ГРАФЕНОВЫЙ СЕНСОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ГАЗООБРАЗНЫХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2018 года по МПК G01N27/407 

Изобретение относится к приборам для исследования и анализа материалов с помощью электрических средств, в частности к приборам для исследования и анализа газов путем измерения активного сопротивления слоя графена.

Известен графеновый сенсор для измерения в окружающей атмосфере, в основном, концентрации двуокиси углерода. (Заявка US 2015377824 «Graphene gas sensor for measuring the concentration of carbon dioxide in gas environments)), filled: June 26, 2015, published: December 31, 2015). Известный газовый сенсор содержит подложку, выполненную, в частности из кремния, на которой расположен изолирующий слой, электродный слой, контактирующий со слоем графена, и слой галогенида, покрывающий, по крайней мере, часть поверхности графена, обращенной в направлении окружающей среды.

Известный сенсор предназначен, в основном, для измерения концентрации двуокиси углерода, при этом слой галогенида, покрывающий часть поверхности графена, непроницаем для таких газов как NO₂, Н₂О и H₂S, т.е. область применения известного сенсора очень ограничена.

Что касается конструкции сенсора, то структура сенсора многослойная, система контактов сформирована на изолирующем слое, слой графена сформирован поверх системы электрических контактов, т.е. имеет переменную толщину, что отрицательно влияет на точность и объективность результатов измерений. Взаимное расположение контактов, изолирующего слоя и слоя графена, материалы из которых они изготовлены, и технология изготовления такой структуры не позволяют обеспечить высокую механическую прочность прибора в целом, в особенности при условии неизбежных циклических и термических нагрузок.

Известен также графеновый сенсор для регистрации газообразных веществ, содержащий диэлектрическую подложку, слой графена на поверхности подложки и контактные площадки, контактирующие со слоем графена (Патент US 9678036 «Graphene-based gas and bio sensor with high sensitivity and selectivity», filled: March 13, 2014, date of patent June 13, 2017). В известном устройстве подложка выполнена из легированного кремния и покрыта диэлектрическим слоем, выполненным предпочтительно из окиси кремния, на поверхности которого сформирован слой графена. На поверхности слоя графена сформированы входящая и отводящая контактные площадки, соединенные с предусилителем, который обеспечивает усиление колебаний тока. В качестве параметра измерения в известном устройстве используется изменение амплитуды и профиля спектра электрических шумов.

Как указано в патенте US 9678036 различные газы по-разному влияют на низкочастотные спектры шумов графенового сенсора, кроме того, некоторые газы влияют на изменение спектров шумов, а некоторые на изменение сопротивления слоя графена. Учитывая, что, как правило, в окружающей атмосфере присутствуют смеси газов и усилительная схема устройства достаточно сложная, имеют место погрешности измерений, обусловленные погрешностями измерений компонентов схемы и влиянием на результаты измерений газового состава. Таким образом, чувствительность устройства в целом ограничена, а для получения объективных результатов требуются дополнительные калибровки и настройки.

Следует также отметить, что срок службы известного сенсора ограничен прочностью соединения элементов сенсора (диэлектрической подложки, выполненной из SiO₂ со слоем графена и слоя графена с контактными площадками, полученными электронно-лучевым напылением непосредственно на поверхность слоя графена) при воздействии механических и термических колебаний.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение чувствительности сенсора, упрощение его конструкции, а также увеличение срока службы за счет повышения стойкости к внешним воздействиям.

Технический результат достигается за счет того, что в графеновом сенсоре для регистрации газообразных веществ, содержащем диэлектрическую подложку, слой графена на поверхности подложки и контактные площадки, контактирующие со слоем графена, диэлектрическая подложка выполнена из карбида кремния, поверхность подложки покрыта слоем графена, полученного сублимацией карбида кремния, вдоль торцов подложки предусмотрены выполненные ионно-лучевым травлением канавки для размещения контактных площадок ступенчатой формы, контактирующих с торцами слоя графена и частью поверхности слоя графена, прилегающей к контактным площадкам.

Наиболее предпочтительна толщина слоя графена составляющая один моноатомный слой.

Контактные площадки целесообразно изготовить в форме многослойной структуры, состоящей из Ti, Au и Ni.

Предпочтительно, чтобы слой, контактных площадок контактирующий с диэлектрической подложкой был выполнен из Ti, а слой ступенчатой формы, контактирующий со слоем графена был выполнен из Au и покрыт слоем Ni.

В графеновом сенсоре, выполненном в соответствии с изобретением, диэлектрическая подложка выполнена из карбида кремния, который фактически является диэлектриком с высоким сопротивлением, т.е. промежуточные диэлектрические слои не требуются. Основа сенсора - слой графена на карбиде кремния. Достоинством такой структуры является сильная связь между подложкой и слоем графена, которая возникает из-за образования буферного слоя в процессе получения слоя графена сублимацией карбида кремния. Благодаря сильной связи слоя графена с подложкой из карбида кремния, сенсор, выполненный в соответствии с изобретением способен выдерживать различные механические, термические и химические воздействия, за счет чего и достигается повышение его срока службы.

Отличительной особенностью сенсора предлагаемой конструкции является также форма выполнения и размещение контактных площадок. Контактные площадки ступенчатой формы обеспечивают контакт со слоем графена по торцам и незначительной частью поверхности слоя графена, прилегающего к торцам. В известных устройствах контактные площадки расположены либо сверху, либо снизу и контактируют со слоем графена в вертикальном направлении, образуя энергетический барьер и ограничивая чувствительность сенсора. Графен характеризуется наилучшей проводимостью вдоль плоскости слоя, поэтому расположение контактных площадок по торцам слоя обеспечивает высокую подвижность носителей, омическое сопротивление контактных площадок в этом случае снижается и, как следствие, обеспечивается повышение чувствительности сенсора в целом.

Выполнение контактных площадок ступенчатой формы и обеспечение их контакта не только по торцам, но и с частью поверхности, прилегающей к контактным площадкам обеспечивает одновременно повышение надежности электрического контакта за счет плотности прилегания контактных площадок к слою графена, а также прочность и стойкость к механическим воздействиям конструкции в целом.

Контактные площадки размещены в канавках, полученных ионно-лучевым травлением для обеспечения хорошей адгезии материалов, из которых изготовлены контактные площадки, как к слою графена, так и к карбиду кремния, что является необходимым условием обеспечения как высокой чувствительности сенсора, так и его механической прочности.

При толщине слоя графена в один моноатомный слой, в нем обеспечивается наилучшая подвижность носителей.

Экспериментально установлено, что Ti обладает хорошей адгезией к карбиду кремния, a Au, в свою очередь одновременно хорошей адгезией к титану, высокой проводимостью и одновременно низкой химической активностью, что обеспечивает надежность конструкции как в условиях термических, так и механических нагрузок. Поверхностный слой Ni необходим для обеспечения возможности создания надежных паяных соединений контактных площадок сенсора с элементами схем измерений.

Изобретение поясняется чертежами:

фиг. 1 - графеновый сенсор для регистрации газообразных веществ,

фиг. 2 - график отклика графенового сенсора при комнатной температуре на крайне низкие концентрации диоксида азота,

фиг. 3 - график отклика графенового сенсора при комнатной температуре на воздействие газовой смеси, содержащей NO₂ в низких концентрациях при осуществлении прогрева сенсора между измерениями до температуры 110°С. Графеновый сенсор, представленный на фиг. 1 содержит выполненную из карбида кремния подложку 1, поверхность которой покрыта слоем графена 2, полученного сублимацией карбида кремния. Вдоль торцов подложки предусмотрены канавки 3 для размещения контактных площадок 4. Контактные площадки ступенчатой формы выполнены в форме многослойной структуры, состоящей из Ti, Au, и Ni. Контактные площадки контактируют с торцами слоя графена 5 и частью слоя графена 6, прилегающей к контактным площадкам.

На фиг. 2 представлен график отклика графенового сенсора, выполненного в соответствии с изобретением, при комнатной температуре на крайне низкие концентрации диоксида азота. 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, что приводит к увеличению удельного сопротивления графена n-типа проводимости. Уже при концентрации NO₂ в 1 ppb (1 миллиардная доля (млрд^-1)) сенсор демонстрирует отклик примерно в 3%.

Испытания сенсора в подвижных устройствах и при резких колебаниях температуры показали, что механические и температурные факторы не влияют на его показания.

График фиг. 3 показывает, что после прогрева происходит восстановление сопротивления сенсора до исходного значения R₀. В ходе проведения испытаний не было выявлено признаков деградации компонентов сенсора (слой графена, подложка карбида кремния, металлические контакты к графену, сварка алюминиевых проволочек) при периодическом прогреве чипа до температуры 100-150°С.

Использование: для контроля концентрации газовых составляющих в атмосфере при различных условиях. Сущность изобретения заключается в том, что графеновый сенсор включает диэлектрическую подложку, выполненную из карбида кремния, которая покрыта слоем графена, слой графена получен сублимацией карбида кремния, контактные площадки контактируют со слоем графена по торцам, для размещения контактных площадок предусмотрены выполненные ионно-лучевым травлением канавки. Технический результат: обеспечение возможности повышения чувствительности сенсора, упрощения его конструкции, а также увеличения срока службы. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Графеновый сенсор для регистрации газообразных веществ, содержащий диэлектрическую подложку, слой графена на поверхности подложки и контактные площадки, контактирующие со слоем графена, отличающийся тем, что диэлектрическая подложка выполнена из карбида кремния, поверхность подложки покрыта слоем графена, полученного сублимацией карбида кремния, вдоль торцов подложки предусмотрены выполненные ионно-лучевым травлением канавки для размещения контактных площадок ступенчатой формы, контактирующих с торцами слоя графена и частью поверхности слоя графена, прилегающей к контактным площадкам.

2. Графеновый сенсор по п. 1, отличающийся тем, что толщина слоя графена составляет один моноатомный слой.

3. Графеновый сенсор по п. 1, отличающийся тем, что контактные площадки выполнены в форме многослойной структуры, состоящей из Ti, Au и Ni.

4. Графеновый сенсор по п. 1, отличающийся тем, что контактные площадки выполнены в форме трехслойной, структуры, при этом слой, контактирующий с диэлектрической подложкой, выполнен из Ti, а слой ступенчатой формы, контактирующий с графеновой пленкой, выполнен из Au и покрыт слоем Ni.