КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 20-79-10043
НазваниеГазовые сенсоры на основе полиморфных структур оксида галлия
Руководитель Алмаев Алексей Викторович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" , Томская обл
Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-307 - Электрофизические аспекты новых технологий
Ключевые слова Сенсоры, газовая чувствительность, оксид галлия, полиморфы, полиморфные структуры.
Код ГРНТИ29.19.31
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Данный проект направлен на разработку сенсоров на основе полиморфных структур оксида галлия. Актуальность проекта заключается в необходимости развития миниатюрных и надежных систем безопасности при работе с токсичными и взрывоопасными газами, мониторинга воздуха городов и закрытых помещений, анализа выдыхаемой смеси для контроля биологических процессов. Для разработки таких систем необходимы сенсоры, отличающиеся чувствительностью к концентрациям порядка 10 ppb – 100 ppm, быстродействием, низкой потребляемой энергией, высокой надежностью и воспроизводимостью характеристик. В частности, на основе датчиков оксидов азота и аммиака предлагается разработать системы обнаружения следовых концентраций взрывчатых веществ. А сенсоры, чувствительные к низким концентрациям таких газов как водород, аммиак и ацетон необходимы для создания неинвазивных методик диагностики ряда заболеваний или отклонений.
Широко исследованные сенсоры резистивного типа на основе поликристаллических оксидов олова, вольфрама и цинка обладают рядом недостатков: отсутствие селективности; зависимость газочувствительных свойств от влажности окружающей среды; временной дрейф характеристик; отсутствие воспроизводимости. Наиболее высокая чувствительность к концентрациям газа порядка 10^-6 ppm достигается структурами металл/оксид/полупроводник и металл/полупроводник на основе традиционных материалов (Si, GaAs) и металлоокислов, где в качестве затвора используется каталитически активный металл. С другой стороны β-фаза Ga2O3 позволяет создавать газовые сенсоры резистивного и барьерного типа стабильные при высоких рабочих температурах и низких концентрациях кислорода, слабо подверженные влиянию влажности окружающей среды и характеризующиеся высокой воспроизводимостью характеристик. В данном направлении проведено уже немало работ и имеются упоминания о коммерческих сенсорах на основе β-Ga2O3. Воспроизводимость характеристик сенсоров на основе β-Ga2O3 достигается высокими рабочими температурами и использованием монокристаллических чувствительных элементов. Вместе с этим, перспективными для разработки упомянутых устройств являются α- и ε- фазы оксида галлия. Альфа фаза оксида галлия обладает шириной запрещенной зоны не менее 5.3 эВ, и является стабильной при высоких давлениях. Имеются упоминания о разработке прототипов диодов с барьером Шоттки и УФ-детекторов на основе этой фазы. Ширина запрещенной зоны ε- фазы не превышает 4.8 эВ. Однако, уже известно, что данный политип оксида обладает сегнетоэлектрическими свойствами. Вектор поляризации ε-Ga2O3 на порядок больше, чем у GaN. В перспективе эти свойства ε-Ga2O3 можно использовать для разработки массочувствительных газовых сенсоров на основе поверхностных акустических волн. Исследования, направленные на разработку приборов на основе α- и ε- фаз оксида галлия долгое время тормозились из-за отсутствия технологии, позволяющей получать стабильные кристаллы α- и ε-Ga2O3. В литературе отсутствуют упоминания о газовых сенсорах на основе α- и ε- фаз оксида галлия. Кроме того, в ходе выполнения проекта будут использоваться полиморфные структуры, полученные оригинальным методом позволяющим управлять содержанием фаз. В имеющейся, на сегодняшний день, литературе упоминания о таких структурах отсутствуют.
Под полиморфными структурами понимаются как слои отдельных фаз α- или ε-Ga2O3 на гладких сапфировых подложках, так и совместные α-Ga2O3/ε-Ga2O3 слои на сапфировых подложках с профилированной поверхностью, с металлическими контактами поверх слоев. В ходе выполнения проекта планируется решить ряд проблем фундаментального и прикладного характера: исследовать влияние газов, температуры, высокой влажности и электрического напряжения на газочувствительные свойства полиморфных структур оксида галлия; установить влияние технологических процессов на газовую чувствительность полиморфных структур на основе оксида галлия; разработать топологию сенсоров, обеспечивающую низкую потребляемую энергию; исследовать влияние металла контактов на газовую чувствительность полиморфных структур металл/полупроводник/металл; исследовать возможность разработки массочувствительных газовых сенсоров на основе поверхностных акустических волн в ε-Ga2O3; разработать прототипы газоаналитических систем с сенсорами на основе полиморфных структур оксида галлия. По завершению проекта планируется разработать прототипы сенсоров и систем на основе полиморфных структур оксида галлия для обнаружения следовых концентраций взрывчатых веществ в воздухе и неинвазивных методик диагностики ряда заболеваний, таких как лактазная и почечная недостаточности, цирроз печени и т.д.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ