение, находится в области вблизи границы раздела, расположенной между границей раздела сапфировой подложки и положением, на 400 нм отстоящим от границы раздела к стороне AlN-слоя, и максимальное значение Ga-концентрации составляет 3×1017 атом/см3 или более и 2×1020 атом/см3 или менее.

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов для создания автоэмиссионных электронных приборов (с «холодной эмиссией электронов) для изготовления зондов и кантилеверов сканирующих зондовых микроскопов и оперативных запоминающих устройств с высокой плотностью записи информации, поверхностно-развитых электродов электрохимических ячеек источников тока, а также для использования в технологиях изготовления кремниевых солнечных элементов нового поколения для повышения эффективности антиотражающей поверхности фотопреобразователей.

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов для создания автоэмиссионных электронных приборов (с «холодной эмиссией электронов) для изготовления зондов и кантилеверов сканирующих зондовых микроскопов и оперативных запоминающих устройств с высокой плотностью записи информации, поверхностно-развитых электродов электрохимических ячеек источников тока, а также для использования в технологиях изготовления кремниевых солнечных элементов нового поколения для повышения эффективности антиотражающей поверхности фотопреобразователей.

Изобретение относится к получению поликристаллических пленок сульфида и оксида кадмия на монокристаллическом кремнии с помощью техники пиролиза аэрозоля раствора на нагретой подложке при постоянной температуре в интервале 450-500°С.

Изобретение относится к получению поликристаллических пленок сульфида и оксида кадмия на монокристаллическом кремнии с помощью техники пиролиза аэрозоля раствора на нагретой подложке при постоянной температуре в интервале 450-500°С.

Использование: для измерения высоты ступенчатых особенностей на гладких поверхностях. Сущность изобретения заключается в том, что способ включает проведение в вакууме термоэлектрического отжига подложки твердотельного материала пропусканием электрического тока с резистивным нагревом до температуры активируемой сублимации атомов, отжиг сочетают с подачей потока осаждаемого на поверхность материала подложки, перед отжигом на рабочей поверхности подложки формируют рельеф с геометрией и поперечным размером, определяемыми в оптический микроскоп, в составе рельефа выполняют углубление, в котором боковая часть расположена под углом ±45° относительно нормали к кристаллографической плоскости рабочей поверхности подложки, отжигом в дне углубления и вокруг углубления с примыканием к краю формируют две опорные поверхности, в боковой части углубления получают, сочетая отжиг с подачей потока материала подложки, калибровочную ступень и средство для определения калибровочной высоты калибровочной ступени, из счетного количества моноатомных ступеней, ступенчатый высотный калибровочный эталон содержит на подложке пару опорных поверхностей, расположенных друг относительно друга с образованием калибровочной ступени калибровочной высоты из счетного количества моноатомных ступеней, одна опорная поверхность - в дне углубления, другая - примыкает к краю углубления, в боковой части углубления сформированы калибровочная ступень калибровочной высоты из счетного количества высокой плотности моноатомных ступеней и средство, обеспечивающее определение калибровочной высоты калибровочной ступени, из того же счетного количества моноатомных ступеней, но меньшей плотности, при этом для опорных поверхностей характерна субангстремная шероховатость и достаточные для оптических измерений размеры.
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноматериалов. Способ получения нитевидных нанокристаллов Si (ННК) включает подготовку кремниевой пластины путем нанесения на ее поверхность нанодисперсных частиц катализатора с последующим помещением в ростовую печь, нагревом и осаждением кристаллизуемого вещества из газовой фазы по схеме пар → капельная жидкость → кристалл, при этом перед нанесением частиц катализатора и помещением подложки в ростовую печь на пластину Si наносят пленку Ti и анодируют длительностью от 5 до 90 мин в 1%-ном растворе NH4F в этиленгликоле, причем плотность анодного тока поддерживают в интервале от 5 до 20 мА/см2, а наночастицы катализатора на анодированную поверхность Ti наносят осаждением металла, выбираемого из ряда Ni, Ag, Pd, из 0,1 М раствора, имеющего общую формулу Me(NO3)x, где Me - Ni, Ag, Pd; х=1-2, в течение 1-2 мин при воздействии на раствор ультразвуком мощностью 60 Вт.
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноматериалов. Способ получения нитевидных нанокристаллов Si (ННК) включает подготовку кремниевой пластины путем нанесения на ее поверхность нанодисперсных частиц катализатора с последующим помещением в ростовую печь, нагревом и осаждением кристаллизуемого вещества из газовой фазы по схеме пар → капельная жидкость → кристалл, при этом перед нанесением частиц катализатора и помещением подложки в ростовую печь на пластину Si наносят пленку Ti и анодируют длительностью от 5 до 90 мин в 1%-ном растворе NH4F в этиленгликоле, причем плотность анодного тока поддерживают в интервале от 5 до 20 мА/см2, а наночастицы катализатора на анодированную поверхность Ti наносят осаждением металла, выбираемого из ряда Ni, Ag, Pd, из 0,1 М раствора, имеющего общую формулу Me(NO3)x, где Me - Ni, Ag, Pd; х=1-2, в течение 1-2 мин при воздействии на раствор ультразвуком мощностью 60 Вт.

Использование: для определения коэффициента диффузии растворителей в массивных изделиях из капиллярно-пористых материалов. Сущность изобретения заключается в том, что создают в исследуемом изделии равномерное начальное содержание распределенного в твердой фазе растворителя, приводят плоскую поверхность изделия в контакт с импульсным точечным источником растворителя, гидроизолируют эту поверхность, располагают электроды гальванического преобразователя на этой поверхности по концентрической окружности относительно точки импульсного воздействия, при этом фиксируют два момента времени τ1 и τ2, при которых достигаются равные значения сигнала гальванического преобразователя до и после момента наступления максимума сигнала преобразователя, а расчет коэффициента диффузии производят по определенной математической формуле.

Изобретение относится к аналитической химии органических веществ и раскрывает способ определения содержания нитроксильных радикалов в сырьевых потоках непредельных мономеров.

Использование: для оценки поверхностного потенциала и знака заряда поверхности контактных линз. Сущность изобретения заключается в том, что способ основан на исследовании электрофоретического поведения диспергированного материала в водной среде, в качестве материала используют контактные линзы, которые сушат при температуре 80°С, охлаждают в среде жидкого азота, измельчают, а затем диспергируют в водной среде ультразвуком, величину поверхностного потенциала частиц оценивают с помощью прибора Brookhaven ZetaPlus с использованием опции электрофоретического рассеяния света, а знак заряда поверхности контактных линз определяют с помощью программного обеспечения вышеуказанного прибора, для чего в кювету с суспензией помещают электродную систему, на которую подают электрический ток, и по допплеровскому смещению частоты рассеянного света определяют направление движения частиц, то есть знак их заряда, и скорость движения, пропорциональную величине заряда частицы.

Изобретение относится к биотехнологии и охране окружающей среды в области контроля загрязненности воды органическими веществами. Биосенсор для определения наличия органических веществ в воде состоит из пустотелого цилиндрического корпуса, в нижнем основании которого расположен анод, а в верхнем основании цилиндра - катод, которые через токоотводящие провода соединены с измерительным электронным блоком.

Использование: для создания электрохимического датчика. Сущность изобретения заключается в том, что устанавливаемое на глазу устройство для измерения концентрации аналита в слезной пленке содержит прозрачный полимерный материал, имеющий обращенную к глазу поверхность и обращенную наружу поверхность, причем прозрачный полимерный материал выполнен съемно устанавливаемым спереди от поверхности глаза; подложку, по меньшей мере частично заделанную внутри упомянутого полимерного материала; антенну, расположенную на подложке; двухэлектродный электрохимический датчик, расположенный на подложке и включающий в себя: рабочий электрод, имеющий по меньшей мере один размер менее чем 25 микрометров; и электрод сравнения, имеющий по меньшей мере в пять раз большую площадь, чем площадь рабочего электрода; и контроллер, электрически соединенный с электрохимическим датчиком и антенной, причем контроллер выполнен с возможностью: (i) прикладывания напряжения между рабочим электродом и электродом сравнения, достаточного для генерации амперометрического тока, связанного с концентрацией аналита в текучей среде, воздействию которой подвергается устанавливаемое на глазу устройство; (ii) измерения этого амперометрического тока и (iii) использования антенны для выдачи показаний измеренного амперометрического тока, причем часть прозрачного полимерного материала по меньшей мере частично окружает рабочий электрод и электрод сравнения, так что электрический ток, переносимый между рабочим электродом и электродом сравнения, проходит через эту по меньшей мере частично окружающую часть прозрачного полимерного материала.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса и для определения коэффициентов диффузии растворителей в изделиях из листовых капиллярно-пористых материалов в бумажной, легкой, строительной и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано в контрольно-аналитических лабораториях для стандартизации и контроля качества лекарственных средств, а именно для количественного определения фенибута методом капиллярного электрофореза.Способ количественного определения фенибута в микрокапсулах методом капиллярного электрофореза включает выполнение анализа в кварцевом капилляре эффективной длиной 0,5 м, внутренним диаметром 75 мкм, под действие электрического поля с использованием раствора ведущего электролита, с последующим спектрофотометрическим определением продуктов реакции, в качестве ведущего электролита используется 10 мМ раствор натрия тетраборнокислого 10-водного с рН 9,2, анализ проводится при напряжении +20 кВ, температуре 30°С и длине волны детектирования 193 нм.

Изобретение относится к электрохимическому сенсору для мониторинга воздуха на содержание летучих органических токсичных веществ, состоящему из планарной электродной группы, фонового электролита, пористой гидрофильной мембраны, полимерной газопроницаемой мембраны, герметичной емкости.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического контроля водно-химического режима для тепловой, атомной и промышленной энергетики.

Изобретение относится к области гидрофизики и биохимии, а именно к способам обнаружения изменений электропроводимости водной среды в результате изменения структуры (концентрации) исследуемого раствора.

Изобретение относится к полупроводниковой технике. Сущность изобретения заключается в формировании структуры сенсора газообразных токсичных веществ на основе пленок графена. Техническим результатом является достижение предела чувствительности графена к разнообразным токсичным газообразным веществам. Согласно изобретению пленки графена на поверхности карбида кремния получают термодеструкцией. Травление пленки графена производят ионно-лучевым методом с использованием маски фоторезиста, металлизацию электродов осуществляют методом взрывной фотолитографии, затем напыляют на омические контакты никелевое покрытие с последующим формированием топологии усиления контактных площадок. Способ может быть использован в процессе промышленного производства сенсоров на основе графена.

Наверх