Российские учёные создали идеальный газовый сенсор
Группа учёных из МГУ им. М. В. Ломоносова и НИЦ «Курчатовский институт» разработала газовый сенсор на основе нанокристаллического оксида индия – материала, который давно используется как чувствительный элемент, способный определить наличие диоксида азота в воздухе. Электрические свойства подобных материалов напрямую зависят от структуры их поверхности. Если к поверхности оксида индия присоединяются молекулы, отличные от молекул кислорода, то его проводимость сразу же меняется. В данном исследовании учёные изучили, как влияет размер нанокристаллов оксида индия на его чувствительность к диоксиду азота, и определили оптимальный размер частиц оксида индия для создания сенсора с наибольшей чувствительностью.
Диоксид азота (NO2) – один из наиболее токсичных газов, содержащихся в атмосфере, поэтому необходимо контролировать его концентрацию в воздухе. Это можно делать при помощи полупроводниковых сенсоров, чувствительных к повышенному содержанию различных газов в окружающей среде. Принцип действия таких устройств заключается в том, что они способны изменять свою электрическую проводимость в зависимости от количества адсорбированных на поверхности молекул газа.
Чувствительность оксида индия к оксидам азота тоже давно известна: она повышается с увеличением удельной поверхности оксида индия. Логично предположить, что максимально чувствительным к наличию молекул оксида азота в атмосфере будет материал с наименьшим размером частиц. Так ли это на самом деле – решили проверить авторы данного исследования. Учёные изучили влияние размера нанокристаллов оксида индия на его чувствительность к диоксиду азота. Свои результаты они опубликовали в последнем номере журнала «Российские нанотехнологии».
Исследователи синтезировали нанокристаллический оксид индия золь-гель методом (в основе метода – технология получения материалов с определёнными химическими и физико-механическими свойствами, на последнем этапе которой вещество получается в виде геля). Затем в течение суток подвергали его высокотемпературной обработке, после чего наносили на стеклянную подложку и определяли его фазовый состав, размер частиц оксида, а также оценивали удельную площадь поверхности. На следующем этапе учёные измеряли электропроводность образцов в зависимости от количества адсорбированного диоксида азота.
По итогам всех этих манипуляций выяснилось, что размеры нанокристаллов оксида индия тем больше, чем выше температура отжига образца. Было обнаружено существенное изменение проводимости образцов при концентрации оксида азота 0,00001 процента и выше. Проводимость оксида индия быстро уменьшалась в присутствии оксида азота и принимала первоначальное значение на воздухе через несколько минут при этой же температуре.
В ходе экспериментов авторы определили, что сигнал сенсоров, изготовленных на основе нанокристаллического оксида индия, монотонно увеличивается с увеличением концентрации диоксида азота в газовой смеси. Интересно отметить, что наиболее высокая чувствительность наблюдалась для образца оксида металла со средним размером нанокристаллов и площадью удельной поверхности.
Таким образом, авторы опровергли первоначальные теоретические предсказания о том, что уменьшение размеров частиц обеспечит сенсорам максимальную чувствительность. На самом деле происходит следующее: с уменьшением нанокристаллов сначала наблюдается увеличение, а потом уменьшение чувствительности. В статье авторы объясняют этот феномен тем, что, с одной стороны, сенсорный сигнал определяется удельной поверхностью нанокристаллов, которая может быть увеличена при уменьшении размера нанокристаллов, а с другой – уменьшение нанокристаллов приводит к уменьшению высоты так называемых потенциальных барьеров и, следовательно, сенсорного сигнала. Поэтому в данном случае существует оптимальный размер частиц оксида индия, для которого характерна максимальная чувствительность к наличию оксида азота в окружающей среде. По подсчётам учёных, в таком идеальном газовом сенсоре частицы должны быть размером чуть более 8 нм.
Работа поддержана Министерством образования и науки РФ (государственный контракт № 02.527.11.0008) в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2013 годы».
Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.
