水熱処理半導体酸化物コロイド粒子を用いる高感度・高安定性ガス感応膜の調製法の確立

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10450324
• Research Institution: KYUSHU UNIVERSITY
• Principal Investigator: 山添 昇 九州大学, 大学院・総合理工学研究科, 教授 (40037817)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 酒井 剛 九州大学, 大学院・総合理工学研究科, 助手 (40284567) ; 島ノ江 憲剛 九州大学, 大学院・総合理工学研究科, 助教授 (10274531) ; 三浦 則雄 九州大学, 先端科学技術共同研究センター, 教授 (70128099)
• Keywords: 水熱処理 / 酸化物半導体 / 酸化スズゾル / 薄膜型センサ / 高感度 / 安定性 / 微粒子 / 粒子径

Research Abstract

薄膜型半導体ガスセンサは、高いニーズがあるもののまだ実用化に至っていない。最近は、ppb〜ppmレベルの極微量計測や厳しい環境下での長期計測が可能なセンサが求められており、高感度・高安定性のための全く新しい設計コンセプトを導入する必要がある。本研究では、水熱処理法が半導体酸化物微粒子およびそれを用いた感応膜素子に及ぼす効果を検討した。
1.水熱処理酸化スズゾルの調製および熱成長特性
酸化スズゾルの調製のためのスズ酸沈殿(ゲル)は、中性付近の温和な条件で得られるものが、水熱処理によって良質なゾルに転換できることを示した。水熱処理で得られる酸化スズゾルは、平均粒径約 6nm の均一な一次粒子(結晶子)からなる結晶質のコロイド分散系であった。また、スズ酸の含量によって、コロイド粒子の分散状態が変化することを示した。
スズ酸ゲルを焼成すると、通常焼成温度に伴って直線的に粒子径が増大するが、水熱処理酸化スズは焼成時の粒子成長が抑えられ、1.8wt%ゾル溶液からの場合、900℃の焼成後では半分以下の約 13nmにとどまり、高い熱安定性を有することを見出した。
2.水熱処理ゾルから作製した模型素子のガス検知特性
アルミナ基板上に適当なスピンコート条件で酸化スズを堆積させれば、基板とよく密着した微細で均質な酸化スズ粒子の堆積膜が作製可能であることを示した。得られた薄膜型センサは、H_2および CO に対して従来の焼結体型素子よりはるかに高いガス感度を示し、ppm レベルのガスを検出できることを実証した。この高感度化は、薄膜化による膜厚の効果と、微粒子安定化による粒子径効果により達成されたものと考えられる。さらに、ガス感度はH_2に対して膜厚が大きくなるに従い低下する傾向が見られるが、COに対してはこのような傾向がほとんどなく、ガス拡散性の違いが関係すること、また同一膜厚では粒子径が小さいほど高感度となる傾向があることなどを明らかにした。

Research Products

• [Publications] Nam Seok Baik: "Gas Sensing Properties of tin oxide thin-films from hydrothermally treated sol solution"Technical Digest of 7th International Meeting on Chemical Sensors. 362-364 (1998)
• [Publications] Wan-Young Chung: "Preparation of indium oxide thin film by spin-coating method and its gas-sensing properties"Sensors and Actuators B. 46/2. 139-145 (1998)
• [Publications] Wan-Young Chung: "Gas sensing properties of indium oxide thin film on silicon substrate prepared by spin-coating method"Japanese Journal of Applied Physics. 37. 4994-4998 (1998)
• [Publications] Noboru Yamazoe: "Physicochemical Properties of SnO_2 Particles Prepared by Unconventional Wet Processes"The proceedings of the 4th East Asia Conference on Chemical Sensors. 29-35 (1999)
• [Publications] Nam Seok Baik: "Hydrothermal treatment of tin oxide sol solution for preparation of thin-film sensor enhanced in thermal stability and gas sensitivity"Sensors and Actuators B. (in press).
• [Publications] Nam Seok Baik: "Hydrothermally treated sol solution of tin oxide for thin-film gas sensor"Sensors and Actuators B. (in press).