Введение
1. Процессы, происходящие на поверхности полупроводниковых оксидов металлов при взаимодействии с окружающей воздушно-газовой средой. Каталитическая природа газовой чувствительности. Проводимость ПОМ в условиях адсорбции газов 17
1.1. «Порядок» и «беспорядок» в кристалле. Проводимость собственных полупроводников. Особенности полупроводниковых оксидов металлов 18
1.2. Физическая и химическая адсорбция (хемосорбция) 23
1.3. Каталитическое действие полупроводников 28
1.4. Хемосорбция молекул кислорода 31
1.5. Диссоциация молекул воды 35
1.6. Теоретические и эмпирические приближения проводимости и газовой чувствительности полупроводниковых оксидов металлов 39
1.6.1. Приближения теории граничного слоя 40
1.6.2. Приближения теории Гопеля 42
1.6.3. Модели поверхностных ловушек и барьерной проводимости 45
1.6.4. Двух-стадийная гетерогенно-каталитическая модель проводимости 47
1.7.Проводимость полупроводниковых оксидов металлов в условиях адсорбции газов 49
2. Обзор литературы по газочувствительным характеристикам полупроводниковых оксидов металлов в газовых смесях воздуха с окисью углерода, метаном, водородом, аммиаком и окислами азота 52
2.1. Обзор литературы по газочувствительным характеристикам ПОМ в газовых смесях воздуха с окисью углерода 52
2.2. Обзор литературы по газочувствительным характеристикам ПОМ в газовых смесях воздуха с метаном 64
2.3. Обзор литературы по газочувствительным характеристикам ПОМ в газовых смесях воздуха с водородом 73
2.4. Обзор литературы по газочувствительным характеристикам ПОМ в газовых смесях воздуха с аммиаком 80
2.5. Обзор литературы по газочувствительным характеристикам ПОМ в газовых смесях воздуха с окислами азота 84
2.6. Основные выводы по литературному обзору 95
3. Экспериментальная аппаратура для исследования газочувствительных и динамических характеристик структур на основе полупроводниковых оксидов металлов. Методика проведения исследований и обработки экспериментальных данных 98
3.1. Газо-динамическая установка и её модификации 99
3.2. Методика проведения исследований газочувствительности полупроводниковых оксидов металлов и обработки экспериментальных данных 107
3.3. Методика проведения исследований динамических параметров полупроводниковых оксидов металлов и обработки экспериментальных данных 116
3.4. Критерии выбора оптимальной сенсорной структуры для регистрации газов в воздухе 118
4. Исследование проводимости ПОМ в сухом и влажном воздухе. Состав «кислородно-гидроксильного» слоя 121
4.1. Проводимость ПОМ в азоте и сухом воздухе. Кислородная составляющая КГС 124
4.1.1. Методика проведения исследований 125
4.1.2. Интерпретация результатов исследований. Концентрация хемосорбированных ионов кислорода в КГС 128
4.2. Проводимость ПОМ во влажном воздухе. Гидроксильная составляющая КГС 133
4.2.1. Методика проведения исследований чувствительности ПОМ к парам воды 133
4.2.2. Интерпретация результатов исследований. Концентрация хемосорбированных ионов ОН" в КГС 137
4.2.3. Зависимость количества гидроксильных групп в КГС от влажности воздуха 143
4.3. Состав кислородно-гидроксильного слоя 146
5. Исследование газочувствительных характеристик сенсорных структур в газовых смесях воздуха с окисью углерода 149
5.1. Газочувствительные характеристики сенсорных структур 150
5.1.1. Газочувствительность (отклик) сенсоров к СО в сухом воздухе 150
5.1.2. Концентрационная зависимость сенсоров. Влияние влажности на показания сенсоров 155
5.1.3. Воспроизводимость показаний. Дрейф сопротивления в чистом воздухе 163
5.1.4. Порог чувствительности 164
5.2. Механизм взаимодействия СО с поверхностью ПОМ 165
5.3. Основные выводы 169
6. Исследование газочувствительных характеристик сенсорных структур в газовых смесях воздуха с водородом 170
6.1. Газочувствительные характеристики сенсорных структур 172
6.1.1. Газочувствительность (отклик) сенсоров к Иг в сухом воздухе 172
6.1.2. Концентрационная зависимость сенсоров. Влияние влажности на показания сенсоров 175
6.1.3. Воспроизводимость показаний. Дрейф сопротивления в чистом воздухе 184
6.1.4. Порог чувствительности 185
6.2. Механизм взаимодействия Нг с поверхностью ПОМ 187
6.3. Основные выводы 189
7. Исследование газочувствительных характеристик сенсорных структур в газовых смесях воздуха с метаном 190
7.1. Газочувствительные характеристики сенсорных структур 192
7.1.1. Газочувствительность (отклик) сенсоров к СН4 в сухом воздухе 192
7.1.2. Концентрационная зависимость сенсоров. Влияние влажности на показания сенсоров 195
7.1.3. Воспроизводимость показаний. Дрейф сопротивления в чистом воздухе 203
7.1.4. Порог чувствительности 205
7.2. Механизм взаимодействия 0 с поверхностью ПОМ 205
7.3. Основные выводы 208
8. Исследование газочувствительных характеристик сенсорных структур в газовых смесях воздуха с аммиаком 209
8.1. Газочувствительные характеристики сенсорных структур 210
8.1.1 .Газочувствительность (отклик) сенсоров к NH3 в сухом воздухе 210
8.1.2.Концентрационная зависимость сенсоров. Влияние влажности на показания сенсоров 213
8.1.3. Воспроизводимость показаний и порог чувствительности 220
8.2. Механизм взаимодействия NH3 с поверхностью ПОМ 221
8.3. Основные выводы 222
9. Исследование газочувствительных характеристик сенсорных структур в газовых смесях воздуха с окисью азота 223
9.1. Газочувствительные характеристики сенсорных структур 226
9.1.1. Газочувствительность (отклик) сенсоров к N0 в сухом воздухе 226
9.1.2. Концентрационная зависимость сенсоров. Влияние влажности на показания сенсоров 229
9.1.3. Воспроизводимость показаний. Дрейф сопротивления в чистом воздухе 241
9.1.4. Порог чувствительности 243
9.2. Механизм взаимодействия N0 с поверхностью ПОМ 244
9.3. Основные выводы 249
10. Экспериментальное исследование динамических характеристик ПОМ в газовых смесях воздуха с СО, СН4, Н2, NH3, Н20, С6Н14, С2Н5ОН и H2S 250
10.1. Обзор литературы по быстродействию полупроводниковых сенсоров 253
10.2. Динамические параметры сенсоров для окиси углерода 255
10.3. Динамические параметры сенсоров для метана 258
10.4. Динамические параметры сенсоров для водорода 260
10.5 Динамические параметры сенсоров для аммиака 263
10.6. Динамические параметры сенсоров для паров воды 266
10.7 Динамические параметры сенсоров для гексана, этанола и сероводорода 269
10.8. Основные выводы 271
11. Длительная стабильность и воспроизводимость показаний ПОМ. Выбор сенсорных структур для регистрации метана и окиси углерода 273
11.1. Дрейф сопротивления в чистом воздухе и чувствительности сенсоров 274
11.2. Воспроизводимость показаний сенсорных структур 277
11.3. Интерпретация результатов 283
11.4. Основные выводы 289
12. Интерпретация полученных результатов. Физико-химические характеристики исследованных ПОМ: полупроводников, катализаторов и сенсоров 291
12.1. Каталитическая активность исследованных ПОМ 292
12.2. Наиболее вероятные химические реакции, описывающие механизмы взаимодействия исследованных газов с ПОМ. Регенерация катализаторов. Влияние влажности на чувствительность к газам 295
12.3. Зависимость проводимости и чувствительности ПОМ к газам от числа высвобожденных в процессе реакций электронов 303
12.4. Селективность исследованных и других ПОМ к газам и возможность их практического применения 305
12.5. Основные выводы 310
Заключение 312
