Механізми переносу заряду та речовини у мікроелектронних сенсорах та сенсорних масивах для контролю токсичних речовин у оточуючому середовищі
Створення мікроелектронних хімічних біосенсорiв. Розробка високочутливих селективних аналізаторів іонів важких металів. Вивчення впливу парів аміаку на електропровідність плівок поліаніліну. Комп’ютерне моделювання зміни поверхневого потенціалу сенсорів.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 12.02.2014 |
| Размер файла | 44,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://allbest.ru
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ НАН УКРАЇНИ
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
МЕХАНІЗМИ ПЕРЕНОСУ ЗАРЯДУ ТА РЕЧОВИНИ У МІКРОЕЛЕКТРОННИХ СЕНСОРАХ ТА СЕНСОРНИХ МАСИВАХ ДЛЯ КОНТРОЛЮ ТОКСИЧНИХ РЕЧОВИН У ОТОЧУЮЧОМУ СЕРЕДОВИЩІ
01.04.01 - Фізика приладів, елементів і систем
КУКЛА ОЛЕКСАНДР ЛЕОНІДОВИЧ
УДК 621.315.592
Київ - 2000
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників НАН України, м. Київ
Науковий керівник
доктор фізико-математичних наук, професор
Ширшов Юрій Михайлович,
Інститут фізики напівпровідників НАН
України, завідуючий відділом
Офіційні опоненти:
доктор фізико-математичних наук Лісовський Ігор Петрович,
Інститут фізики напівпровідників НАН України,
старший науковий співробітник
кандидат фізико-математичних наук Верцімаха Ярослав Іванович,
Інститут фізики НАН України,
старший науковий співробітник
Провідна установа - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, радіофізичний факультет, кафедра напівпровідникової електроніки, м. Київ
Захист відбудеться “ 20 ” жовтня 2000 р. о 1415 год. на засіданні
спеціалізованої вченої ради К26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників НАН
України за адресою 03028, Київ-28, проспект Науки, 45
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України за адресою 03028, Київ-28, просп. Науки, 45
Автореферат розісланий “ 19 ” вересня 2000 року
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради
кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Необхідність охорони навколишнього середовища набуває сьогодні глобального значення у зв'язку з негативним впливом середовища на здоров'я людей. Більшість екологічно небезпечних ситуацій пов'язано з хімічним забрудненням атмосфери, вод і грунтів, а через них опосередкованим забрудненням рослинної та тваринної їжі. Визначення джерел цих забруднень і встановлення контролю за ними потребує всеосяжного екологічного аналізу (моніторингу) навколишнього середовища. Контроль токсичних речовин є важливою задачею також для медицини, біотехнологій, при керуванні різноманітними технологічними процесами. Вирішення цих задач потребує створення нового покоління мініатюрних сенсорів, спроможних швидко і з достатньою точністю оцінювати стан середовища. Кремнієва мікроелектронна технологія дозволяє створювати такі прилади, проте вона повинна бути сполучена з іншими сучасними технологіями - хімічною і біохімічною, які забезпечують хімічне і молекулярне розпізнавання досліджуваних речовин. Постає актуальне завдання пошуку нових чутливих матеріалів та застосування їх в поєднанні з фізичними напівпровідниковими перетворювачами. Функціонування останніх пов'язане з переносами заряду та речовини у чутливих шарах та на границях розподілу з досліджуваним середовищем.
Реальним втіленням синтезу сучасних технологій стали мікроелектронні хімічні сенсори і біосенсори. При цьому ферментний аналіз, здійснюваний у ферментних біосенсорах (ензимосенсорах), усе більш широко застосовується для реєстрації таких токсичних домішок, як важкі метали і фосфор- та хлорорганічні пестициди. Розробкою таких аналізаторів сьогодні займаються декілька наукових центрів і університетів у Європі: центр Microsens, національний центр мікроелектроніки в Беллатері й університет Нойшатель (всі у Швейцарії), дослідницький центр в Ульмі (Німеччина). На Україні подібних розробок поки не було, проводилися лише дослідницькі роботи по створенню мікроглюкосенсорів на основі іоноселективних польових транзисторів (ІСПТ) (Інститут мікроприладів, Київ).
Представлена робота складається з двох частин і присвячена дослідженню фізико-хімічних процесів на межі поділу тверде тіло - досліджуване середовище та розробці нових високочутливих і селективних аналізаторів для 1) кількісного визначення іонів важких металів і органічних пестицидів у водних розчинах, та 2) визначення парів аміаку в повітрі.
В основу таких розробок були покладені два фізичні ефекти:
зміна поверхневого потенціалу іоночутливої структури електроліт - нітрид кремнію - кремній при адсорбції іонів водню як результат ферментної реакції;
модуляція електропровідності тонких шарів полімерного матеріалу поліанілін під дією пару аміаку.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Подана в дисертації робота виконувалася в Інституті фізики напівпровідників НАН України в період 1995-1999 років у рамках державної комплексної науково-технічної програми “Розробка технологій та організація виробництва напівпровідникових мікросенсорів, електронних приладів та систем на їх основі для екологічного моніторингу та енергозбереження” № 0197U008668. Роботи, пов'язані з розробкою і дослідженням мультіензимосенсора, проводилися у 1997-1999 роках в рамках міжнародного проекту Копернікус № IC15-CT96-0818.
Мета і задачі дослідження. Метою даної дисертаційної роботи було розробка фізичних критеріїв функціонування та створення нових міні- та мікроелектронних сенсорів і сенсорних масивів для визначення токсичних речовин: високочутливого селективного сенсору аміаку у повітрі, та мультіферментного сенсору для кількісного аналізу іонів важких металів і органічних пестицидів у водних розчинах.
Для досягнення зазначеної мети необхідно було вирішити наступні задачі:
1)вивчити можливість застосування кремнієвих конденсаторних структур типу електроліт-діелектрик-напівпровідник (ЕДН) для створення ферментних потенціометричних сенсорів. Провести оптимізацію параметрів кремнію, діелектричного шару, матеріалу електродів, форми та розмірів мікрореакторної частини сенсору.
2)дослідити можливість визначення концентрацій іонів важких металів і пестицидів у розчинах шляхом аналізу ферментної активності ряду ферментів у присутності токсичних речовин.
3)розробити масив іоночутливих ЕДН-сенсорів з використанням ферментних мембран. Вивчити можливість його застосування для детального селективного аналізу суміші різних іонів важких металів і пестицидів.
4)дослідити вплив різних газів на провідність полімерних шарів поліаніліну (ПАНІ). Створити фізико-хімічну модель взаємодії аміаку і полімеру.
5)створити мікросенсор аміаку на основі кремнієвої структури з використанням чутливих поліанілінових плівок.
визначити параметри мікросенсору. Запропонувати шляхи підвищення стабільності та здійснення регенерації сенсору.
Об'єкт дослідження - кремнієві ЕДН-структури з іоночутливим діелектричним шаром, та тонкі шари електропровідного полімеру поліанілін на кремнієвій підкладці.
Предмет дослідження - механізми переносу заряду і речовини у рідкому середовищі ферментного потенціометричного сенсору та на границі поділу електроліту з поверхнею кремнієвого перетворювача, а також процеси електропереносу в тонких поліанілінових шарах та вплив на них адсорбції аміаку.
Методи дослідження - ємнісний ефект поля, вимірювання високочастотних вольт-фарадних характеристик та частотних залежностей імпеданса кремнієвих ЕДН-структур; вимірювання циклічних вольт-амперних характеристик, температурних, кінетичних та концентраційних залежностей електропровідності тонких поліанілінових плівок, а також растрова електронна та мікроскопія атомних сил (АФМ).
Наукова новизна одержаних результатів. У даній роботі вперше:
В рамках одновимірної дифузійної моделі проведено математичне моделювання та оптимізовано параметри дифузійного масо- і електропереносу у ферментному потенціометричному сенсорі на основі кремнієвої ЕДН-структури з урахуванням процесів генерації та рекомбінації реагентів ферментної реакції.
Встановлена можливість одночасного і незалежного аналізу активності ферментів методом вимірювання високочастотних вольт-фарадних характеристик для масиву ємнісних структур електроліт-діелектрик-кремній з рН-чутливим шаром нітриду кремнію та на цій основі розроблено потенціометричний мультиферментний сенсор для реєстрації токсичних речовин у водних розчинах.
Показана можливість використання методу мультиферментного аналізу для розпізнавання іонів важких металів і органічних пестицидів у водних розчинах, а також якісного і кількісного визначення складових суміші іонів важких металів Cu, Co, Cd, Ni, Zn, Pb, Sn, Sr у розчинах на підставі отриманих калібрувальних діаграм залишкової активності ряду ферментів та необхідної математичної обробки.
Розроблена фізико-хімічна модель взаємодії аміаку і полімерних плівок поліаніліну. Запропонований механізм зворотності процесу адсорбції аміаку, що полягає в конкурентному зв'язуванні іонів водню в плівці або аміаком, або N+-центрами поліаніліну. Встановлений механізм модуляційного впливу аміаку на рівень його електропровідності, що полягає в (де)протонуванні поліаніліну при (напуску) виведенні парів аміаку.
Встановлений аналітичний вид залежності електричного опору поліанілінових плівок емеральдінової солевої форми від концентрації аміаку та зроблено висновок про двохвимірний характер електропереносу в тонких поліанілінових шарах.
Показано, що деградація поліанілінових чутливих шарів в сенсорі аміаку пов'язана з накопиченням в них залишків амонію та процесом старіння плівки, який обумовлений спонтанним депротонуванням молекулярної основи ПАНІ. Запропонований метод регенерації сенсору, який вміщує комбіновану дію короткочасного нагріву чутливого шару до 104-107 оС та атмосфери чистого аргону.
Практичне значення отриманих результатів. Розроблено лабораторні варіанти портативного мультиферментного сенсору, придатного для експресного визначення вмісту іонів важких металів і фосфорорганічних пестицидів у водних розчинах. Подібні мультисенсори можуть бути використані в промислових варіантах автоматизованих аналітичних систем для екологічного моніторингу.
Розроблено мініатюрний кондуктометричний чутливий і селективний сенсор аміаку з широким діапазоном вимірюваних концентрацій 1-2000 ppm, що працює при кімнатних температурах. Такі сенсори можуть бути складовою частиною аналітичної системи для визначення газового оточення навколишнього середовища.
Особистий внесок здобувача. Дисертація є самостійною роботою автора. Головна ідея та напрямок досліджень були запропоновані науковим керівником та професором М.Ф.Стародубом (Інститут біохімії НАНУ), а її практичне і теоретичне виконання, включаючи розробку експериментальних установок, проведення вимірів та аналіз отриманих даних належить здобувачу. Необхідно відзначити допомогу наукового співробітника Інституту біохімії НАНУ Н.І.Канюка в виготовленні ферментних мембран та підготуванні реагентів.
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що викладено в дисертації, були представлені на міжнародних наукових школах-конференціях: “Электронные процессы в органических материалах” (Пуща-Водиця, Україна, 1995 та 1998); 6 Міжнародному симпозіумі “Тонкие пленки в электронике” (Лазурне, Україна, 1995); на Міжнародних конференціях: “Eurosensors XI (Варшава, Польща, 1997), “Eurosensors XII (Саутгемптон, Англія, 1998), 5 симпозіумі NEXUSPAN Workshop (Будапешт, Венгрія, 1998), NATO Advanced Research WorkShop (Ворзель, Україна, 1998), ”Sensors 99” (Нюрнберг, Германія, 1999).
Публікації. За результатами дисертації опубліковано 14 наукові праці, в тому числі 10 статей в журналах.
Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота викладена на 185 сторінках машинописного тексту і складається із вступу, шести розділів, висновків та списку використаних джерел, який містить 140 посилань і розміщений на 12 сторінках. Робота ілюстрована 78 рисунками та 3 таблицями. Ілюстрації, які розміщені на окремих сторінках, займають 31 сторінку.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтована актуальність теми, її зв'язок з науковими програмами Інституту, сформульована мета та завдання роботи, викладена наукова новизна та практична значимість отриманих результатів. Далі містяться відомості про особистий внесок автора та апробацію роботи.
Частина перша складається з чотирьох розділів і присвячена розробці методів і пристроїв для реєстрації токсичних домішок у рідинах на основі іоночутливих ємнісних структур електроліт-діелектрик-кремній та за допомогою інгібіторного ферментного аналізу.
Перший розділ містить огляд літературних джерел по мікроелектронним хімічним та електрохімічним сенсорам. Огляд складається з 7 параграфів, в яких висвітлено витоки та тенденції сучасного розвитку іоночутливого потенціометричного аналізу в рідинах. Наведено відомості про ємнісний метод вимірювання ЕДН-структур та застосування його при розробці хімічних та імуноферментних сенсорів та сенсорних масивів.
Другий розділ присвячено методам дослідження напівпровідникових кремнієвих структур, зокрема методу високочастотних вольт-фарадних характеристик (ВФХ) та його використанню для побудови потенціометричних сенсорів. Наведені основні конструкції сенсорних ЕДН- комірок і сенсорних масивів для іоночутливих вимірів (рис.1). Описані методики проведення багатоканальних ферментних вимірів із використанням ингібіторного аналізу, а також необхідні реагенти для таких вимірів.
Третій розділ присвячений оптимізації електрофізичних параметрів системи метал - електроліт - діелектрик - кремній з метою досягнення високої чутливості потенціометричного аналізу іонного складу досліджуваних розчинів за допомогою таких систем.
По сукупності таких показників, як стабільність, рН- чутливість, величина струмів витоку і відношення сигнал/шум для наступних вимірів був вибраний двошаровий діелектрик SiO2-Si3N4 з оптимальною товщиною кожного з шарів 70 нм на р-кремнії (з концентрацією акцепторів 1015 см-3), знайденими з розрахунку ідеальних C/V кривих для структури Si-SiO2-Si3N4.
Проведені розрахунки ВФХ при урахуванні поверхневих станів на межі поділу кремнію з окислом. Було показано, що наявність поверхневих та вбудованих зарядів реальних Si-SiO2-Si3N4 структур не впливають на правильність визначення сигналів відгуку методом вимірювання С/V характеристик в частотному інтервалі 1-30 кГц.
Запропоновано спосіб фіксації вихідного сигналу ЕДН-сенсору в умовах зміни параметрів розчину електроліту - величини рН та його іонної сили. Показано, що в точці екстремуму 1 похідної або нуля 2 похідної перехідної ділянки С/V кривої такий вплив мінімальний.
Проведено вибір електричних параметрів вимірювальної схеми з урахуванням впливу електроліту і його межі поділу з металевим електродом. В якості оптимальної смуги частот для функціонування ємнісного сенсору обрана область 1-3 кГц.
Оскільки чутливість визначення реагентів ферментних реакцій залежить від параметрів розчину електроліту, були оптимізовані значення його буферної ємності, величини рН, іонної сили і температури. Вибрані оптимальні концентрації реагентів (субстратів) ферментної реакції, оптимальний час реєстрації вихідних сигналів сенсорів та визначений оптимальний час витримки ферментних мембран у розчинах токсичних речовин.
Функціонування ферментного ЕДН-сенсору, орієнтованого на визначення токсичних речовин, засновано на вимірюванні активності ферменту по зміні поверхневого потенціалу конденсаторної ЕДН-структури, що відбувається під час ферментної реакції. Остання визначається по С/V кривих для цієї структури, і є сигналом відгуку сенсору. Для усіх використовуваних ферментів Ф результатом специфічних селективних реакцій із відповідними субстратами С є генерація продукту реакції П з виділенням іонів водню в реакційному об'ємі (рис.2). Протони дифундують до чутливої поверхні, і загальний процес масопереносу можна описати системою дифузійних рівнянь для С і П, доповнених швидкостями генерації та втрати цих реагентів:
d[П]/dt = DП d2[П]/dx2 + k[Ф] [С]/(Km+[С]) (1)
d[С]/dt = DС d2[С]/dx2 k[Ф] [С]/(Km+[С])
де [С] і [П] - концентрації субстрату і продукту, DС і DП - ефективні коефіцієнти дифузії для С і П всередині активного шару, k[Ф] - максимальна швидкість реакції, Km - константа Михаеліса, t - час реакції, х - координата. Наступна адсорбція протонів на рН-чутливій поверхні нітриду кремнію призводить до накопичення на ній іонного заряду, і відповідно, до зміни поверхневого потенціалу структури (див. рис.2). Така зміна в результаті фіксується по горизонтальному зсуву вимірюваних C/V кривих вздовж осі напруг.
Токсичні речовини (важкі метали або органічні пестициди), що знаходяться в розчині, зменшують активність ферменту. Це, в свою чергу, призводить до зменшення концентрації протонів, що утворюються, і відповідного зменшення величини відгуку. Залишкова ферментна активність розраховується як R=U/U0, де U і U0 - величина сигналу відгуку після впливу токсиканту і початкова до нього, відповідно. Виходячи з отриманого значення залишкової активності даного ферменту, за допомогою відповідного калібрувального графіка проводилося визначення концентрації токсиканту, що викликав таку зміну.
З метою установлення взаємозв'язків між розмірами ферментного потенціометричного сенсору на основі кремнієвого ЕДН-конденсатора і його основними параметрами - чутливістю, швидкодією та швидкістю наростання відгуку - у рамках одномірної дифузійної моделі було проведено математичне моделювання дифузійного масо- і електропереносу всередині сенсору з урахуванням процесів генерації та втрати реагентів ферментної реакції. Було досліджено два варіанти розташування ферментної мембрани, що відповідають найбільш поширеним засобам закріплення ферменту: 1) в об'ємі сенсору поблизу протиелектроду, і 2) безпосередньо на чутливій поверхні.
Типові криві накопичення продукту (протонів) на чутливій поверхні реактора показані на рис.3, по них розраховуються основні параметри сенсору: швидкість наростання відгуку v, амплітуда Pст, час затримки відгуку t і час досягнення T стаціонарної амплітуди. Для одержання оптимальних значень товщини ферментної мембрани Rм і електролітної люзи Rз були розраховані серії таких кінетичних кривих для різних модельних ситуацій: фіксувалася товщина люзи і варіювалася товщина мембрани, потім навпаки. При цьому використовувалися різноманітні набори коефіцієнтів дифузії для цілого спектра різних по щільності ферментних мембран, що різняться значеннями коефіцієнтів дифузії реагентів на чотири порядки. Діапазони прийнятних значень Rм і Rз підбиралися так, щоб досягнуті при цьому сенсорні показники були б не гірше заданих значень v0, t0, Pст0. Отримані в результаті дані про оптимальні параметри в обох варіантах моделі приведені на рис.4. При цих габаритах досягаються такі параметри сенсорних відгуків:
- швидкість наростання відгуку на лінійній ділянці росту не менше 0,5 мВ/сек;
- час затримки відгуку не перевищує 4-5 сек;
- час виходу на стаціонарну амплітуду не більше 5 хв.
Четвертий розділ присвячений експериментальним результатам, отриманим на оптимізованих ЕДН- сенсорах, та методикам, запропонованим для визначення іонів важких металів і органічних пестицидів у досліджуваних розчинах. На рис.5 показана кінетика вихідних сигналів для 5 каналів мультиферментного сенсору на основі масиву ЕДН- конденсаторів у різноманітних режимах інжекції: окремих субстратів, суміші субстратів, а також при наявності домішок у вигляді іонів важких металів і пестицидів. Сенсорні канали вміщували мембрани з нанесеними ферментами ацетилхолін-, бутирилхолін- та холінестерази (АХЕ, БХЕ та ХЕ), уреази (УР) і глюкозооксидази (ГОД). На прикладі роботи такого масиву була показана можливість одночасного і незалежного аналізу активностей для цілого набору різних ферментів методом вимірювання високочастотних ВФХ ЕДН-структур.
На основі аналізу активності ферментів АХЕ, БХЕ, УР і ГОД були проведені дослідження з визначення ряду важких металів і фосфорорганічних пестицидів у водних розчинах. Вміст токсикантів оцінювався шляхом вимірювання залишкової активності ферментних мембран після уведення в систему аналізованих зразків розчинів. Для всіх зазначених ферментів були отримані концентраційні криві залишкової активності по цілому ряду іонів важких металів і пестицидів. Такі залежності можуть служити калібрувальними графіками для їхнього визначення.
Виходячи з того, що використовувані ферменти мають суттєво різну чутливість до пестицидів і металів, а також помітно різну чутливість до ряду різних металів, був запропонований метод мультиферментного аналізу для розпізнавання цих токсичних речовин і визначення їх вмісту в досліджуваних розчинах. Наочно цей метод можна продемонструвати в такий спосіб. Якщо отримані вище концентраційні залежності по кожному металу і пестициду відобразити в тривимірній системі координат залишкових активностей для трьох обраних ферментів, то ми одержимо просторові картини розподілу досліджуваних речовин. На рис.6 приведена така діаграма для ферментів УР, БХЕ і ГОД по ряду іонів важких металів, взятих у різних концентраціях. Фактично така діаграма може служити системою розпізнавання вказаних токсикантів.
У реальних досліджуваних зразках розчинів токсичні речовини можуть знаходитися також у сумішах. Тому для детального аналізу іонів важких металів у сумішах був запропонований засіб послідовних розведень досліджуваної проби з наступним застосуванням мультиферментного аналізу для всіх розведених зразків розчинів. В результаті процедури порівняння (автоматичної) аналізованих концентраційних кривих залишкових активностей із відповідними калібрувальними графіками деякі з металів виключаються з розгляду, а про інші, враховуючи їх відносну вагу в загальній металевій суміші, робиться висновок про можливість присутності в розчині у певній концентрації.
У табл.1 продемонстровані результати такого аналізу для модельної суміші іонів Cd, Ni і Pb, де приведені знайдені діапазони їхніх ймовірних концентрацій у суміші порівняно з дійсними. У результаті проведених експериментів на ряді модельних розчинів була показана можливість якісного і кількісного визначення складових суміші іонів важких металів Cu, Co, Cd, Ni, Zn, Pb, Sn, Sr у водних розчинах на підставі отриманих калібрувальних діаграм залишкової активності вказаних ферментів із застосуванням необхідної математичної обробки.
Частина друга роботи присвячена розробці фізичних основ приладів для визначення токсичних газів у повітрі.
П'ятий розділ містить стислий огляд літературних даних про електропровідні полімери, методи їх легування (допування), молекулярну і електронну структуру, механізми провідності. Особлива увага приділена поліаніліну завдяки суттєвій зміні його електропровідності навіть при малих концентраціях активного газу, технологічній простоті його одержання і доступності.
Шостий розділ присвячений дослідженням чутливості поліаніліну до аміаку, парів води і ряду газів, що містять азот, а також створенню оптимальних умов для використання поліанілінових плівок у складі мікросенсорів. У основу таких робіт був покладений ефект модуляції електропровідності тонких полімерних плівок поліаніліну під дією газів, зокрема, парів аміаку і води.
Для дослідження плівок ПАНІ був використаний кремнієвий мікроелектронний чіп, рис.7. Він містив вбудовану систему нагрівачів і термометрів для керування температурним режимом, і дві растрові системи золотих електродів. Плівки ПАНІ наносилися на електроди з розчину поліаніліну в розчиннику з наступним висушуванням на повітрі. Товщина покриття d визначалася по загальній масі M нанесеного розчину по відомій залежності d(M). Таким чином готувалися плівки з товщиною 0.05, 0.1, 0.2 мкм. Візуальний контроль поверхні плівок проводився методами растрової електронної та АФМ- мікроскопії.
Для дослідження електрофізичних властивостей плівок ПАНІ застосовувався метод циклічних ВАХ. Вимірювання провідності шарів ПАНІ проводилися на постійному струмі. Вимірювалися температурні, кінетичні і концентраційні залежності провідності плівок ПАНІ, а також зміна їх провідності з часом (старіння). Виміри провідності плівок у повітрі при варіюванні їх тoвщини, а також ВАХ плівок у повітрі, аргоні, парах води і аміаку свідчили про об'ємний характер провідності. Незначний вплив контактних або гестерезисних явищ був менше точності вимірювань. У той же час величина дрейфової рухливості носіїв виявилася надзвичайно низька - біля 0,1 см2/Вс. Таке мале значення відповідає випадку, коли електронні стани локалізовані, а перенос заряду між ними здійснюється по стрибковому механізму, рис.8.
Чутливість ПАНІ до газового оточення полягала у властивості змінювати свою провідність під дією газів.
Оскільки початкова провідність плівки визначається рівнем її допування, то очевидно, що цей рівень повинен коливатися при впливі газу. Серед таких газів ми виділили аміак. Головна особливість ПАНІ як сенсорного матеріалу полягає в тому, що він має значну хімічну спорідненість до аміаку в силу певної подібності координуючої ролі атома азоту в оточенні водневих атомів як у ПАНІ, так і в NH3.
Молекулі NH3 вигідно захопити протон і перейти в амоній NH4+ із більш вигідною тетраедричною sp3- конфігурацією молекули. З іншого боку, процес приєднання протона до молекули ПАНІ теж енергетично вигідний. Атом азоту анілінової групи знаходиться в sp2-стані, і його “неподілена” пара електронів намагається притягти до себе додатковий протон, щоб утворити більш симетричну плоско-молекулярну структуру, рис.9.
Таким чином, при взаємодії NH3 із ПАНІ паралельно йдуть два конкуруючі процеси захоплення протонів як аміаком, так і молекулами ПАНІ. І оскільки теплота адсорбції аміаку на ПАНІ складає десяті долі еВ (це випливає з повної зворотності реакцій на аміак при кімнатних температурах), то можна припустити, що обидва ці процеси відбуваються з приблизно однаковою імовірністю.
Ця обставина і визначає можливість використання ПАНІ- плівок у якості чутливих шарів сенсорів.
На підставі отриманих експериментальних даних була запропонована наступна фізико-хімічна модель взаємодії ПАНІ з аміаком.
1) Реакція допування (прoтoнування) ПАНІ має вид:
PA + HA PAH + A , (2)
де PA - вихідний нейтpальний і PAH+ - позитивно заряджений повторювані блоки макромолекули ПАНІ, відповідно. При цьому в місцях розташування атомів азоту формуються позитивні N+-вакансії.
2) Взаємодія ПАНІ з аміаком описується зворотною реакцією:
PAH + NH3 PA + NH4 , (3)
В присутності аміаку реакція йде переважно вправо: аміак відбирає в молекул ПАНІ протони, переходячи в енергетично більш вигідний стан NH4+..Молекули амонію утримуються потім в плівці поблизу іонів кислотних залишків A-. При цьому відбувається обернений до реакції (2) процес депротонування ПАНІ, у якому кількість N+-вакансій зменшується пропорційно концентрації аміаку і відповідно, рівень провідності спадає. На повітрі ж реакція (3) починає йти в протилежну сторону: амоній розкладається на NH3 і H+. Аміак випаровується, а протони знову захоплюються ПАНІ, відновлюючи вихідний рівень протонування. Таким шляхом здійснюється зворотність впливу аміаку на ПАНІ- шари.
3) Старіння ПАНІ (і сенсорів на їх основі) може бути пов'язане з тим, що всередині самого шару повільно протікає реакція депротонування:
PAH + A PA + HA , (4)
при який протони знов з'єднуються з аніонами й утворюють молекули допуючої кислоти НА, які частково звітрюються з поверхні шару. Таке припущення підтверджується збільшенням швидкості старіння більш тонких шарів.
При достатньо тривалому впливі на ПАНІ аміачного середовища молекули NH3 проникають вглиб плівки і через існування адсорбційних центрів із великою енергією активації амоній, що утворюється, міцно закріплюється всередині ПАНІ. При цьому блокується взаємодія молекул аміаку з частиною адсорбційних центрів NH, що знижує величину відгуку. Це призводить до втрати чутливості шару (і сенсору в цілому). Для усунення цього недоліку був застосований метод терморегенерації - короткочасний (на протязі декількох хвилин) нагрів чутливого шару до 104 - 107 0C в атмосфері інертного аргону:
NH4+ _ NH3 + H+ H+ + PA _ PAH+ , (5)
HA _ H+ + A-
мікроелектронний аміак поліанілін сенсор
в результаті чого досягається десорбція найбільш міцно зв'язаних іонів NH4+ із наступним їх розпадом на аміаку і протони. Крім того, відбувається реакція термічної руйнації важких молекул допуючої кислоти, що накопичуються в плівці в результаті її природного старіння. Обидва ці процеси йдуть із виділенням вільних протонів і сприяють регенерації вихідної протонованої форми ПАНІ, що фактично приводить до припинення деградації сенсору.
Для розрахунку стрибкової провідності в плівках ПАНІ був застосований метод еквівалентної сітки опорів Мілера-Абрахамса, базуючись на припущенні стрибкового механізму провідності в цих плівках. Відповідно до нього опір переходу між вузлами сітки (якими слугують домішкові центри) дорівнює:
Rij = R0ij exp(i/kT + 2r/a), (6)
де R0ij - рівноважний нормувальний параметр i - енергія активації стрибка, r - довжина стрибка, рівна відстані між вузлами. Довжина стрибка визначається концентрацією допуючої домішки і може варіюватися впливом на плівку аміаку.
З порівняння залежності росту довжини стрибка в плівці ПАНІ в аміачному середовищі (рис.10), отриманої з експериментальних даних по методу розрахунку сітки опорів Мілера-Абрахамса, а також модельних залежностей степеневого виду r=NY випливає, що експериментальна залежність найбільш всього близька до виду N1/2. Звідси робляться два наступних висновки. По-перше, концентраційна залежність опору плівки може бути подана у виді:
R = R0 exp(N)1/2 (7)
де R0 початкове значення опору шару в повітрі при даній температурі, постійний параметр, що залежить від температури (наприклад, при 20 0С він дорівнює 5,6510-3 ppm-1, якщо концентрація аміаку N виражається в одиницях ppm). По-друге, показник ступеня Y дорівнює 1/2, що фактично свідчить про двохвимірність електронного переносу в тонких плівках ПАНІ.
Двічі прологарифмована формула (7) приводить до виразу:
Lg [ln(R/R0)] = Y lg(N) + Y lg() (8)
Побудована в логарифмічній шкалі концентрацій, така залежність слугує калібрувальною характеристикою, яка використовується для визначення концентрації аміаку в середовищі при даній температурі, рис.11.
Отримане з температурних вимірів провідності невелике значення енергії активації i 0,1 еВ свідчить про те, що локальні стани в плівках ПАНІ зосереджені у вузькій зоні поблизу рівня Фермі, тому стрибковий перенос заряду може відбуватися при кімнатних температурах.
Ступінь протонування визначає початкову провідність плівки ПАНІ. У аміачному середовищі відбувається зворотний процес депротонування, при якому число вакансій скорочується, середня довжина стрибка збільшується і опір шару ПАНІ також росте. Аналітично цей процес може бути описаний законом (7), експериментально підтвердженим на багатьох зразках плівок. Виходячи з концентрації протонуючої домішки порядку 1020 см-3, середня довжина стрибка у повітряному оточенні r0 =15-20 А0 виявляється сумірною з протяжністю лінійного октаміра макромолекули ПАНІ, у той же час вона на порядок перевищує радіус стану електронів у домішкових центрах. У результаті робиться висновок про міжланцюгові стрибки електронів між сусідніми вакансіями ПАНІ- молекул, як основному шляху переносу струму. Саме такі стрибки визначають результуючий опір плівки ПАНІ і призводять до експоненційного характеру його концентраційної залежності.
Отримані дані дозволили вибрати оптимальні параметри чутливих плівок (товщину, початкову провідність) і умови їх використання (робочу температуру, критерії терморегенерації, часи впливу аміаку) для функціонування мікросенсору аміаку. Виходячи з цих умов і на основі описаного вище кремнієвого чіпа був розроблений новий тип сенсорів аміаку з широким діапазоном вимірюваних концентрацій (рис.7). Помилка в визначенні аміаку в діапазоні концентрацій 52000 ppm не перевищувала 10%. Необхідність у проведенні терморегенерації виникала при відході сенсорного відгуку більш ніж на 10% від стандартної калібрувальної характеристики. Розроблений сенсор виявив добру селективність до аміаку в порівнянні з газами N2, NO, NO2, CO, CO2, SO2 та деякими іншими, відгук на які був у 5-10 разів менший аж до концентрації 200 ppm.
ВИСНОВКИ
1.Процеси дифузійного масо- і електропереносу у мікрореакторі ферментного потенціометричного сенсору на основі кремнієвої ЕДН-структури добре описуються запропонованою одномірною дифузійною моделлю, в якій враховані процеси генерації та рекомбінації реагентів ферментної реакції. Ця модель дозволяє провести розрахунок основних сенсорних показників і оптимізувати конструкцію та габарити реакторної частини сенсору.
2.Шляхом комп'ютерного моделювання встановлено найбільш оптимальний метод точної реєстрації зміни поверхневого потенціалу в сенсорній системі ЕДН, який базується на розрахунку нуля другої похідної перехідної ділянки C/V характеристики, що вимірюється для такої системи.
3.Чутливості ферментних ЕДН-сенсорів до іонів важких металів залежить від їхньої природи і знаходиться в діапазоні 10-4 -10-7 моль/л, а для фосфорорганічних пестицидів складає 10-8 моль/л, що відповідає рівню гранично допустимих концентрацій (ГДК) у питній воді і продуктах харчування для більшості металів і значно нижче ГДК для пестицидів. Установлена залежність залишкової активності використовуваних ферментів від концентрації цілого ряду токсичних речовин дозволила розробити метод мультиферментного аналізу для розрізнення іонів важких металів і фосфорорганічних пестицидів, як класів токсичних речовин, у досліджуваних водних розчинах.
4.Запропоновано підхід для детального кількісного аналізу окремих іонів важких металів Cu, Co, Cd, Ni, Zn, Pb, Sn, Sr у суміші на основі послідовних розведень досліджуваної проби з наступним застосуванням мультиферментного аналізу для всіх розведених зразків розчинів та відповідної математичної моделі розпізнавання.
5. Розроблені конденсаторні ЕДН-сенсори мають важливі переваги у порівнянні з традиційно застосовуваними сенсорами на основі ІСПТ, такі як стабільність роботи та можливість побудови багатоканальних сенсорних масивів у контакті з електролітом.
6.Вплив парів аміаку на електропровідність плівок поліаніліну добре пояснюється запропонованою фізико-хімічною моделлю депротонування N+-H центрів макромолекул поліаніліну молекулами аміаку і створення амонію.
7. Залежність електричного опору поліанілінових плівок емеральдінової солевої форми від концентрації аміаку в діапазоні 1-2000 ppm добре описується рівнянням R=R0 exp(N)1/2, з якого зроблено висновок про двохвимірний характер електропереносу в тонких поліанілінових шарах.
8. Деградація поліанілінових чутливих шарів в сенсорі аміаку пов'язана з накопиченням в них залишків амонію та процесом старіння плівки, який обумовлений спонтанним депротонуванням молекулярної основи ПАНІ. Короткочасне нагрівання чутливого шару в атмосфері аргону до 104-107 оС на протязі 2-3 хвилин призводить до регенерації сенсору.
СПИСОК РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1.Кукла А.Л., Ширшов Ю.М., Чегель В.И., Почекайлова Л.П. Сенсоры аммиака на основе чувствительных полианилиновых пленок // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1995. - Вып. 30. - С. 95-103.
2.Kukla A.L., Shirshov Yu.M., Piletsky S.A. Ammonia sensors based on sensitive polyaniline films // Sensors and Actuators, B. - 1996. - Vol.37, No.3. - P. 135-140.
3.Shirshov Yu.M., Kukla A.L., Pochekaylova L.P., Chegel V.I., Merker R. Influence of NH3 adsorption on electron transfer in polyaniline thin films // SPIE Proc. - 1996. - Vol.2780. - P. 253-256.
4.Starodub N.F., Shirshov Yu.M., Torbicz W., Kanjuk N.I., Starodub V.M., Kukla A.L. Biosensors for in field measurements: optimisation of parameters to control phosphororganic pesticides in water and vegetables // Biosensors for direct monitoring of environmental pollutants in field. - Dordrecht - Boston - London: Kluwer Academic Publishers. - 1998. - P. 209-219.
5.Kukla A.L., Shirshov Yu.M. Computer simulation of transport processes in biosensor microreactors // Sensors and Actuators, B. - 1998. - Vol.48. - P. 461-466.
6.Кукла А.Л., Ширшов Ю.М., Канюк Н.И., Стародуб Н.Ф., Прохорович А.В. Мультиферментный сенсор на основе емкостных структур типа электролит-диэлектрик-полупроводник // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1998. - Вып. 33. - С. 63-69.
7.Kukla A.L., Shirshov Yu.M., Koshets I.A. Application of ferments reactions to develop sensors for ecological monitoring // Functional materials. - 1998. - Vol.5, No.3. - P. 453-456.
8.Starodub N.F., Kanjuk N.I., Kukla A.L., Shirshov Yu.M. Multi-enzymatic electrochemical sensor: field measurements and their optimisation // Analytica Chimica Acta. - 1999. - Vol.385. - P. 461-466.
9.Kukla A.L., Kanjuk N.I., Starodub N.F., Shirshov Yu.M. Multienzyme electrochemical sensor array for determination of heavy metal ions // Sensors and Actuators, B. - 1999. - Vol.57. - P. 213-218.
10.Kukla A. Polyaniline film-based chip senses ammonia / Technical Insights, John Wiley & Sons. Inc. // Анот. в ж. Sensor technology, Vol.13, No.9, 1997, P. 3.
11.Кукла А.Л., Ширшов Ю.М., Почекайлова Л.П. Вплив адсорбції аміаку на електроперенос в тонких плівках поліаніліну // Труди Міжнар. школи-конференції “Електронні процеси в органічних матеріалах” (ISEPOM'95). - Київ: ІФ НАН України. - 1995. - С. 17-18.
12.Ширшов Ю.М., Кукла А.Л., Почекайлова Л.П. Новые элементы сенсорной и микроэлектроники на основе тонких пленок полианилина // Труды VI Международного симпозиума “Тонкие пленки в электронике”. - Том 1. - Москва - Киев - Херсон: АО ЦНИТИ “Техномаш”. - 1995. - С. 213.
13.Kukla A.L., Shirshov Yu.M. Silicon chip with integrated thermocontrol system as a base for gas microsensors // Proc. 5th NEXUSPAN Workshop on Thermal aspects in microsystem technology. - Budapest (Hungary). - 1998. - P. 14-17.
Kukla A.L., Kanjuk N.I., Starodub N.F., Shirshov Yu.M. Simultaneous control of phosphororganic pesticides and heavy metal ions by multi-enzymatic sensor // Proc. 9th International Fair and Congress for Sensors, Transducers and Systems. - Vol.2 - Nurnberg (Germany). - 1999. - P. 105-110.
АНОТАЦІЯ
Кукла О.Л. Механізми переносу заряду та речовини у мікроелектронних сенсорах та сенсорних масивах для контролю токсичних речовин у оточуючому середовищі. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем. - Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2000.
Дисертація присвячена дослідженню фізико-хімічних процесів на межі поділу тверде тіло - досліджуване середовище (рідке або газове) та розробці нових високочутливих і селективних аналізаторів для кількісного визначення іонів важких металів і органічних пестицидів у водяних розчинах, а також парів аміаку в повітрі.
В основу цих розробок були покладені два фізичні ефекти: 1) зміна порогової напруги іоночутливої структури електроліт - нітрид кремнію - кремній при адсорбції іонів водню, створюваних в результаті ферментної реакції; 2) модуляція електропровідності тонких шарів полімерного матеріалу поліанілін на кремнієвій підкладці під дією пару аміаку.
Ключові слова: біосенсор, мультиферментний електрохімічний сенсор, іони важких металів, пестициди, газовий сенсор, поліанілін, сенсор аміаку.
SUMMARY
Kukla A.L. Transport processes of charge and mass into microelectronic sensors and sensor arrays for monitoring of toxic substances in environmental. - Manuscript.
Thesis for the scientific degree of candidate of physico-mathematical sciences (equivalent to Doctor of Philosophy) by speciality 01.04.01 - Physics of devices, elements and systems. - Institute of Semiconductor Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2000.
The thesis is devoted to the investigation of physico-chemical processes on the boundary of solid state and investigated ambience (liquid or gaseous) as well as to the development of new high sensitive and selective sensors for quantitative determination of heavy metal ions and organic pesticides in solutions as well as ammonia in air.
Two following physical effects served as the base for such developments: 1) the change of threshold voltage of ion-sensitive structure electrolyte-silicon nitride-silicon as result of ferment reaction; 2) electrical conductivity modulation of thin polyaniline polymer layers on silicon substrate under ammonia vapour.
Key words: biosensor, multienzymatic electrochemical sensor, heavy metal ions, pesticides, gas sensor, polyaniline, ammonia sensor.
АННОТАЦИЯ
Кукла А.Л. Механизмы переноса заряда и вещества в микроэлектронных сенсорах та сенсорных массивах для контроля токсичных веществ в окружающей среде. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01 - физика приборов, элементов и систем. - Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2000.
Диссертация состоит из двух частей и посвящена исследованию физико-химических процессов на границе раздела твердое тело - исследуемая среда и разработке новых высокочувствительных и селективных анализаторов для количественного определения ионов тяжелых металлов и органических пестицидов в водных растворах, а также паров аммиака в воздухе.
В основу этих разработок положены следующие физические эффекты: 1) изменение порогового напряжения ионочувствительной структуры электролит - нитрид кремния - кремний при адсорбции ионов водорода, возникающих в результате ферментной реакции; 2) модуляция электропроводности тонких слоев полимерного материала полианилин на кремниевой подложке под действием паров аммиака.
Первая часть работы посвящена разработке методов и устройств для регистрации токсических примесей в растворах с помощью ионочувствительных конденсаторных структур типа электролит-диэлектрик-кремний. В качестве принципа регистрации был выбран ферментный ингибиторный анализ.
В рамках одномерной диффузионной модели проведено математическое моделирование процессов диффузионного массо- и электропереноса внутри ферментного потенциометрического сенсора при наличии генерации и убыли реагентов ферментной реакции. Результаты моделирования позволили осуществить расчет основных сенсорных показателей и оптимизировать конструкцию и габариты реакторной части сенсора.
Путем измерения высокочастотных вольт-фарадных характеристик кремниевых ЭДП-структур с рН-чувствительным слоем нитрида кремния проведен независимый анализ активностей одновременно для целого ряда ферментов. На этой основе разработан потенциометрический мультиферментный сенсор для количественного анализа токсических веществ в водных растворах.
На основе анализа ферментной активности ацетил- и бутирилхолинэстеразы, уреазы и глюкозооксидазы были проведены исследования по определению ряда тяжелых металлов и фосфорорганических пестицидов в водных растворах. Их содержание оценивалась путем измерения остаточной активности ферментных мембран после ввода в систему анализируемых растворов. Исходя из того, что используемые ферменты имеют различную чувствительность к пестицидам и металлам, предложено использовать метод мультиферментного анализа для распознавания этих веществ и определения их содержания в исследуемых растворах. Для детального анализа ионов тяжелых металлов в смесях был предложен способ последовательных разбавлений исследуемой пробы с последующим применением мультиферментного анализа для всех разбавленных образцов. В результате проведенных экспериментов на ряде модельных растворов была показана возможность качественного и количественного определения смеси ионов тяжелых металлов Cu, Co, Cd, Ni, Zn, Pb, Sn, Sr на основании полученных калибровочных диаграмм деактивации указанных ферментов с привлечением необходимой математической обработки.
Вторая часть работы относится к физике приборов для определения токсических газов в воздухе. В качестве чувствительного слоя был применен электропроводящий полимер полианилин (ПАНИ). Для исследования пленок ПАНИ был использован специально разработанный кремниевый микроэлектронный чип. Он содержал встроенную систему нагревателей и термометров, и две растровые системы золотых электродов, на которые наносились пленки. Измерения проводимости слоев ПАНИ проводились на постоянном токе. Измерялись ВАХ, температурные, кинетические и концентрационные зависимости проводимости пленок, а также кривые их старения во времени.
На основании полученных экспериментальных данных была предложена физико-химическая модель взаимодействия ПАНИ с аммиаком, включающая механизмы адсорбции, деградацию чувствительного слоя в аммиачной среде, процессы его естественного старения и критерии температурной регенерации. Был предложен механизм обратимости адсорбции аммиака, заключающийся в конкурентном связывании ионов водорода в пленке либо аммиаком, либо N+- центрами полианилина.
Исходя из условия прыжкового механизма проводимости в пленках ПАНИ, получен аналитический вид зависимости электросопротивления полианилиновых пленок эмеральдиновой солевой формы от концентрации N аммиака, экспериментально подтвержденный на многих образцах пленок: R=R0 exp(N)1/2. Сделан вывод о двухмерном характере электронного переноса в этих пленках. Установлен механизм модуляционного влияния аммиака на уровень его электропроводности, который заключается в (де)протонировании полианилина при (напуске) удалении паров аммиака. Начальная проводимость пленки ПАНИ определяется степенью ее исходного протонирования. В аммиачной среде происходит обратный процесс депротонирования, при котором число N+-Н вакансий сокращается, средняя длина электронных прыжков увеличивается и сопротивление слоя ПАНИ также растет. На основе проведенных оценок сделан вывод о прыжках электронов между N+-Н центрами близлежащих макромолекул ПАНИ, как основном пути токопереноса, определяющем результирующее сопротивление пленки ПАНИ.
На основе миниатюрного кремниевого чипа разработан новый тип высокочувствительного и селективного сенсора аммиака, работающего при комнатных температурах в широком диапазоне концентраций 1-2000 ppm.
Ключевые слова: биосенсор, мультиферментний электрохимический сенсор, ионы тяжелых металлов, пестициды, газовый сенсор, полианилин, сенсор аммиака.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Методи створення селективних сенсорів. Ефект залежності провідності плівки напівпровідникових оксидів металів від зміни навколишньої атмосфери. Види адсорбції. Природа адсорбційних сил. Установка для вимірювання вольт-амперних характеристик сенсора.
контрольная работа [1,1 M], добавлен 27.05.2013Напівпровідники як речовини, питомий опір яких має проміжне значення між опором металів і діелектриків. Електричне коло з послідовно увімкнутих джерела струму і гальванометра. Основна відмінність металів від напівпровідників. Домішкова електропровідність.
презентация [775,8 K], добавлен 23.01.2015Вивчення основних закономірностей тліючого розряду. Дослідження основних властивостей внутрішнього фотоефекту. Експериментальне вивчення ємнісних властивостей p–n переходів. Дослідження впливу електричного поля на електропровідність напівпровідників.
методичка [389,4 K], добавлен 20.03.2009Розмірні і температурні ефекти та властивості острівцевих плівок сплаву Co-Ni різної концентрації в інтервалі товщин 5-35 нм та температур 150-700 К. Встановлення взаємозв’язку морфології, структури та електрофізичних властивостей надтонких плівок.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 12.12.2011Дифузія-поширення речовини в якому-небудь середовищі в напрямку зменшення її концентрації, обумовлене тепловим рухом іонів, атомів, молекул, більших часток. Пояснення причин дифузії законами термодинаміки. Звязок дифузійних процесів зі зміною ентропії.
практическая работа [152,9 K], добавлен 17.10.2008Дослідження зміни об’єму повної маси газу (стала температура) із зміною тиску, встановлення співвідношення між ними. Визначення модуля пружності гуми. Порівняння молярних теплоємкостей металів. Питома теплоємкість речовини. Молярна теплоємкість речовини.
лабораторная работа [87,2 K], добавлен 21.02.2009Розкладання періодичної функції в ряд Фур'є з погляду фізики. Графоаналітичний метод спектрального аналізу періодичних сигналів. Розрахунок електричної величини. Комп’ютерне моделювання приладу. Використання математичної моделі аналізатора спектру.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 03.11.2014Поверхневий натяг рідини та його коефіцієнт. Дослідження впливу на поверхневий натяг води розчинення в ній деяких речовин. В чому полягає явище змочування та незмочування, капілярні явища. Як залежить коефіцієнт поверхневого натягу від домішок.
лабораторная работа [261,2 K], добавлен 20.09.2008Вимірювання рівня кислотності розчинів, складу газових сумішей. Схема термокондуктометричного газоаналізатора. Показники концентрації окремих хімічних речовин у водяних розчинах. Значення та принцип роботи приладів, що визначають вологість речовин.
реферат [420,6 K], добавлен 12.02.2011Вивчення закономірностей тліючого розряду, термоелектронної емісії. Дослідження основних властивостей внутрішнього фотоефекту, впливу електричного поля на електропровідність напівпровідників. Експериментальне вивчення ємнісних властивостей p–n переходів.
учебное пособие [452,1 K], добавлен 30.03.2009Феромагнітні речовини, їх загальна характеристика та властивості. Магнітна доменна структура, динаміка стінок. Аналіз впливу магнітного поля на електричні і магнітні властивості феромагнетиків. Магніторезистивні властивості багатошарових плівок.
курсовая работа [4,7 M], добавлен 15.10.2013Завдання сучасної оптоелектроніки з досліджень процесів обробки, передачі, зберігання, відтворення інформації й конструюванням відповідних функціональних систем. Оптична цифрова пам'ять. Лазерно-оптичне зчитування інформації та запис інформації.
реферат [392,5 K], добавлен 26.03.2009Отримання спектрів поглинання речовин та визначення домішок у речовині. Визначення компонент речовини після впливу плазми на досліджувану рідину за допомогою даних, отриманих одразу після експерименту, та через 10 годин після впливу плазми на речовину.
лабораторная работа [1018,3 K], добавлен 02.04.2012Енергетична взаємодія системи перетворювального обладнання тягової підстанції постійного струму із системою зовнішнього електропостачання. Фізичне та комп’ютерне моделювання випрямлення електричної енергії у несиметричних режимах, зіставлення результатів.
дипломная работа [10,0 M], добавлен 18.05.2015Основні поняття з електропровідності діелектриків. Залежність струму через діелектрик від часу. Електропровідність газів, рідин. Основні поняття про діелектричні втрати. Загальна характеристика явища пробою. Практичне значення розглянутих понять.
реферат [165,0 K], добавлен 22.11.2010Навчальна програма для загальноосвітніх шкільних закладів для 7-12 класів по вивченню теми "Напівпровідники". Структура теми: електропровідність напівпровідників; власна і домішкова провідності; властивості р-п-переходу. Складання плану-конспекту уроку.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 29.04.2014Характеристика загальних принципів моделювання. Визначення поняття моделі і співвідношення між моделлю та об'єктом. Вивчення основних функцій аналогових та математичних моделей. Аналіз методологічних основ формалізації функціонування складної системи.
реферат [96,1 K], добавлен 09.04.2010Плазма в сучасних технологіях та її характеристики. Методи зондових вимірювань. Потенціал електростатичного зонду в плазменному гетерогенному середовищі. Розв’язок рівняння для потенціалу для електростатичного зонду в ГПС. Комп’ютерний експеримент.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 24.03.2008Аналіз сучасного стану існуючих п’єзодатчиків тиску з мікроконтролером. Розробка оптимального маршруту виготовлення датчика регістра за КМОН-технологією та проведено моделювання технологічного маршруту в програмному середовищі Microwind 3.1 Profesional.
дипломная работа [2,3 M], добавлен 28.11.2012Атомно-кристалічна будова металів. Поліморфні, алотропні перетворення у металах. Основні зони будови зливка. Характерні властивості чорних металів за класифікацією О.П. Гуляєва. Типи кристалічних ґраток, характерні для металів. Приклади аморфних тіл.
курс лекций [3,5 M], добавлен 03.11.2010
