Особенности адсорбции и десорбции водяных паров на поверхности пленок нестехиометрического диоксида олова

Исследовано влияние процессов адсорбции и десорбции водяных паров на поверхности нанокристаллических пленок SnO_2−δ с различной концентрацией кислородных вакансий на их электропроводность при комнатной температуре. Пленки SnO_2−δ были синтезированы методом реактивного магнетронного напыления олова в аргон-кислородной плазме с последующим двухстадийным окислительным отжигом на воздухе. Концентрация кислородных вакансий в пленках варьировалась посредством изменения температуры отжига на второй стадии в диапазоне 350–400 °C. Установлено, что в пленках с наибольшей концентрацией кислородных вакансий (~10²⁰ см⁻³) в области малых значений относительной влажности (менее ~30 %) наблюдается увеличение электропроводности в силу диссоциативной адсорбции молекул воды с образованием гидроксильных групп. Обнаружено, что адсорбция водяных паров на поверхности пленок SnO_2−δ при комнатной температуре при значениях относительной влажности более ~30 % приводит к уменьшению электропроводности образцов. Обнаружена генерация положительного или отрицательного импульса ЭДС между открытой и закрытой водонепроницаемым материалом поверхностями нанокристаллических пленок SnO_2–δ при адсорбции или десорбции на них паров воды соответственно. Установлено, что с увеличением концентрации кислородных вакансий в пленках изменение сопротивления и величина генерируемой ЭДС при адсорбции-десорбции паров воды возрастают.

1. Shankar, P. Gas sensing mechanism of metal oxides: The role of ambient atmosphere, type of semiconductor and ga ses -A review / P. Shankar, J. B. B. Rayappan // Sci. Lett. – 2015. – Vol. 4. – P. 126.

2. Yuliarto, B. SnO 2 Nanostructure as Pollutant Gas Sensors: Synthesis, Sensing Performances, and Mechanism / B. Yuliarto, G. Gumilar, N. L. W. Septiani // Adv. Mater. Sci. Eng. – 2015. – Vol. 2015. – ArticleID 694823. – P. 1–14. https://doi.org/10.1155/2015/694823

3. Das, S. SnO 2 : A comprehensive review on structures and gas sensors / S. Das, V. Jayaraman // Prog. Mater Sci. – 2014. – Vol. 66. – P. 112–255. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2014.06.003

4. Ippommatsu, M. Sensing mechanism of SnO 2 gas sensors / M. Ippommatsu, H. Sasaki, H. Yanagida // J. Mater. Sci. – 1990. – Vol. 25, № 1. – P. 259–262. https://doi.org/10.1007/BF00544217

5. Davydov, S. Adsorption of Oxygen Molecules and Carbon Monoxide Molecules on Tin Dioxide / S. Davydov, V. Moshnikov, A. Fedotov // Tech. Phys. – 2006. – Vol. 51. – P. 139–141. https://doi.org/10.1134/S1063784206010221

6. Kílíç, C. Origins of coexistence of conductivity and transparency in SnO 2 / C. Kílíç, A. Zunger // Phys. Rev. Lett. – 2002. – Vol. 88, № 9. – P. 095501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.095501

7. Effect of Humid Aging on the Oxygen Adsorption in SnO 2 Gas Sensors / K. Suematsu [et al.] // Sensors. – 2018. – Vol. 18, № 1. – P. 254. https://doi.org/10.3390/s18010254

8. Structural motifs of water on metal oxide surfaces / R. Mu [et al.] // Chem. Soc. Rev. – 2017. – Vol. 46, № 7. – P. 1785– 1806. https://doi.org/10.1039/c6cs00864j

9. First-principles study of the water adsorption on anatase(101) as a function of the coverage / R. Martinez-Casado [et al.] // J. Phys. Chem. C. – 2018. – Vol. 122, № 36. – P. 20736–20744. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b05081

10. Oxygen Vacancies as Active Sites for Water Dissociation on Rutile TiO 2 (110) / R. Schaub [et al.] // Phys. Rev. Lett. – 2001. – Vol. 87, № 26. – P. 266104. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.87.266104

11. Wang, J. G. Oxidation state of oxide supported nanometric gold / J. G. Wang, B. Hammer // Top. Catal. – 2007. – Vol. 44, № 1/2. – P. 49–56. https://doi.org/10.1007/s11244-007-0277-9

12. Role of water vapour in the interaction of SnO 2 gas sensors with CO and CH 4 / R. Ionescu [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. – 1999. – Vol. 61, № 1. – P. 39–42. https://doi.org/10.1016/S0925-4005(99)00277-4

13. Competitive Adsorption of O 2 and H 2 O at the Neutral and Defective SnO 2 (110) Surface / B. Slater [et al.] // MRS Online Proceedings Library Archive. – 2000. – Vol. 658. https://doi.org/10.1557/proc-658-gg9.33

14. A computational chemist approach to gas sensors: Modeling the response of SnO 2 to CO, O 2 , and H 2 O Gases / J.-M. Ducéré [et al.] // J. Comput. Chem. – 2012. – Vol. 33, № 3. – P. 247–258.https://doi.org/10.1002/jcc.21959

15. Zakaryan, H. Adsorption of the H and H 2 O on SnO 2 Surfaces in an O 2 Environment: Density Functional Theory Study / H. Zakaryan // Armenian J. Phys. – 2016. – Vol. 9, № 4. – P. 283–293.

16. Malyshev, V. V. Response of semiconducting metal oxides to water vapor as a result of water molecules chemical transformations on catalytically active surfaces / V. V. Malyshev // Russ. J. Phys. Chem. A.– 2008. – Vol. 82, № 13. – P. 2329– 2339. https://doi.org/10.1134/s0036024408130293

17. Адамчук, Д. B. Управление электрическими и оптическими параметрами активных элементов датчиков влажности на основе пленок оксидов олова переменного состава / Д. B. Адамчук, В. К. Ксеневич // Приборы и методы измерений. – 2019. – Т. 10, № 2. – P. 138–150. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2019-10-2-138-150

18. Fabrication and characterization of transparent tin dioxide films with variable stoichiometric composition. / V. K. Ksenevich [et al.] // Acta Phys. Pol. A. – 2015. – Vol. 128, № 5. – P. 861–863. https://doi.org/10.12693/aphyspola.128.861

19. Nonstoichiometric tin oxide films: study by x-ray diffraction, raman scattering and electron paramagnetic resonance / V. K. Ksenevich [et al.] // Lithuanian J. Phys. – 2019. – Vol. 59, № 4. – P. 179–185.

20. Импедансная спектроскопия поликристаллических пленок диоксида олова / Д. В. Адамчук [и др.] // Приборы и методы измерений. – 2016. – Т. 7, № 3. – С. 312–321. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2016-7-3-312-321

21. Boroojerdian, P. Structural and Optical Study of SnO Nanoparticles Synthesized Using Microwave – Assisted Hydrothermal Route / P. Boroojerdian // Int. J. Nanosci. Nanotechnol. – 2013. – Vol. 9, № 2. – P. 95–100.

22. Gardiner, D. J. Practical Raman Spectroscopy / D. J. Gardiner, P. R. Graves. – Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag. – 1989. – 157 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-74040-4

23. The complete Raman spectrum of nanometric SnO 2 particles / A. Diéguez [et al.] // J. Appl. Phys. – 2001. – Vol. 90, № 3. – P. 1550–1557. https://doi.org/10.1063/1.1385573

24. Identification of oxygen vacancy types from Raman spectra of SnO 2 nanocrystals / L. Z. Liu [et al.] // J. Raman Spectroscopy. – 2012. – Vol. 43, № 10. – P. 1423–1426. https://doi.org/10.1002/jrs.4078

25. Batzill, M. The surface and materials science of tin oxide / M. Batzill, U. Diebold // Prog. Surf. Sci. – 2005. – Vol. 79, № 2. – P. 47–154. https://doi.org/10.1016/j.progsurf.2005.09.002

26. Calculated static and dynamic properties of -Sn and Sn-O compounds / E. L. Peltzer y Blancá [et al.] // Phys. Rev. B. – 1993. – Vol. 48, № 21. – P. 15712–15718. https://doi.org/10.1002/jrs.4078

27. Exploring Resonance Raman Spectroscopy / D. Tuschel [et al.] // Spectroscopy. – 2018. – Vol. 33, № 12. – P. 12–19.

28. Heiland, G. Physical and Chemical Aspects of Oxidic Semiconductor Gas Sensors / G. Heiland, D. Kohl // Chemical Sensor Technology. – Elsevier, 1988. – Vol. 1. – P. 15–38. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-98901-7.50007-5

29. Gercher, V. A. Water adsorption on stoichiometric and defective SnO 2 (110) surfaces / V. A. Gercher, D. F. Cox // Surf. Sci. – 1995. – Vol. 322, № 1/3. – P. 177–184. https://doi.org/10.1016/0039-6028(95)90028-4

30. Site-selectively grown SnO 2 NWs networks on micromembranes for efficient ammonia sensing in humid conditions / J. Samà [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2016. – Vol. 232. – P. 402–409. https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.03.091