Химия и химические технологии/ 5.Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий

Фоторезисторы на основе наноструктурированных пленок твердых растворов Pb_1−xSn_xSe (0 < х < 0,132).

Д.х.н. Маскаева Л.Н.¹⁾, д.х.н. Марков В.Ф.²⁾, Баканов В.М.²⁾, к.т.н. Мухамедзянов Х.Н.²⁾

1) Уральский институт государственной противопожарной службы МЧС РФ, Россия

2) ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», Россия

Наиболее узким звеном в развитии инфракрасной (ИК) техники является создание новых высокочувствительных и доступных материалов. Основной задачей большинства ИК систем является обнаружение источника излучения на фоне общего потока падающего излучения. Для регистрации определенного источника излучения необходим выбор соответствующего фотоприемника (ФП), максимально удовлетворяющего по своим характеристикам требуемому спектральному диапазону фоточувствительности, обнаружительной способности, частоте модуляции падающего потока излучения и постоянной времени. Наиболее информативными для тепловидения являются средний и дальний ИК диапазоны (3 – 14 мкм). Для современных материалов, используемых в этих диапазонах, характерны низкая стабильность свойств, сложность технологического оборудования для получения и высокая стоимость. Актуальной задачей является создание альтернативных соединений. К перспективным следует отнести твердые растворы замещения в системе селенид свинца – селенид олова (II). Их уникальность заключается в присущей им инверсии зон проводимости при формировании общей структуры PbSe−SnSe, в результате чего наблюдается уменьшение ширины запрещенной зоны твердого раствора с увеличением содержания в нем олова и расширение диапазона спектральной чувствительности в дальнюю область ИК спектра. Широкое применение фотодетекторов на основе этих материалов возможно при условии, что тонкопленочная технология их изготовления будет отличаться высокой воспроизводимостью характеристик и малозатратна. Указанными качествами обладает технология гидрохимического осаждения пленок. Она не требует сложного технологического оборудования и апробирована для селенида свинца. Однако к настоящему времени для Pb_1−xSn_xSe она не разработана.

Расчетом ионных равновесий в цитратной, трилонатной и этилендиамин-ацетатной системах с учетом обратимого характера разложения селеномочевины и условий зародышеобразования определены граничные условия соосаждения индивидуальных селенидов свинца и олова (II), а также их гидроксидных фаз. Установлены влияние рН, температуры, состава реакционной смеси на процесс осаждения. Впервые послойным гидрохимическим осаждением PbSe и SnSe с числом слоев от двух до восьми и последующей термообработкой тонкопленочных композиций получены твердые растворы замещения Pb_1−xSn_xSe, содержащие до 13,2 мол. % SnSe. По результатам проведенных термодинамических расчетов и предварительных экспериментальных исследований для получения пленок PbSe была выбрана этилендиамин-ацетатная, а для осаждения SnSe – трилонатная система. На диэлектрических подложках впервые сформированы многослойные композиции (SnSe−PbSe)_n (n = 2¸4). Выявлены особенности их структуры и морфологии. Установлено, что средний размер кристаллитов в составе четырехслойных композиций (SnSe−PbSe)₂ составляет 200−300 нм (рис.).

Формирование твердого раствора Pb_1–xSn_xSe как правило, происходит на стадии термообработки многослойных композиций. Определены состав, структура, фотоэлектрические и спектральные характеристики химически осажденных пленок твердых растворов Pb_1−xSn_xSe, установлены взаимосвязи между их функциональными свойствами и условиями получения.

На основе химически осажденных и термически обработанных четырехслойных композиций (SnSe−PbSe)₂, образующих пленки твердых растворов Pb_1−xSn_xSe (0 < х < 0,132), разработаны одноэлементные фоторезисторы состава Pb_0,89Sn_0,11Se для среднего и дальнего ИК диапазона, определены их пороговые, частотные, спектральные и эксплуатационные характеристики (таблица).

Фотоэлектрические параметры	Материал чувствительного элемента
	PbSe			Pb0,89Sn0,11Se
	Температура, K
	300	230	300		230
Спектральный диапазон, мкм	0,6–4,5	0,6–5,0	1,0–6,1		1,0–6,6
lmax, мкм	3,6 ± 0,1	4,1 ± 0,1	4,6 ± 0,1		5,2 ± 0,1
Обнаружительная способность, D*(lmax; 1000), см×Вт^−1Гц^1/2	(2–6)10^9	(3–9)×10^9	9×10^8		2×10^10
Вольт-ваттная чувствительность, В/Вт	(2–6)10^2	(6–11)×10^3	1,6×10^2		5×10^3
Постоянная времени, τ, мкс	3–5	30-40	2		16
Темновое сопротивление, кОм/квадрат	150–400	250–800	52		222
Размеры чувствительного элемента, мм	2,0´2,0	2,0´2,0	2,0´2,0		2,0´2,0
Материал входного окна	сапфир	сапфир	флюорит		флюорит

Таблица

Разработанные фоторезисторы на основе пленки твердого раствора Pb_0.89Sn_0.11Se могут быть рекомендованы в качестве быстродействующих фоточувствительных элементов в приборах обнаружения очагов возгорания и тления, контроля перегрева буксовых узлов колесных пар железнодорожного транспорта в процессе движения, в газоанализаторах, в приборах контроля технологических процессов, в авиационной, космической и военной технике.