Чужие дефекты помогли химикам МГУ улучшить «электронный нос»
Ученые химического и физического факультетов МГУ показали, что стабильность полупроводниковых газовых сенсоров можно увеличить за счет замены собственных дефектов в кристаллической структуре оксидов металлов на примесные. Данная концепция расширяет возможности создания сенсорных материалов с длительным временем устойчивой работы. Работа опубликована в журнале Sensors and Actuators B: Chemical и поддержана грантом РНФ № 22-19-00703.
Полупроводниковые газовые сенсоры – миниатюрные, недорогие и высокочувствительные устройства, которые могут быть использованы для детектирования газов в различных практических задачах: от медицинской диагностики до мониторинга атмосферного воздуха. Стабильный отклик сенсоров при длительной работе – ключевое требование для их применения в системах машинного обоняния, также известных как «электронный нос».
«Чувствительные материалы (в нашем случае – оксиды металлов) в газовых сенсорах обычно находятся в наноразмерном состоянии, – рассказал руководитель работы, старший научный сотрудник кафедры неорганической химии химического факультета МГУ Валерий Кривецкий. – Это делает их высокочувствительными к протекающим на поверхности процессам, к которым относится взаимодействие с компонентами воздуха. Подобные системы неустойчивы при высоких температурах – кристаллиты могут агломерировать и сливаться воедино, что до последнего времени считалось основной причиной изменения сенсорных свойств со временем».
Для исследования причин, приводящих к постепенному снижению газочувствительных свойств, ученые непрерывно тестировали сенсоры более месяца, а также искусственно состаривали порошки сенсорных материалов в условиях, имитирующих сенсорный эксперимент. Применение высокочувствительного метода анализа – электронного парамагнитного резонанса – позволило обнаружить изменения в состаренных материалах.
«Для компенсации обнаруженного эффекта мы внедрили в структуру оксида искусственно созданные кислородные вакансии за счет добавления примеси, захватывающей электроны, – объяснила аспирантка кафедры неорганической химии, первый автор исследования Алина Сагитова. – Чтобы такая замена не привела к утрате свободных носителей заряда и, соответственно, полупроводниковых свойств, мы дополнительно ввели в систему необходимое количество примеси с избытком электронов (по отношению к решетке). Суммарно этот подход можно представить как замену собственных носителей заряда на генерируемые примесью».
Модифицированные сенсоры вдвое медленнее теряли сенсорный отклик в длительных измерениях по сравнению с немодифицированным полупроводником. Поэтому рекомендованный авторами подход можно использовать для создания газочувствительных материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Материал взят с сайта пресс-службы МГУ.