Исследование хеморезистивных свойств MOS-сенсоров состава воздуха

Используемые приборы

EL-FLOW

EL-FLOW

Перед многими областями науки и техники, здравоохранения, промышленности, при мониторинге окружающей среды остро стоит задача качественного, количественного, селективного и быстрого определения содержания в воздухе определенных газов-аналитов при помощи компактных и удобных в эксплуатации устройств. Например, в медицине в последнее время активно развиваются подходы к неинвазивной диагностике — определению содержания в выдыхаемом воздухе определенных газов, свидетельствующих о заболевании.

На сегодняшний день в устройствах контроля за содержанием газов в окружающей атмосфере используются разные типы физических или химических сенсоров. Физические и большая часть химических газовых сенсоров имеют большие размеры, что значительно ограничивает их мобильность и транспортировку. Одним из наиболее универсальных и удобных в эксплуатации типов сенсоров является класс хеморезистивных (MOS) устройств, в которых в качестве рецепторного материала используются различные полупроводниковые структуры, а отклик достигается при протекании химически обратимых процессов на поверхности. Одним из преимуществ подобных сенсоров, безусловно, являются большие возможности их миниатюризации при переходе к тонким наноструктурированным плёнкам и при использовании аддитивных технологий.

Полупроводниковые оксиды металлов, которые используются в качестве рецепторных слоёв в составе MOS-сенсоров, обладают некоторыми недостатками. Главные из них — плохая селективность и падение отклика во влажной атмосфере. Для решения этих проблем используются различные подходы для модификации базового материала и получения новых рецепторов с улучшенными газочувствительными свойствами.

Исследование газочувствительных свойств MOS-сенсоров осуществляют с помощью специализированных установок, обеспечивающих подачу соответствующей смеси газов в измерительную ячейку. Динамическое смешение исходных газов для получения требуемого состава смеси — залог универсальности таких установок. На рисунке представлена схема исследовательской установки, разработанной в лаборатории «Химии легких элементов и кластеров» ИОНХ РАН.

Схема газосмесительной установки для измерения хеморезистивных свойств (ИОНХ РАН)

В установке используются пять регуляторов расхода газа серии EL-FLOW с различными диапазонами расходов (ВПИ 1, 50, 100, 200 и 1000 н.мл/мин по Воздуху), что позволяет в широком диапазоне управлять концентрацией газа-аналита. В качестве источников газов используются готовые смеси неорганических и органических аналитов (СО, Н₂, CH₄, CO₂, O₂, NH₃, H₂S, NO₂, бензол, ацетон и этанол) с концентрацией 200 ppm в воздухе. В зависимости от типа исследуемого MOS-сенсора через один и тот же расходомер может подаваться тот или иной аналит.

Подача сигнала уставки, мониторинг режима работы расходомеров, а также целый ряд настроек доступен при управлении приборами по цифровому интерфейсу. В установке приборы управляются по RS-232 интерфейсу с помощью специально разработанного на платформе LabVIEW программного обеспечения. Вместе с приборами производитель поставляет и сертифицированные Plug and Play драйверы для платформы LabVIEW, что значительно упростило интеграцию расходомеров в систему управления. А автоматизация процедуры исследования обеспечивает получение надежных и воспроизводимых результатов. Регуляторы расхода газа Bronkhorst^® являются надежным решением для данной задачи!

В установке также предусмотрена возможность автоматического регулирования и контроля за влажностью в газовой среде, управления температурой сенсорного элемента, снятия резистивных сигналов чувствительного слоя, а также воздействию УФ-облучением.

Лабораторная газосмесительная установка для измерения хеморезистивных свойств (ИОНХ РАН)

В научной группе активно синтезируются различные полупроводниковые рецепторные наноматериалы на основе ZnO, SnO, Nb₂O₅, TiO₂, CeO_2, NiO и других оксидов, а также комплексно изучаются их хеморезистивные свойства с помощью этой лабораторной установки. В настоящий момент получены лабораторные прототипы газочувствительных рецепторов, готовых для промышленного и масштабируемого производства газоизмерительных устройств.

Список наиболее значимых научных работ:

1. A.S. Mokrushin, E.P. Simonenko, A.A. Malygin et al., «Oxygen Detection Using Nanostructured TiO₂ Thin Films Obtained by the Molecular Layering Method» // Applied Surface Science, 2019, Vol. 463, pp. 197-202, DOI:10.1016/j.apsusc.2018.08.208
2. A.S. Mokrushin, E.P. Simonenko, N.T. Kuznetsov et al., «Gas-sensing properties of nanostructured CeO₂-xZrO₂ thin films obtained by the sol-gel method» // Journal of Alloys and Compounds, 2019, Vol. 773, pp. 197-202, DOI:10.1016/j.jallcom.2018.09.274
3. E. P. Simonenko, A. S. Mokrushin, N. T. Kuznetsov et al., «Ink-jet printing of a TiO₂—10%ZrO₂ thin film for oxygen detection using a solution of metal alkoxoacetylacetonates» // Thin Solid Films, vol. 670, pp. 46–53, 2019, DOI:10.1016/j.tsf.2018.12.004
4. A. S. Mokrushin, E. P. Simonenko, N. T. Kuznetsov et al., «Microstructure, phase composition, and gas-sensing properties of nanostructured ZrO₂-xY₂O₃ thin films and powders obtained by the sol-gel method» // Ionics, 2019, vol 25, № 3, 1259-1270, DOI:10.1007/s11581-018-2820-z
5. I.A. Nagornov, A.S. Mokrushin, E.P. Simonenko et al., «Zinc oxide obtained by the solvothermal method with high sensitivity and selectivity to nitrogen dioxide» // Ceramics International, Vol. 46, № 6, pp. 7756-7766, 2020, DOI:10.1016/j.ceramint.2019.11.279
6. T.L. Simonenko, N.P. Simonenko, A.S. Mokrushin et al., «Pen plotter printing of Co₃O₄ thin films: features of the microstructure, optical, electrophysical and gas-sensing properties» // Journal of Alloys and Compounds, 2020, Vol. 832, № 154957, pp. 1–15. DOI:10.1016/j.jallcom.2020.154957
7. A.S. Mokrushin, N.A. Fisenko, N.P. Simonenko et al., «Pen plotter printing of ITO thin film as a highly CO sensitive component of a resistive gas sensor», Talanta, 2021, Vol. 221, № 121455, DOI:10.1016/j.talanta.2020.121455
8. F.S. Fedorov, N.P. Simonenko, A.S. Mokrushin et al., «Microplotter-printed on-chip combinatorial library of ink-derived multiple metal oxides as an „Electronic Olfaction“ unit», ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, Vol. 12, № 50, pp. 56135–56150, DOI:10.1021/acsami.0c14055
9. A.S. Mokrushin, T.L. Simonenko, N.T. Kuznetsov et al., «Chemoresistive Gas-Sensing Properties of Highly Dispersed Nb₂O₅ Obtained by Programmable Precipitation», Journal of Alloys and Compounds, 2021, Vol. 868, pp. 159090, DOI:10.1016/j.jallcom.2021.159090
10. A.S. Mokrushin, I.A. Nagornov, N.T. Kuznetsov et al., «Chemoresistive gas-sensitive ZnO/Pt nanocomposites films applied by microplotter printing with increased sensitivity to benzene and hydrogen», Materials Science & Engineering: B, 2021, Vol. 271, pp. 115233. DOI:10.1016/j.mseb.2021.115233
11. A.S. Mokrushin, Yu.M. Gorban, E.P. Simonenko et al., «Nanostructured ZnO Films with Enhanced Sensitivity to CO Synthesized by AACVD», Russian Journal of Inorganic Chemistry, 2021, Vol. 66, № 9, pp. 1360-1168. DOI:10.1134/S0036023621090072
12. A.S. Mokrushin, T.L. Simonenko, N.T. Kuznetsov et al., «Microextrusion printing of gas-sensitive planar anisotropic NiO nanostructures and their surface modification in an H₂S atmosphere», Applied Surface Science, 2022, Vol. 578, pp. 151984. DOI:10.1016/j.apsusc.2021.151984

Материал подготовил кандидат химических наук, научный сотрудник Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) Мокрушин Артём Сергеевич. Профиль на ResearchGate. E-mail: artyom.nano@gmail.com