bsuirДоклады БГУИРDoklady BGUIR1729-76482708-0382БГУИР10.35596/1729-7648-2023-21-2-5-13bsuir-3594Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОФИЗИКА, РАДИОТЕХНИКА, ИНФОРМАТИКАELECTRONICS, RADIOPHYSICS, RADIOENGINEERING, INFORMATICSЧувствительность к метану нанокомпозитных слоев SnO2(Ag) после импульсного лазерного облученияMethane Sensitivity of Pulsed Laser Treated SnO2(Ag) Nanocomposite LayersПрокопьевС. Л.PrakopyeuS. L.

Прокопьев Станислав Леонидович, старший преподаватель кафедры физической электроники и нанотехнологий

220064, г. Минск, ул. Курчатова, 5

Тел.: +375 29 276-16-90

Prakopyeu Stanislau Leanidavich, Senior Lecturer at the Department of Physical Electronics and Nanotechnology

220064, Republic of Belarus, Kurchatova St., 5

Tel.: +375 29 276-16-90

prokopyev@bsu.byГайдукП. И.GaidukP. I.

д. ф.-м. н., профессор кафедры физической электроники и нанотехнологий

Минск

Dr. of Sci. (Phys. and Math.), Professor at the Department of Physical Electronics and Nanotechnology

Белорусский государственный университетBelarusian State University202323042023212513Copyright © Прокопьев С.Л., Гайдук П.И., 20232023Прокопьев С.Л., Гайдук П.И.Prakopyeu S.L., Gaiduk P.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.bsuir.by/jour/article/view/3594

Исследованы газочувствительные свойства слоев SnO2(Ag), полученных последовательным магнетронным распылением мишени Sn + Ag, окислением слоев Sn0,65Ag0,35 при температуре 650 °С в течение 30 мин и модифицированных импульсами лазерного излучения с плотностью энергии W = 1,5–3,2 Дж/см2. Методами просвечивающей электронной микроскопии и просвечивающей электронной дифракции установлено, что слои Sn0,65Ag0,35 и SnO2(Ag) являются нанокомпозитными со средним размером зерен 100–150 нм. В зависимости от режимов их получения слои содержат зерна с фазовым составом: тетрагональная фаза β-Sn с орторомбической фазой Ag3Sn (Sn0,65Ag0,35, магнетронное распыление) и тетрагональная фаза SnO2 (касситерит) с гранецентрированной кубической структурой Ag (SnO2(Ag), термическое окисление). Чувствительность S слоев SnO2(Ag) к метану определялась при T = 200–360 °C в атмосфере воздуха с содержанием метана в диапазоне CCH4 = 2000–20 000 ppm. Показано, что импульсная лазерная обработка приводит к увеличению чувствительности S слоев SnO2(Ag) к метану до 12 % по сравнению с исходными слоями SnO2(Ag). 

This paper reports on the gas sensitivity of SnO2(Ag) layers, consequently formed by magnetron sputtering of Sn + Ag target, oxidation of Sn0.65Ag0.35 layers at the temperature of 650 °С within 30 min and modified by laser radiation pulses at energy density of W = 1.5–3.2 J/cm2. Using transmission electron microscopy and transmission electron diffraction it was found, that Sn0.65Ag0.35 and SnO2(Ag) layers are nanocomposite with average grain size of 100–150 nm. Sn0.65Ag0.35 and SnO2(Ag) layers contain grains of the following phase composition: a tetragonal β-Sn with an orthorhombic Ag3Sn (Sn0.65Ag0.35, magnetron sputtering) and a tetragonal SnO2 (cassiterite) with a face-centered cubic Ag structure (SnO2(Ag), thermal oxidation). The sensitivity of SnO2(Ag) layers with respect to 2000–20 000 ppm methane in the air was obtained from sensitivity S measurements at T = 200–360 °C. It is shown that pulsed laser annealing of SnO2(Ag) layers results in up to 12 % increase of sensitivity of SnO2(Ag) layers to methane in comparison with the initial SnO2(Ag) layers. 

нанокомпозитные слои SnO2(Ag)магнетронное распылениеимпульсная лазерная обработкатермическое окислениегазочувствительностьметанnanocomposite SnO2(Ag) layersmagnetron sputteringpulsed laser annealingthermal oxidationgas sensitivitymethaneReferencesPan, S. Recent Progress in p-Type Doping and Optical Properties of SnO2 Nanostructures for Optoelectronic Device Applications / S. Pan, G. Li // Recent Patents in Nanotechnology. 2011. No 5. Р. 138–161. DOI: 10.2174/187221011795909161.Pan S., Li G. (2011) Recent Progress in p-Type Doping and Optical Properties of SnO2 Nanostructures for Optoelectronic Device Applications. Recent Patents in Nanotechnology. 5, 138–161. DOI: 10.2174/187221011795909161.Macroporous SnO2. Synthesized via a Template-Assisted Reflux Process for Efficient Dye-Sensitized Solar Cells / K.-N. Li [et al.] // Appl. Mater. Interfaces. 2013. No 5. Р. 5105–5111. DOI: 10.1021/am4009727.Li K.-N., Wang Y.-F., Xu Y.-F., Chen, H.-Y., Su C.-Y., Kuang D.-B. (2013) Macroporous SnO2. Synthesized via a Template-Assisted Reflux Process for Efficient Dye-Sensitized Solar Cells. Appl. Mater. Interfaces. 5, 5105–5111. DOI: 10.1021/am4009727.Geckeler, K. E. Functional Nanomaterials / K. E. Geckeler, E. Rosenberg. Valencia: Amer. Sci. Publ., 2005.Geckeler K. E., Rosenberg E. (2005) Functional Nanomaterials. Valencia, Amer. Sci. Publ.A Novel Low Temperature Gas Sensor Based on Pt-Decorated Hierarchical 3D SnO2 Nanocomposites / L.Wang [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. 2016. No 232. Р. 91–101. DOI: 10.1016/j.snb.2016.02.135.Wang L., Wang Y., Yu K., Wang S., Zhang Y., Wei C. (2016) A Novel Low Temperature Gas Sensor Based on Pt-Decorated Hierarchical 3D SnO2 Nanocomposites. Sensors and Actuators B: Chemical. 232, 91–101. DOI: 10.1016/j.snb.2016.02.135.Gaiduk, P. I. Plasmonic-Based SnO2 Gas Sensor with In-Void Segregated Silver Nanoparticles / P. I. Gaiduk // Microel. Eng. 2014. No 125. Р. 68–72. DOI: 10.1016/j.mee.2013.11.005.Gaiduk P. I. (2014) Plasmonic-Based SnO2 Gas Sensor with In-Void Segregated Silver Nanoparticles. Microel. Eng. 125, 68–72. DOI: 10.1016/j.mee.2013.11.005.Lee, K.-S. Gold and Silver Nanoparticles in Sensing and Imaging: Sensitivity of Plasmon Response to Size, Shape, and Metal Composition / K.-S. Lee, M. A. El-Sayed // J. Phys. Chem. B. 2006. Vol. 110, No 39. Р. 19220–19225. DOI: 10.1021/jp062536y.Lee K.-S., El-Sayed M. A. (2006) Gold and Silver Nanoparticles in Sensing and Imaging: Sensitivity of Plasmon Response to Size, Shape, and Metal Composition. J. Phys. Chem. B. 110 (39), 19220–19225. DOI: 10.1021/jp062536y.Nanostructured Materials for Room‐Temperature Gas Sensors / J. Zhang [et al.] // Adv. Mater. 2016. Vol. 28, No 5. Р. 795–831. DOI: 10.1002/adma.201503825.Zhang J., Liu X., Neri G., Pinna N. (2016) Nanostructured Materials for Room‐Temperature Gas Sensors. Adv. Mater. 28 (5), 795–831. DOI: 10.1002/adma.201503825.Dey, A. Semiconductor Metal Oxide Gas Sensors: a Review / А. Dey // Materials Science and Engineering. B. 2018. No 229. Р. 206–217. DOI: 10.1016/j.mseb.2017.12.036.Dey A. (2018) Semiconductor Metal Oxide Gas Sensors: a Review. Materials Science and Engineering. B. 229, 206–217. DOI: 10.1016/j.mseb.2017.12.036.Electrical Properties for Poly-Ge Films Fabricated by Pulsed Laser Annealing / Н. Watakabe [et al.] // Thin Solid Films. 2006. Vol. 508, No 1–2. Р. 315–317. DOI: 10.1016/j.tsf.2005.08.393.Watakabe H., Sameshima T., Kanno H., Miyao M. (2006) Electrical Properties for Poly-Ge Films Fabricated by Pulsed Laser Annealing. Thin Solid Films. 508 (1–2), 315–317. DOI: 10.1016/j.tsf.2005.08.393.Pulsed Laser Annealing of Semiconductor Structures for Functional Devices / N. Misra [et al.] // Phys. Stat. Sol. (c) 2008. Vol. 5, No 10. Р. 3264–3270. DOI: 10.1002/pssc.200779506.Misra N., Xu L., Rogers M. S., Ko S. H., Grigoropoulos C. P. ((с) 2008) Pulsed Laser Annealing of Semiconductor Structures for Functional Devices. Phys. Stat. Sol. 5 (10), 3264–3270. DOI: 10.1002/pssc.200779506.Observation of a Hexagonal (4H) Phase in Nanocrystalline Silver / Р. Taneja [et al.] // Phys. Rev. B. 2001. No 64. Р. 033405. DOI: 10.1103/PhysRevB.64.033405.Taneja P., Banerjee R., Ayyub P., Dey G. K. (2001) Observation of a Hexagonal (4H) Phase in Nanocrystalline Silver. Phys. Rev. B. 64, 033405. DOI: 10.1103/PhysRevB.64.033405.Interface Structure of Ag/SnO2 Nanocomposite Fabricated by Reactive Synthesis / J. Chen [et al.] // J. Mater. Sci. Technol. 2010. No 26. Р. 49–55. DOI: 10.1016/S1005-0302(10)60008-4.Chen J., Feng J., Xiao B., Zhang K. H., Du Z. P., Hong Z. J., Zhou R. (2010) Interface Structure of Ag/SnO2 Nanocomposite Fabricated by Reactive Synthesis. J. Mater. Sci. Technol. 26, 49–55. DOI: 10.1016/S1005- 0302(10)60008-4.Bhagavat G. K. Electrical and Photovoltaic Properties of Tin Oxide Silicon Heterojunctions / G. K. Bhagavat, K. B. Sundaram // Thin Solid Films. 1979. No 63. Р. 197–201. DOI: 10.1016/0040-6090(79)90126-3.Bhagavat G. K., Sundaram K. B. (1979) Electrical and Photovoltaic Properties of Tin Oxide Silicon Heterojunctions. Thin Solid Films. 63, 197–201. DOI: 10.1016/0040-6090(79)90126-3.Гаман, В. И. Физика полупроводниковых газовых сенсоров / В. И. Гаман. Томск: Изд-во НТЛ, 2012.Gaman V. I. (2012) Physics of Semiconductor Gas Sensors. Tomsk, Publishing House of Scientific and Technical Literature (in Russian).Shimizu, Y. Basic Aspects and Challenges of Semiconductor Gas Sensors / Y. Shimizu, M. Egashira // MRS Bulletin. 1999. Vol. 24, No 6. Р. 18–24. DOI: 10.1557/S0883769400052465.Shimizu Y., Egashira M. (1999) Basic Aspects and Challenges of Semiconductor Gas Sensors. MRS Bulletin. 24 (6), 18–24. DOI: 10.1557/S0883769400052465.Kamins, T. I. Hall Mobility in Chemically Deposited Polycrystalline Silicon / T. I. Kamins // J. of Appl. Phys. 1971. No 42. Р. 4357–4365. DOI: 10.1063/1.1659780.Kamins T. I. (1971) Hall Mobility in Chemically Deposited Polycrystalline Silicon. J. of Appl. Phys. 42, 4357–4365. DOI: 10.1063/1.1659780.Correlation between the Microscopic and Macroscopic Characteristics of SnO2 Thin Film Gas Sensors / А. Lopes [et al.] // International Journal of Inorganic Materials. 2001. Vol. 3, No 8. Р. 1349–1351. DOI: 10.1016/S1466-6049(01)00160-X.Lopes A., Fortunato E., Nunes P., Vilarinho P., Martins R. (2001) Correlation between the Microscopic and Macroscopic Characteristics of SnO2 Thin Film Gas Sensors. International Journal of Inorganic Materials. 3 (8), 1349–1351. DOI: 10.1016/S1466-6049(01)00160-X.Пасынков, В. В. Материалы электронной техники / В. В. Пасынков, В. С. Сорокин. CПб.: Лань, 2001. 19. Иоффе, И. И. Инженерная химия гетерогенного катализа / И. И. Иоффе, Л. М. Письмен. Л.: Химия, 1972.Pasynkov V. V., Sorokin V. S. (2001) Materials of Electronic Engineering. Saint Petersburg, Publ. (in Russian).Ioffe I. I., Pismen L. M. (1972) Engineering Chemistry of Heterogeneous Catalysis. Leningrad, Chimiya Publ. (in Russian).Ioffe I. I., Pismen L. M. (1972) Engineering Chemistry of Heterogeneous Catalysis. Leningrad, Chimiya Publ. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.