pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2023-14-4-284-295pimi-846Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsМодифицирование оксидом олова газочувствительных слоёв из оксида индия для повышения эффективности газовых сенсоровTin Oxide Modification of Indium Oxide Gas Sensitive Layers to Increase Efficiency of Gas SensorsРеутскаяО. Г.ReutskayaO. G.

Адрес для переписки:Реутская О.Г –.Белорусский национальный технический университет, пр. Независимости, 65, 220013, г. Минск, Беларусьe-mail: oreutskaya@gmail.com

Address for correspondence:Reutskaya O.G. – Belarusian National Technical University, Nezavisimosty Ave., 65, 220013, Minsk, Belarus e-mail: oreutskaya@gmail.com

oreutskaya@gmail.comДенисюкС. В.DenisukS. V.

пр-т Независимости, 68-1, г. Минск 220072

Nezavisimosti Ave., 68, Minsk 220072

КудановичО. Н.KudanovichA. M.

пр-т Независимости, 68-1, г. Минск 220072

Nezavisimosti Ave., 68, Minsk 220072

МухуровН. И.MukhurovN. I.

пр-т Независимости, 68-1, г. Минск 220072

Nezavisimosti Ave., 68, Minsk 220072

ТаратынИ. А.TaratynI. A.

пр-т Независимости, 65, 220013; ул. Лейтенанта Кижеватова, 86-2, г. Минск 220024

Nezavisimosty Ave., 65, Minsk 220013; Lieutenant Kizhevatov str., 86-2, Minsk 220024

ЛугинВ. Г.LuhinV. G.

ул. Свердлова, 13а, г. Минск 220050

Sverdlova str., 13а, Minsk 220050

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarusГНПО «Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника»БеларусьSSPA "Optics, Optoelectronics, and Laser Technology"BelarusБелорусский национальный технический университет; Минский научно-исследовательский институт радиоматериаловБеларусьBelarusian National Technical University; Minsk Research Institute of RadiomaterialsBelarusБелорусский государственный технологический университетБеларусьBelarusian State Technological UniversityBelarus202312122023144284295Copyright © Реутская О.Г., Денисюк С.В., Куданович О.Н., Мухуров Н.И., Таратын И.А., Лугин В.Г., 20232023Реутская О.Г., Денисюк С.В., Куданович О.Н., Мухуров Н.И., Таратын И.А., Лугин В.Г.Reutskaya O.G., Denisuk S.V., Kudanovich A.M., Mukhurov N.I., Taratyn I.A., Luhin V.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/846

Мониторинг присутствия посторонних примесей в воздухе относится к одному из актуальных направлений детектирования газов для применения в промышленности и быту. Повышение требований к контролю содержания взрывоопасных и токсичных газов на уровне предельно допустимых концентраций при высокой селективности определяет необходимость совершенствования существующих газоаналитических приборов. Целью настоящей работы являлось исследование методик формирования и элементного состава плёнок оксида индия, модифицированных оксидом олова, на поверхности тонкоплёночных элементов газовых сенсоров, как одних из перспективных соединений для повышения эффективности детектирования взрывоопасных и токсичных газов в окружающей среде. В результате проведённых исследований изучены процессы формирования газочувствительных плёнок, нанесённых на поверхность информационных электродов из сплава нихром. В качестве образцов для проведения исследований были выбраны подложки анодного оксида алюминия площадью 10 × 10 мм2 и толщиной 45 ± 0,5 мкм. На поверхности образцов формировали слой из сплава нихром (Ni – 80 %, Cr – 20 %) толщиной

≈ 0,3 мкм методом ионно-плазменного нанесения материалов в вакууме и пленки из оксида индия с добавкой оксида олова толщинами от ≈ 0,3 мкм до ≈ 1,0 мкм с применением золь-гель технологии. Для пяти образцов провели нанесение газочувствительных плёнок разными методиками формирования слоёв и режимами термообработки. Методами сканирующей электронной микроскопии определили морфологию полученных модифицированных плёнок и их элементный состав. Сплошные полупроводниковые пленки были получены при многослойном нанесении золь-гель пасты. При температурах отжига в вакууме 700 °С и выше наблюдается растрескивание полупроводниковых плёнок до слоя из сплава нихром. Развитая поверхность газочувствительных пленок позволяет достигать высокую чувствительность и эффективность полупроводниковых датчиков при контроле газового состава воздуха.

Monitoring of air pollutions is one of actual trends in the development of industrial and domestic instrumentation. There are sets of tasks for improving gas analytical instruments because of increasing demand for control of a concentration of explosive and toxic gases on a level with maximum allowable concentration. The aim of the paper was to investigate the methods of formation and elemental composition of indium oxide films modified with tin oxide on the surface of gas sensor elements as one of the promising compounds for improving the detection efficiency of explosive and toxic gases in the environment. The processes of formation of gas-sensitive films deposited on the surface of nichrome alloy information electrodes were studied in this article. Substrates of anodic aluminum oxide with area of 10 × 10 mm2 and a thickness of 45 ± 0,5 μm were chosen for research. Two layers on the surface of the samples were formed. The first layer was formed from NiCr alloy (Ni – 80 %, Cr – 20 %) with a thickness of ≈ 0.3 μm by ion-plasma sputtering. The second layer was based on indium oxide with addition of tin oxide with thicknesses from ≈ 0.3 μm to ≈ 1.0 µm and coated with sol-gel technology. Five samples of gas-sensitive films were formed with different methods of deposition and heat treatment. Scanning electron microscopy was used for study of films’ morphology and elemental compositions of samples. The most perfect continuous semiconductor films were obtained by multilayer applying of a sol-gel paste. When semiconductor films were processed at annealing temperatures of 700 °C and higher in vacuum so there was observed cracking of semiconductor films up to a layer of NiCr alloy. The developed surface of gas-sensitive films allows to reach high sensitivity and affectivity of semiconductor sensors for control of air gas composition.

газовый сенсороксид индияоксид олованихроманодный оксид алюминияgas sensorindium oxidetin oxideNiCr alloyanodic aluminium oxideReferencesКитиков В.О., Тернов Е.В., Мухуров Н.И., Денисюк С.В. Новые функциональные возможности пожарных извещателей для жилых и промышленных помещений // Приборы и методы измерений. 2019, Т. 10. № 4. С. 341–352. DOI: 10.21122/2220-9506-2019-10-4-341-352Kitikov VO, Ternov EV, Danilenko AV, Mukhurov NI, Denisyuk SV. New Functional Possibilities of fire Detectors for Residential and Industrial Rooms. Devices and Methods of Measurements. 2019;10(4):341-352. (In Russ.). DOI: 10.21122/2220-9506-2019-10-4-341-352Javaid M. [et al.] Exploring the potential of nanosensors: A brief overview. Sensors International. B. 2021. Vol. 2. Pp. 100130. DOI: 10.1016/j.sintl.2021.100130Javaid M, Haleem A, Singh RP, Rab S, Suman R. Exploring the potential of nanosensors: A brief overview. Sensors International. B. 2021;2:100130 р. DOI: 10.1016/j.sintl.2021.100130Wang Z. [et al.] High-performance reduced graphene oxide-based room-temperature NO2 sensors: a combined surface modification of SnO2 nanoparticles and nitrogen doping approach. Sensor. Actuator. B. 2017. Vol. 242. Pp. 269–279. DOI: 10.1016/j.snb.2016.10.101Wang Z, Zhao C, Han T, Zhang Y, Liu S, Fei T, Lu G, Zhang T. High-performance reduced graphene oxide-based room-temperature NO2 sensors: a combined surface modification of SnO2 nanoparticles and nitrogen doping approach. Sensors and Actuators B: Chemical. 2017;242:269-279. DOI: 10.1016/j.snb.2016.10.101Аверин И.А. Адаптация золь-гель технологии наноструктурированного оксида цинка для целей гибкой электроники / И.А. Аверин [и др.] // Журнал технической физики. 2019. Т. 89. № 12. С. 1917–1922. DOI: 10.21883/JTF.2019.12.48492.227-19Averin IA, Pronin IA, Yakushova ND, Karmanov AA, Alimova EA, Igoshina SE, Moshnikov VA, Terukov EI. Sol-Gel Technology Adaptation of Nanostructured Zinc Oxide for Flexible Electronics. Technical Physics. 2019;64:1821-1826. (In Russ.). DOI: 10.21883/JTF.2019.12.48492.227-19Реутская О.Г., Плескачевский Ю.М. Измерения концентрации газов СО и NO2 мультисенсорной микросистемой в режиме импульсного нагрева // Приборы и методы измерений. 2017. Т. 8, № 2. С. 160–167. DOI: 10.21122/2220-9506-2017-8-2-160-167Reutskaya OG, Pleskachevsky YM. Measurement of CO and NO2 gas concentration's by multisensory microsystem in the mode of pulse heating. Devices and Methods of Measurements. 2017;8(2):160-167. (In Russ.). DOI: 10.21122/2220-9506-2017-8-2-160-167Лагутин А.С., Васильев А.А. Твердотельные газовые сенсоры. Обзор // Журнал аналитической химии. 2022. Т. 77. № 2. С. 100–116. DOI: 10.1134/S1061934822020083Lagutin AS, Vasil'ev AA. Solid State Gas Sensors. Review. Journal of Analytical Chemistry. 2022;77(2):100116. (In Russ.). DOI: 10.1134/S1061934822020083Dhall S. [et al.].A review on environmental gas sensors: Materials and technologies. Sensors International. 2021. Vol. 2. Pp. 1–10. DOI: 10.1016/j.sintl.2021.100116Dhall S, Mehta BR, Tyagi AK, Sood K. A review on environmental gas sensors: Materials and technologies. Sensors International. 2021;2:1-10. DOI: 10.1016/j.sintl.2021.100116Форш Е.А. Исследование чувствительности нанокристаллического оксида индия с различными размерами нанокристаллов к диоксиду азота / Е.А. Форш [и др.] // Российские нанотехнологии. 2015. Т. 7. № 3–4. C. 87–90.Forsh EA, Marikutsa AV, Martyshov MN, Forsh PA, Rumyantseva MN, Gaskov AM, Kashkarov PK. Study of The Sensitivity of Nanocrystalline Indium Oxide with Diff Sizes of Nanocrystals to Nitrogen Dioxide. Nanotechnologies in Russia. 2015;7(3–4):87-90. (In Russ.).Qin W. [et al.] Ethanol Sensors Based on Porous In2O3 Nanosheet-Assembled Micro-Flowers. Sensors. 2020. Vol. 20. Iss. 12. Pp. 3353–3366. DOI: 10.3390/s20123353Qin W, Yuan Z, Gao H, Meng F. Ethanol sensors based on porous In2O3 nanosheet-assembled micro-flowers. Sensors. 2020;20(12):3353-3366. DOI: 10.3390/s20123353Gerasimov G.N. [et al.]Conductivity and sensing properties of In2O3 + ZnO mixed nanostructured films: Effect of composition and temperature. Sensors and Actuators B Chemical. 2013. Vol. 187. Iss. 1. Pp. 514–521. DOI: 10.1016/j.snb.2013.03.017Trakhtenberg LI, Gerasimov GN, Gromov VF, Belysheva TV, Ilegbusi OJ. Conductivity and sensing properties of In2O3 + ZnO mixed nanostructured films: Effect of composition and temperature. Sensors and Actuators B Chemical. 2013;187(1):514-521. DOI: 10.1016/j.snb.2013.03.017Kumeria T., Santos A., Losic D. Nanoporous anodic alumina platforms: engineered surface chemistry and structure for optical sensing applications. Sensors. 2014. Vol. 14. Pp. 11878–11918. DOI: 10.3390/s140711878Kumeria T, Santos A, Losic D. Nanoporous anodic alumina platforms: engineered surface chemistry and structure for optical sensing applications. Sensors. 2014; 14:11878-11918. DOI: 10.3390/s140711878Kasi A.K. [et al.]. Fabrication of mechanically stable AAO membrane with improved fluid permeation properties. Microelectronic Engineering. 2018. Vol. 187– 188. Pp. 95–100. DOI: 10.1016/j.mee.2017.11.019Ullah A, Kasi A, Kasi JK, Bokhari M. Fabrication of mechanically stable AAO membrane with improved fluid permeation properties. Microelectronic Engineering. 2018;187-188:95-100. DOI: 10.1016/j.mee.2017.11.019Реутская О.Г., Таратын И.А., Плескачевский Ю.М. Мультисенсорная микросистема для измерения концентрации газов СО, H2, C3H8, CO2 // Приборы и методы измерений. 2016. Т. 7.№ 3. С. 271–278. DOI: 10.21122/2220-9506-2016-7-3-271-278Reutskaya OG, Taratyn IA, Pleskachevsky YM. Multisensor Microsystem for Measuring the Concentration of Gases CO, H2, C3H8, CO2. Devices and Methods of Measurements. 2016;7(3):271-278. (In Russ.). DOI: 10.21122/2220-9506-2016-7-3-271-278Денисюк С.В. [и др.] Адсорбционно-резистивный сенсор с двумя рабочими областями // Приборы. 2015. № 2. C. 7–12.Denisyuk SV, Muhurov NI, Kudanovich ON, Kolesnik EE. Adsorption-Resistive Sensor with Two Working Areas. Instruments. 2015;2:7-12. (In Russ.).Gasenkova I.V., Ostapenko E.V. Effect of annealing on the phase composition and morphology of Al2O3 formed in a complex electrolyte. Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2013. № 7. Pp. 536–541. DOI: 10.1134/S1027451013030245Gasenkova IV, Ostapenko EV. Effect of annealing on the phase composition and morphology of Al2O3 formed in a complex electrolyte. Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2013;7:536-541. DOI: 10.1134/S1027451013030245Малиновская Т.Д., Найден Е.П., Швалёв В.И. Физико-химические закономерности легирования оловом оксида индия, получаемого золь-гель методом // Известия Томского политехнического университета. 2004. Т. 307. № 1. С. 93–98.Malinovskaya TD, Najden EP, Shvalyov VI. Physico-Chemical Principles of Doping of Indium Oxide with Tin, Obtained by The Sol-Gel Method. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. 2004;307(1):93-98. (In Russ.).Huang Z., Duan Y., Zhang Y. Electrohydrodynamic Direct-Writing for Flexible Electronic Manufacturing. Springer Singapore. 2018. P. 194. DOI: 10.1007/978-981-10-4759-6Huang Z, Duan Y, Zhang Y. Electrohydrodynamic Direct-Writing for Flexible Electronic Manufacturing. Springer Singapore. 2018;(1):194. DOI: 10.1007/978-981-10-4759-6

The authors declare that there are no conflicts of interest present.