The effect of deep surface acceptor states on the temperature-dependent conductivity of zinc oxide nanoparticles

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

An experimental and theoretical study was conducted on the temperature dependence of the conductivity of zinc oxide ( ZnO ) layers in dry air and ethanol. The study found that the conductivity of ZnO depends non-linearly on temperature, and its type varies depending on experimental conditions. Scanning speed directly affects the type of the temperature dependence, with a local minimum in conductivity between 250±5°C at a scanning rate of 0,4°C/min. However, monotonic dependencies are observed at slower scanning rates, such as 30°C/min, and a mechanism is proposed to explain the effect of the scanning velocity on the type of dependency. This mechanism involves the process of the thermal activation of oxygen molecules to form atomic oxygen at adsorption sites. The key idea behind this mechanism is that atomic oxygen forms deeper acceptor levels on zinc oxide surfaces compared to molecular oxygen. At a high scanning rate, the relaxation time for filling the surface with adsorbed oxygen is significantly longer than the experimental time. Therefore, metastable «frozen» states of atomic forms of adsorbed oxygen appear on the surface of zinc oxide layers. As a result, metastable «frozen» states of adsorbed atoms appear on the surface of zinc oxide layers. Based on calculations using this model, we propose a method for reducing the number of nonequilibrium atomic oxygen states by heating samples in a reducing medium.

Sobre autores

Nikita Klychkov

Saratov State University

Email: nklychkov@mail.ru
3rd year postgraduate student, Physics Institute

Viacheslav Simakov

Saratov State University

Dr. Sc., Professor, Material Sciences, Technologies and Quality Management Department

Ilya Sinev

Saratov State University

Ph. D., Docent, Material Sciences, Technologies and Quality Management Department

Bibliografia

  1. Кисин, В.В. Градуировка тонкопленочного сенсора газа / В.В. Кисин, В.В. Симаков, А.С. Ворошилов и др. // Приборы и техника эксперимента. - 2009. - Вып. 1. - С. 158-160.
  2. Симаков, В.В. Влияние температуры на скорость роста нитевидных нанокристаллов диоксида олова, сформированных методом физического осаждения из парогазовой фазы / В.В. Симаков, И.В. Синёв, А.В. Смирнов, А.И. Гребенников // Журнал технической физики. - 2016. - Т. 86. - Вып. 4. - С. 96-100. doi: 10.1134/S1063784216040216.
  3. Румянцева, М.Н. Влияние микроструктуры полупроводниковых сенсорных материалов на хемосорбцию кислорода на их поверхности / М.Н. Румянцева, Е.А. Макеева, А.М. Гаськов // Российский химический журнал. - 2008. - Т. 52. - Вып. 2. - С. 122-129.
  4. Симаков, В.В Аппаратно-программный комплекс многопараметрического распознавания многокомпонентных газовых смесей на основе мультисенсорных микросистем / В.В. Симаков, Л.В. Никитина, И.В. Синев // Башкирский химический журнал. - 2010. - Т. 17. - Вып. 5. - С. 125-127.
  5. Simakov, V. Gas identification by quantitative analysis of conductivity-vs-concentration dependence for SnO2 sensors / V. Simakov, A. Voroshilov, A. Grebennikov, et al. // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2009. - V. 137. - I. 2. - P. 456-461. doi: 10.1016/j.snb.2009.01.005.
  6. Ma, D. Gas recognition method based on the deep learning model of sensor array response map / D. Ma, J. Gao, Z. Zhang, H. Zhao // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2021. - V. 330. - Art. №. 129349. - 14 p. doi: 10.1016/j.snb.2020.129349.
  7. Fine, G.F. Metal oxide semi-conductor gas sensors in environmental monitoring / G.F. Fine, L.M. Cavanagh, A. Afonja, R. Binions // Sensors. - 2010. - V. 10. - I. 6. - P. 5469-5502. doi: 10.3390/s100605469.
  8. Tiemann, M. Porous metal oxides as gas sensors / M. Tiemann // Chemistry-A European Journal. - 2007. - V. 13. - I. 30. - P. 8376-8388. doi: 10.1002/chem.200700927.
  9. Comini, E. Metal oxide nano-crystals for gas sensing / E.Comini // Analytica Chimica Acta. - 2006. - V. 568. - I. 1-2. - P. 28-40. doi: 10.1016/j.aca.2005.10.069.
  10. Клычков, Н.А. Перекрестное влияние паров изопропанола и этанола на отклик полупроводникового сенсора газа / Н.А. Клычков, В.В. Симаков, В.В. Ефанова, И.В. Синев // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 746-753. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.746.
  11. Корабель, М.Д. Принципы создания виртуальной мультисенсорной системы для распознавания газовых смесей / М.Д. Корабель, И.В. Синев, Д.А. Шикунов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2020. - Вып. 12. - С. 827-835. doi: 10.26456/pcascnn/2020.12.827.
  12. Смирнов, А.В. Влияние термоциклирования на воспроизводимость температурной зависимости проводимости наноструктурированных плёнок SnO2 / А.В. Смирнов, А.И. Гребенников, И.В. Синёв, В.В. Симаков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2013. - Вып. 5. - С. 296-300.
  13. Клычков, Н.А. Математическое моделирование проводимости поликристаллических слоёв широкозонных полупроводников при адсорбции на их поверхности газов - восстановителей в присутствии кислорода / Н.А. Клычков, Д.В. Курмашева, В.В. Симаков, И.В. Синев // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 424-431. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.424.
  14. Korotchenkov, G. Electrical behavior of SnO2 thin films in humid atmosphere / G. Korotchenkov, V. Brynzari, S. Dmitriev // Sensors and Actuators B: Chemical. - 1999. - V. 54. - I. 3. - P. 197-201. doi: 10.1016/S0925-4005(99)00016-7.
  15. Клычков, Н.А. Температурная зависимость проводимости пленки Cu: SnO2 на воздухе / Н.А. Клычков, В.В. Симаков, И.В. Синев // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 119-126. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.119.
  16. Patil, P.S. Effect of substrate temperature on structural, electrical and optical properties of sprayed tin oxide (SnO2) thin films / P.S. Patil, R.K. Kawar, T. Seth et. al. // Ceramics International. - 2003. - V. 29. - I. 7. - P. 725-734. doi: 10.1016/S0272-8842(02)00224-9.
  17. Свидетельство № 2023687537 Российская Федерация. Программный комплекс для расчета электрических свойств полупроводниковых сенсоров газа на основе поликристаллических пленок в газовых средах различного состава / Н. А. Клычков, В. В. Симаков, И. В. Синев; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВО "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского". - № 2023687737; заявл. 17.12.2023; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 17.12.2023. - 1 с.
  18. Mahdi, J.K.B. Temperature dependence conductivity and optical energy gap of ZnO modified CNTs prepared by sol-gel method /j.K.B. Mahdi, H.A. Banimuslem // AIP Conference Proceedings. - 2023. - V. 2591. - I. 1. - Art. №. 040029. - 10 p. doi: 10.1063/5.0120451.
  19. Воробьева, Н.А. Проводимость нанокристаллического ZnO (Ga) / Н.А. Воробьева, М.Н. Румянцева, П.А. Форш, А.М. Гаськов // Физика и техника полупроводников. - 2013. - Т. 47. - Вып. 5. - С. 637-641.
  20. Roy, T.K Temperature dependent resistivity study on zinc oxide and the role of defects / T.K. Roy, D. Sanyal, D. Bhowmick, A. Chakrabarti // Materials Science in Semiconductor Processing. - 2013. - V. 16. - I. 2. - P. 332-336. doi: 10.1016/j.mssp.2012.09.018.
  21. Nakagawa, M. Anomalous temperature dependence of the electrical conductivity of zinc oxide thin films / M. Nakagawa, H. Mitsudo // Surface Science. - 1986. - V. 175. - I. 1. - P. 157-176. doi: 10.1016/0039-6028(86)90089-0.
  22. Yan, Y. Oxygen-vacancy mediated adsorption and reactions of molecular oxygen on the ZnO (10 0) surface / Y. Yan, M.M. Al-Jassim, S.H. Wei // Physical Review B. - 2005. - V. 72. - I. 16. - Art. №. 161307. - 4 p. doi: 10.1103/PhysRevB.72.161307.
  23. Stambolova, I. Lanthanum doped SnO2 and ZnO thin films sensitive to ethanol and humidity / I. Stambolova, K. Konstantinov, S. Vassilev et al. // Materials Chemistry and Physics. - 2000. - V. 63. - I. 2. - P. 104-108. doi: 10.1016/S0254-0584(99)00193-5.
  24. Suzuki, T.T. Ethanol gas sensing by a Zn-terminated ZnO (0001) bulk single-crystalline substrate / T.T. Suzuki, T. Ohgaki, Y. Adachi et al. // ACS Omega. - 2020. - V. 5. - I. 33. - P. 21104-21112. doi: 10.1021/acsomega.0c02750.
  25. Piliai, L. New insights towards high-temperature ethanol-sensing mechanism of ZnO-based chemiresistors / L. Piliai, D. Tomeček, M. Hruška et al. // Sensors. - 2020. - V. 20. - I. 19. - Art. №. 5602. - 14 p. doi: 10.3390/s20195602.
  26. Srikant, V. On the optical band gap of zinc oxide / V. Srikant, D.R. Clarke // Journal of Applied Physics. - 1998. - V. 83. - I. 10. - P. 5447-5451. doi: 10.1063/1.367375.
  27. Sharma, D.K. A review on ZnO: Fundamental properties and applications / D.K. Sharma, S. Shukla, K.K. Sharma, V. Kumar // Materials Today: Proceedings. - 2022. - V. 49. - Part 8. - P. 3028-3035. doi: 10.1016/j.matpr.2020.10.238.
  28. Yoshikawa, H. Optical constants of ZnO / H. Yoshikawa, S. Adachi // Japanese Journal of Applied Physics. - 1997. - V. 36. - I. 10. - P. 6237-6243. doi: 10.1143/JJAP.36.6237.
  29. Weißenrieder, K.S. Conductivity model for sputtered ZnO-thin film gas sensors / K.S. Weißenrieder, J. Müller // Thin Solid Films. - 1997. - V. 300. - I. 1-2. - P. 30-41. doi: 10.1016/S0040-6090(96)09471-0.
  30. von Wenckstern, H. Donor levels in ZnO / H. von Wenckstern, S. Weinhold, G. Biehne et. al. // In book: Advances in Solid State Physics; ed. by B. Kramer. - Heidelberg, Berlin: Springer-Verlag, 2006. - V. 45. - P. 263-274. doi: 10.1007/11423256_21.
  31. Hofmann, D.M. Properties of the oxygen vacancy in ZnO / D.M. Hoffman, D. Pfisterer, J. Sann et al. // Applied Physics A. - 2007. - V. 88. - P. 147-151. doi: 10.1007/s00339-007-3956-2.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».