Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Методом низкотемпературного твердофазного пиролиза получены тонкие пленки состава La2O3-SnO2 регулируемой толщины (30 – 300 нм) с концентрацией лантана не выше 10% на кремниевой, поликоровой и Al2O3 подложках. Методами РФА, РФЭС, АСМ, КЗСМ, электрофизическими исследованиями проведены исследования фазового и элементного состава, морфологических, электрофизических и поверхностных свойств изготовленных пленок La2O3-SnO2. Пленки 3La2O3-97SnO2 имеют ярко выраженную шероховатость с перепадом высот (Sy) до 150 нм, что в 1,4 – 3 раза выше, чем у образцов с другим содержанием La. Увеличение концентрации La3+ в пленке SnO2 приводит к увеличению размеров частиц (22-27 нм),уменьшению значений энергии потолка валентной зоны, к увеличению значений сродства к электрону и колебанию значений работы выхода электрона. Максимальную величину поверхностного потенциала (Φb), равную 90 мВ имеет пленка 3La2O3-97SnO2. Значения Φb у других образцов в 3-8 раз меньше. Определен активационный механизм электрической проводимости пленок La2O3-SnO2, соответствующий полупроводниковому механизму проводимости. Для образцов пленок 1La2O3-99SnO2, 3La2O3-97SnO2, 5La2O3-95SnO2 отожжённых при 600 °C, показатели энергии активации проводимости (Ea) в диапазоне температур составили 0.44, 0.87, 0.84 эВ, соответственно. Обнаружено активирующее влияние излучения (400 нм) с низкой (< 1 мВт/см2) при воздействии NO2 с концентрациями 10, 5, 1, 0.5 ppm и рабочих температурах от 200 оС до 50 оС. Максимальный отклик сенсора (S) на основе 99.5ZnO-0.5SnO2 пленки при 150 -200 оС при воздействия излучения равен от 32 до 127, что более, чем в 6 раз выше, чем без воздействии излучения. Время отклика (t0,9) и восстановления (t0,1) при воздействии излучения уменьшились примерно в два раза. Влияние излучения позволило снизить рабочую температуру ZnO-SnO2 пленок на воздействие этанола до 150 оС. Величина отклика у сенсоров на основе пленки 0.5ZnO-99,5SnO2 при температурах ниже 250 оС примерно такая же, как и без воздействия излучения, но время отклика уменьшается в 2 раза. Для сенсоров на основе пленки 1ZnO-99SnO2 величина отклика увеличивается в 1,15 раза, время отклика уменьшается в 1,2 раза (до 90-110 с), а время восстановления уменьшается в 1,5-1,8 раза. Одновременное влияние влажности и излучения ухудшает газочувствительные характеристики сенсоров на этанол на основе ZnO-SnO2 пленок. Исследование отклика сенсоров на основе пленок TiO2-SnO2 на воздействие NO2 показало, что для сенсора на основе пленки 1TiO2-99SnO2 влияния излучения (400 нм) с низкой (< 1 мВт/см2) интенсивностью в диапазоне рабочих температур 50 – 100 °С улучшает величину отклика в 1,5 – 4 раза и повышает предел чувствительности сенсора. Фотоактивация при температуре 50 °С улучшила предел чувствительности с 5 до 1 ppm, для температур 100-150 °С предел чувствительности улучшился с 1 ppm до 0,5 ppm. Исследование влияния откликов сенсоров на основе пленок составов TiO2-SnO2 в присутствии 60% влажности и воздействии NO2 c концентрацией 10 ppm при рабочих температурах 50 – 350 °С показало, что влияние влажности снижает отклик примерно в 4-90 раз. Исследование отклика сенсоров на основе TiO2-SnO2 пленок на воздействие этанола показало, что более высоким откликом при рабочих температурах ниже 200 оС обладает сенсор на основе пленки 1TiO2-99SnO2. При воздействии излучения для сенсора на основе пленки 1TiO2-99SnO2 время t0,9 при рабочих температурах ниже 200 оС улучшается на 10-15%. Для сенсора на основе пленки 3TiO2-97SnO2 t0,9 при рабочих температурах меньше 200 оС улучшается на 20-40% и находится в диапазоне 90-180 с. Максимальным откликом на этанол с концентрацией 100 ppm при воздействии излучения при температуре 100 - 350 оС обладает сенсор основе пленки 3TiO2-97SnO2. Этот же сенсор в условиях излучения при 350 оС обладает максимальным откликом для концентраций этанола (100 – 2,5 ppm). Влияние 60% влажности приводит в уменьшению отклика сенсоров на этанол (50 ppm). Отклик сенсоров на основе пленок ZnO-SnO2 и TiO2-SnO2 был незначительным на воздействие оксида углерода(II) (500 ppm) и отсутствовал при воздействии метана (1000 ppm) при рабочих температурах 100-350 оС. Исследованы газочувствительные характеристики прототипов сенсоров на основе тонких пленок состава ZnO-SnO2 и TiO2-SnO2, сформированных на сенсорной платформе фирмы ООО «С-Компонент». Обнаружены особенности откликов сенсоров газов на основе пленок, состоящих из нанокристаллитов двух оксидов металлов. Предложен механизм образования двухуровневых» и «клювовидных» откликов сенсоров газов. Концентрационная зависимость отклика сенсора на основе 1ZnO-99SnO2 пленки показала, что отклик при воздействии 0,5 ppm NO2 равен 7, а предел чувствительности может быть не хуже 0,05 ppm, что соответствует величинам 0,5ПДКмр и 0,1ПДКрз. Концентрационная зависимость отклика сенсора на основе 3TiO2-97SnO2 и 5TiO2-99SnO2 пленок показала, что отклик при воздействии 0,5 ppm NO2 равен 5 и 4, соответственно. Предел чувствительности сенсора на основе 5TiO2-99SnO2 пленки может быть не хуже 0,01 ppm, а сенсора на основе 3TiO2-97SnO2 пленки не хуже 0,02 ppm. Эти величины соответствует величине 0,1ПДКмр и превышают на порядок величину 0,1ПДКрз. Представлены отклики прототипа сенсора на основе тонких пленок состава 1TiO2-99SnO2 на этанол с концентрацией 100,50,10 и 2,5 ppm при воздействии излучения и рабочей температуре 350 оС. Отклик при воздействии этанола с концентрацией 2,5 ppm равен 1,3 и 1,19 для сенсоров на основе 3TiO2-97SnO2 и 1TiO2-99SnO2 пленок, соответственно. Предел чувствительности сенсоров на основе 3TiO2-97SnO2 и и 1TiO2-99SnO2 пленок может быть не хуже 1,0 ppm. Эти величины соответствует величине 0.5ПДКмр и превышают в 500 раз величину 0,1ПДКрз. В 2004 г. опубликована одна статья в журнале ChemPhysMater (Q1), две статьи приняты в печать в журналы «Физика твердого тела» и «Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки». Материалы исследований были представлены на пяти Всероссийских и международных конференциях, на которых представлено 10ть докладов. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет (url-адреса), посвященные проекту: https://sfedu.ru/press-center/news/71027 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772571524000214?via%3Dihub https://imt.belstu.by/ https://physica.spb.ru/reg/program.html https://www.hse.ru/mirror/pubs/share/923239411 https://phenma2023.sfedu.ru/ http://lfpm.sfedu.ru/Files/2024/LFPM2024-Schedule.pdf

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Спектры пропускания пленок La2O3-SnO2 при длинах волн 325-1000 нм составляет более 85% для пленки, содержащей 1 % La3+; более 98 % - для пленки, содержащей 3 и 5 % La3+. Оптические ширины запрещенных зон, полученные по графикам Тауца, составляют 3,55, 3,75 и 4,32 эВ для La2O3-SnO2 пленок при увеличении содержания лантана от 1 до 5%. 2. Представлен простой метод оценки коэффициентов диффузии молекул диоксида азота в пленке TiO2-SnO2, которые ответственны за снижение чувствительности датчика с электродами, расположенными под пленкой TiO2-SnO2. Показано, что коэффициент диффузии молекул NO2 по механизму Кнудсена может быть равен (3-15)•10-7 м2/с, коэффициент поверхностной диффузии может быть находится в диапазоне (1.4–2.3)•10-7 м2/с. 3. Величина отклика сенсора на основе 1La2O3-99SnO2 пленки при 7.7 ppm NO2 при 200 °C выше (S=8,9) примерно в 1,2 раза, чем отклик сенсора на основе 5La2O3-95SnO2 пленки (S=7,1). При воздействии 60% влажности отклик сенсора на основе 5La2O3-95SnO2 пленки возрастает почти на порядок (S=69), а отклик сенсора на основе 1La2O3-99SnO2 пленки только в 1,4 раза (S=13). Предельная чувствительность сенсора на основе La2O3-SnO2 пленок составляет 0,19 ppm NO2. Сенсоры на основе 5La2O3-95SnO2 и 3La2O3-97SnO2 пленок показывают высокий отклик (S=9,6 при 50 ppm и S=12,4 при 100 ppm, соответственно) к парам этанола в температурном диапазоне от 200 до 400 °C и при 60% влажности. Сенсоры с La2O3-SnO2 пленками имеют предел чувствительности ниже 1,25 ppm этанола при температуре 400, 350 и 300 °C. Влияние 60% влажности снижает величины отклика сенсоров к парам этанола. Отклик на угарный газ (СО) и метан (CH4) с концентрацией 1000 ppm в температурном диапазоне 200 – 400 °C у сенсоров на основе La-SnO2 пленок отсутствовал. 4. Сенсоры на основе 1La2O3-97SnO2 и 5La2O3-95SnO2 пленок имеют предел чувствительности к 0,38 ppm NO2 при 50, 100, 200 °C при фотоактивации (400 нм и интенсивностью меньше 1мВт/см2) во всем исследуемом температурном диапазоне. Влияние влаги усиливает газосенсорные реакции на поверхности La2O3-SnO2 пленок к NO2. Сенсор с 5La2O3-95SnO2 пленкой обладает максимальными откликами к 7.7 ppm NO2 при фотоактивации (400 нм) и воздействии 60% влажности (S= 39,8, 31,4 39,3, 31,6, 14,9 для рабочих температур 200, 150, 100, 50 и 20 °C, соответственно) c пределом чувствительности 0,025 ppm NO2. Время отклика, при этом колеблется от 124-200 с для низких концентраций NO2 до 260-650 с для высоких концентраций NO2. Фотоактивация (560 нм с интенсивностью менее 1мВт/см2) показала, что предел чувствительности La2O3-SnO2 сенсоров к NO2 хуже (3 ppm при 20 °C). Влияние 60% влажности при фотоактивации (560 нм) значительно ухудшает ситуацию. Фотоактивация (400 и 560 нм) La2O3-SnO2 сенсоров к парам этанола приводила к снижению величин отклика на 30-40%. Однако, при воздействии излучения 560 нм величина отклика была на 10-20% выше, чем при воздействии излучения 400 нм. Это объясняется наличием p-n-гетеропереходов между кристаллитами La2O3 и SnO2 в пленке, что обеспечивает разрешенные состояния в запрещенной зоне газочувствительного материала. Влияние 60% влажности снижает величину откликов La2O3-SnO2 этанола при 350 °C и фотоактивации в 1,4- 2,0 раза. 5. Величина отклика сенсора с 1Co3O4-99ZnO пленкой при 150 °С была наибольшей при 3,85 ppm NO₂ (S=3,83), а время отклика и восстановления минимально (32-41с и 36 -83 с). Воздействие 60% влажности приводит к более высоким величинам отклика (для 7,7 ppm - 28,3, и 9,7 для 1Co3O4-99 ZnO и 5Co3O4-95ZnO пленок, соответственно). Предел чувствительности при 150 – 200 °C может достигать 0,2 ppm NO₂. Сенсоры на основе Co3O4-ZnO пленок имеют предел чувствительности к парам этанола при 200 до 400 °C и при 60% влажности около 1,2 ppm. Время отклика сенсоров составляет 110 – 300 с. Влияние 60% влажности привело к резкому снижению величины отклика на воздействие 5-50 ppm паров этанола. Отклики Co3O4-ZnO пленок на СО (1000 ppm) незначительны и находятся в диапазоне 1,1-1,4 для всего диапазона температур. Времена откликов лежат в диапазоне 100-200 с,а отклик на метан отсутствовал. 6. Сенсоры на основе Co3O4-ZnO пленок при фотоактивации (400 нм и интенсивностью меньше 1мВт/см2) чувствительны к 0,39 ppm NO2 при рабочей температуре 50 - 200 °C. Влияние 60% влажности повышает отклики Co3O4-ZnO сенсоров, в том числе и при фотоактивации (400 нм). Максимальными откликами при 7.7 ppm NO2, фотоактивации (400 нм) и воздействии 60% влажности обладает сенсор с 1Co3O4-99ZnO пленкой, величины которой равны 18,3, 11,9, 10,2, 7,9, 16,0 для рабочих температур 200, 150, 100, 50 и 20 °C, соответственно. Предел чувствительности сенсоров ниже 0,09 ppm. Время отклика, при этом колеблется от 100-200 с для низких концентраций NO2 до 200-500 с для высоких концентраций. Результаты фотоактивации газосенсорных реакций (560 нм с интенсивностью менее 1мВт/см2) показали, что сенсор на основе 1Co3O4-99ZnO пленки чувствует концентрацию NO2 на уровне ниже 3 ppm при 20 °C, а предел чувствительности может быть на уровне ниже, чем 0,1 ppm NO2. Влияние 60% влажности при фотоактивации (560 нм) ухудшает ситуацию по чувствительности. Исследования откликов сенсоров с Co3O4-ZnO пленками на воздействие угарного газа и метана при фотоактивации и влажности не проводились ввиду малых или отсутствия откликов. 7. Макеты сенсоров газа была изготовлены на сенсорной платформе фирмы ООО «С-Компонент» (г.Москва, Россия). Сенсор с 3La2O3-97SnO2 пленкой проявляет максимальный отклик к парам этанола с концентрацией 100 ppm (S=12,4) при рабочей температуре 400 °C. Сенсор c 3La2O3-97SnO2 пленкой обладает хорошей чувствительностью при воздействии 1,25 ppm этанола при температуре 400, 350 и 300°C, с возможным пределом чувствительности на уровне 0,07-0,7 ppm паров этанола, что составляет 0,03-0,3 ПДКмр для этого газа. Предел чувствительности сенсоров на основе 1La2O3-99SnO2 и 5La2O3-95SnO2 пленок на воздействие NO2 при 20 °C при фотоактивации (400 нм) и воздействии 60% видно ниже 0,09 ppm. Экстраполяция кривых показывает, что сенсоры на основе La2O3-SnO2 пленок могут быть чувствительны к концентрации 0,025-0,035 ppm NO2, что составляет 0,5 ПДКсс и 0,1 ПДКмр для NO2. Концентрационные зависимости отклика сенсоров на основе 1Co3O4-99ZnO и 5Co3O4-95ZnO пленок на воздействие NO2 при 20 и 100 °C при фотоактивации (400 нм) и воздействии 60% влажности показали, что предел чувствительности сенсоров может находиться в диапазоне (0,012 - 0,06) ppm, что составляет (0,1 - 0,6) ПДКмр и (0,3-1,0) ПДКсс для диоксида азота. С помощью таких пленок можно производить измерения концентрации NO2 на уровне примерно 0,1 ПДКрз и ПДКмр.