КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 21-73-00157

НазваниеИсследование механизма газовой чувствительности фотоактивируемых полупроводниковых сенсоров.

Руководитель Чижов Артём Сергеевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №60 - Конкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-202 - Химия твердого тела, механохимия

Ключевые слова нанокристаллические оксиды, фотоактивация, комнатная температура, селективность, реакционная способность, энергопотребление, масс-спектрометрия, ИК спектроскопия

Код ГРНТИ31.15.19

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект направлен на выявление механизма газовой чувствительности сенсоров при активации светом видимого и УФ диапазона. Традиционные полупроводниковые газовые сенсоры на основе широкозонных оксидов металлов, такие как SnO2, ZnO, TiO2, In2O3 несмотря на высокую чувствительность к следовым концентрациям опасных газов в воздухе характеризуются высоким энергопотреблением, вызванного необходимостью нагрева чувствительного слоя до температуры 150-500оС. Одним из перспективных направлений для снижения рабочей температуры сенсоров, и, следовательно, их энергопотребления, является использование световой активации вместо термического воздействия. В настоящее время существует выраженный интерес к такому направлению как с научной, так и практической точки зрения. Ежегодно публикуется значительное количество работ, демонстрирующих сенсорную чувствительность нанокристаллических оксидов, нанокомпозитных материалов на их основе, неоксидных материалов к NO2, O3, формальдегиду, парам этанола и ацетона, и др. под действием излучения УФ или видимого диапазона. Однако, предположения о механизме процессов, обуславливающих возникновение сенсорной чувствительностью полупроводникового сенсора к тому или иному газу, чаще всего черпаются авторами их самих данных сенсорных измерений, представляющих собой зависимость фототока, протекающего через сенсор, от состава газовой фазы. Такой подход является косвенным, поскольку (фото)проводимость нанокристаллических полупроводников является интегральной величиной, имеющей различных вклады, включая внутренние электронные процессы (генерация фотовозбуждённых носителей заряда, взаимодействие их с дефектами и примесями), и процессы на поверхности – взаимодействие адсорбированных молекул с фотовозбуждёнными носителями заряда. Поэтому зачастую достоверно ответить на вопрос, почему произошло повышение или понижение электропроводности сенсора и как это связано с детектируемыми молекулами газа, не представляется возможным. Для этого нужно привлекать дополнительные методы, позволяющие независимо идентифицировать взаимодействующие частицы на поверхности полупроводника и продукты их взаимодействий, что, при совмещении с данными сенсорных измерений может дать более полную картину возникновения газовой чувствительности под действием света. Относительно применения дополнительных методов исследования взиамодействующих частиц в настоящее время имеются значительные пробелы, которые и призван устранить настоящий Проект. Более конкретно, Проект направлен на выявление механизма газовой чувствительности полупроводниковых сенсоров на основе нанокристаллических ZnO, In2O3, SnO2 и V2O5 к газам окислителям (O2, NO2) и газам(парам)-восстановителям (HCOH, CH3COCH3) под действием света УФ и видимого диапазона с применением комплекса методов, таких как in situ масс-спектрометрия, in situ ИК спектроскопия диффузного отражения, РФЭС и др. Научная значимость Проекта состоит в получении новой информации о фото-стимулированных процессах, протекающих в результате взаимодействия нанокристаллических полупроводниковых оксидов с газовой фазой, таких как генерация фотовозбуждённых носителей заряда, эффекты фотоадсорбции и фотодесорбции газов, взаимодействие фотовозбуждёных носителей заряда с адсорбированными молекулами. В ходе выполнения работы будет выявлена взаимосвязь между информацией, полученной при исследовании фотостимулированных процессов in situ методами с составом, структурой синтезированных материалов, их фотоэлектрическими и сенсорными характеристиками. Актуальность проекта вызвана как все возрастающими требованиями к чистоте воздуха так огромной потребностью к созданию автономных переносных детекторов токсичных газов, работающих без нагрева. Замена термического нагрева на световое позволяет существенно уменьшить энергопотребление и использовать миниатюрные газовые детекторы в целях личной безопасности и в пожарных извещателях. Установление механизма газовой чувствительности фотоактивируемых сенсоров даст ключ к направленному конструированию эффективных материалов для газовых сенсоров. Новизна Проекта состоит в идее использования in situ масс-спектрометрии и ИК спектроскопии для изучения механизма газовой чувствительности полупроводниковых оксидов под действием света. В литературе находятся единичные сведения о подобных исследованиях, т.е. методы эти ранее не применялись широко. Например, информация о газовой чувствительности к NO2, HCOH, CH2COCH3 будет новой. Требуют также актуализации данные о фотостимулированном взаимодействии кислорода с поверхностью нанокристаллических оксидов в свете участия кислорода в процессах, приводящих к возникновению сенсорного отклика. В качестве материалов предполагается использовать нанокристаллические оксиды ZnO, In2O3, SnO2, V2O5, которые будут получены из водных растворов методами золь-гель и осаждения. Фазовый состав образцов и их кристаллическая структура будет определена методами рентгеновской дифракции, параметры микроструктуры образцов будут оценены путём измерения удельной площади поверхности образцов методом низкотемпературной адсорбции азота, а также исследования методами электронной микроскопии. Газовые сенсоры на основе этих оксидов будут сформированы в виде толстых нанокристаллических плёнок (толщина 30-70 мкм). Сенсорные измерения будут проведены методом двухконтактного измерения сопротивления полученных толстых плёнок в специальной сконструированной ранее ячейке, позволяющей проводить измерения в условиях подсветки маломощными источниками излучения с различной длиной волны, с варьированием режима подсветки и длительности цикла освещения, а также в условиях контролируемого изменения состава газовой фазы. Масс-спектрометрические исследования механизма взаимодействия полученных сенсорных материалов с газовой фазой будут проведены с использованием специальной ячейки, состоящей из кварцевых стекол, герметично закрепленных параллельно друг другу во фторопластовой оправе. На нижнее стекло будет наноситься слой соответствующего оксида металла, а верхнее стекло - использоваться в качестве прозрачного окна для подсветки светом видимого и УФ диапазона. Под нижним стеклом также будет расположен электрический нагреватель, позволяющий нагревать слой оксида металла до температуры до 200оС. Через ячейку будет пропускаться газовый поток, содержащий соответствующий газ (O2, NO2, формальдегид, пары ацетона), а выход ячейки соединён капилляром с масс-спектрометром. in situ ИК Фурье-спектроскопия диффузного отражения также будет проведена с использованием высокотемпературной ячейки с окном из KBr, позволяющим одновременно облучать образец УФ светом и регистрировать спектры отражения в ИК диапазоне. Проект представляет собой междисциплинарное исследование на стыке наук: неорганической, физической, аналитической химии и физики полупроводников. В ходе выполнения проекта будут решены следующие основные задачи: 1. Cинтез нанокристаллических полупроводниковых оксидов ZnO, SnO2, In2O3, V2O5 с размером кристаллитов 5-50 нм и удельной площадью поверхности 10-100 м2/г. 2. Характеризация состава, кристаллической структуры, морфологии, оптических свойств синтезированных материалов, зарядового состояния атомов. 3. Исследование фотоэлектрических и сенсорных свойств полученных нанокристаллических оксидов под действием света по отношению к газам-окислителям (NO2, O2) и газам-восстановителям (формальдегид, пары ацетона и этанола). 4. Исследование взаимодействия нанокристаллических оксидов с молекулами детектируемых газов (NO2, O2, формальдегид, пары ацетона) под действием светового излучения методами in situ масс-спектрометрии и in situ ИК-Фурье спектроскопии диффузного отражения. 5. Разработка моделей формирования газовой чувствительности нанокристаллических оксидов с учетом взаимосвязи между их химическими, оптическими, структурными и морфологическими характеристиками, их фотоэлектрических и сенсорными свойствами, данными in situ масс-спектрометрии и in situ ИК-Фурье спектроскопии диффузного отражения.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---