Модифицирование оксидом олова газочувствительных слоёв из оксида индия для повышения эффективности газовых сенсоров

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.

1. Китиков 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: 10.21122/2220-9506-2019-10-4-341-352

2. Javaid M. [et al.] Exploring the potential of nanosensors: A brief overview. Sensors International. B. 2021. Vol. 2. Pp. 100130. DOI: 10.1016/j.sintl.2021.100130

3. Wang 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.2016.10.101

4. Аверин 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.2019.12.48492.227-19

5. Реутская 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: 10.21122/2220-9506-2017-8-2-160-167

6. Лагутин А.С., Васильев А.А. Твердотельные газовые сенсоры. Обзор // Журнал аналитической химии. 2022. Т. 77. № 2. С. 100–116. DOI: 10.1134/S1061934822020083

7. Dhall 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.2021.100116

8. Форш 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.

9. 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/s20123353

10. Gerasimov 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.2013.03.017

11. Kumeria 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/s140711878

12. Kasi 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.2017.11.019

13. Реутская 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: 10.21122/2220-9506-2016-7-3-271-278

14. Денисюк С.В. [и др.] Адсорбционно-резистивный сенсор с двумя рабочими областями // Приборы. 2015. № 2. C. 7–12.

15. 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/S1027451013030245

16. Малиновская 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.

17. Huang Z., Duan Y., Zhang Y. Electrohydrodynamic Direct-Writing for Flexible Electronic Manufacturing. Springer Singapore. 2018. P. 194. DOI: 10.1007/978-981-10-4759-6