|
1.4 Газочувствительные сенсоры на основе наностержней ZnO
Важным параметром для газочувствительных сенсоров является удельная
поверхность, доступная для адсорбции газовых молекул. Однако, стоит отметить,
что не вся поверхность металлооксдов вносит вклад в изменение проводимости.
Поэтому для металлооксидных адсорбционных газовых сенсоров важным
параметром является отношение поверхности к объему. Использование
наноструктур в качестве активных слоев позволяет значительно улучшить этот
параметр.
Поэтому, на данный момент, наноразмерные структуры, такие как
нанопроволоки, наностержни и наночастицы, способные за счет большой удельной
38
поверхности к протеканию активных поверхностных реакций, являются наиболее
перспективными для создания на их основе чувствительного элемента.
Так, авторы статьи [49] создали газочувствительный сенсор на основе
наностержней оксида цинка, схема которого приведена на рисунке 1.18. В качестве
подложки использовалась пластина кремния с нанесенными на неё золотыми
контактами, расстояние между которых составляло 5 мкм. Данные контакты
выступали в качестве катализатора для роста наностержней оксида цинка (рисунок
1.14).
Рисунок 1.14. Схема газочувствительного сенсора на основе наностержней ZnO
Наностержни были синтезированы на подложках с контактами путем
карботермического восстановления с использованием смеси ZnO и графитовых
порошков (масса соотношение 1:1). Полученная структура была исследована
растровый электронной микроскопией (рисунок 1.15).
39
Рисунок 1.15. SEM-изображение сформированный наностержней ZnO на контактных
площадках
Измерение сенсорных свойств проводилось к парам NO
2
при различных
концентрациях детектируемого газа и при разных температурах детектирования.
Было установлено, что максимальный отклик такого сенсора наблюдался при
температуре 225 °С, что соответствует эффективной десорбции детектируемого
газа с поверхности сенсора.
Рисунок 1.16. Временные зависимости чувствительности созданного датчика от концентрации
NO
2
и температуры.
Структура полученного устройства очень проста и эффективна за счет
самоорганизации наностержней, что позволяет избежать сложных операций, для
подобный структур, в других случаях, таких как электронная литография. Датчики
продемонстрировал высокую реакцию на NO
2
до уровня sub-ppm и быстрое
реагирование/восстановление. Реакция газа показала максимальное значение при
225 °С и линейно увеличивалось с концентрацией NO
2
в диапазоне 0,5-3 ppm.
Так как механизм чувствительность газов металлооксидными материалами
представляет собой поверхностные каталитические реакции из этого следует, что
на газочувствительность будут влиять не только каталитические свойства самого
материала, но и удельная поверхность. Поэтому, в качестве газочувствительного
элемента также используют различные наноформы оксида цинка. Так Qianqian Jia
и др. [50] представили анализ литературных данных газочувствительности
различных наноструктур оксида.
40
Таблица 1.3. Параметры газовых сенсоров на основе оксида цинка с различной
морфологией сенсорного слоя
Вид структур ZnO
Рабочая температура, °С Отклик (R
a
/R
g
) Время отклика, с
Структура типа «одуванчик»
230
33
3
Иерархические микросферы
320
10
1
Пористые структуры
400
20.27
6
Сетевидные структуры
420
17,4
5
Полые нановолокна
220
67,7
17
Массивы наностержней
300
30,4
5
Так, сферы оксида цинка типа «еж» демонстрируют отличную селективность
и быструю реакцию на ацетон, однако обладают низкой чувствительностью.
Реакция пористых наноструктур ZnO и трехслойных 3D-иерархических структур
ZnO на 100 ppm ацетона составляет порядка 20.27, однако рабочая температура
таких структур слишком высокая, порядка 400 °C. Чувствительность полых
нановолокон ZnO на 100 ppm ацетона 67.7, работающих при 220 °C, что было
одним из самых высоких откликов, о которых сообщалось. Тем не менее, время
отклика (17 с) было немного большим из-за ограниченной скорости адсорбции-
десорбции на поверхности волокна при 220 °С.
В другой же работе [51] были проведены исследования наноструктур оксида
цинка с различной морфологией наподобие тетраподов.
Рисунок 1.17. Морфология структур нанотетраподов оксида цинка.
41
Измерение газочувствительных свойств таких структур показало, что в
зависимости от морфологии, образуются различные барьерные структуры. Так, для
образцов первого типа (рисунок 1.17 a-c) имеющих более низкие концентрации
потенциальных барьеров, наблюдается низкая чувствительность к парам аммиака,
по сравнению с остальными образцами.
Самая высокая чувствительность к парам NH
3
авторами наблюдалась у
образцов ZnO – IV (рисунок 1.17 j-l). Данный результат авторами объясняется
сложной морфологии тетраподных структур с диаметрами сравнимые с Дебаевской
длиной экранирования и образованием многочисленных потенциальных барьеры
по всем сетям. Результаты и модельные представления газочувствительных
структур представлены на рисунке 1.18.
Рисунок 1.18. Анализ газочувствительных структур с тетраподной морфологией и их модельное
представление.
Представленные данные четко отображают зависимость чувствительных
свойства от формы наноструктур, используемых в качестве сенсорного слоя. Среди
всех наноструктур невозможно выделить одну, обладающую наилучшими
42
параметрами как чувствительности, как и времени отклика. Поэтому в зависимости
от задачи создаваемого газового датчика (селективности, скорости отклика,
чувствительности) следует выбирать ту или иную наноформу оксида цинка
используемую в сенсорном слое.
Do'stlaringiz bilan baham: |
