47
получения чувствительного материала. Выбранный метод синтеза сенсорного слоя
не должен быть трудоемким, дорогим, и, в то же время, должен позволять получать
материал с заданной степенью чистоты, с высокой кристалличностью структуры и
другими необходимыми свойствами. Таким условиям отвечают химические
методы синтеза из растворов, среди которых наиболее перспективны золь-гель
технология [53-54] и гидротермальный синтез [55].
Данные методы синтеза не требуют дорогостоящего оборудования, позволяют
получать материалы, чистота которых зависит только от исходных используемых
прекурсоров, а также позволяют получать большое разнообразие наноматериалов,
которые при одном и том же формульном составе могут отличаться по морфологии,
строению и свойствам.
Особенности золь-гель технологии является чистота данного метода, простота
получения многокомпонентных структур и возможность управления структурой в
различных масштабах, что позволяет создавать иерархические структурированные
материалы.
Чистота в данном методе обеспечивается
посредством использования
молекулярных предшественников, очистка которых не представляет сложно
стандартными методами, такими как ректификация и хромотография. Простота
легирования и возможность управления структурой обусловлена непосредственно
основными реакциями, протекающими в данном методе.
Основными
реакциями золь-гель процесса, являются гидролиз и
поликонденсация [56-58]. Управление протеканием данными реакциями возможно
осуществить изменением кислотности среды [59]. Рассмотрим примерное
протекание реакций, проходящих в процессе золь-гель синтеза с наиболее часто
используемым прекурсором, такими как тетраэтоксисилан.
Данный прекурсор
получил своё распространение благодаря хорошо изученному протеканию реакций
гидролиза и поликонденсации.
Так, получении композитов на основе SnO
2
– SiO
2
происходит в соответствии
со схемой
48
O
2
2H
OH
OH
|
OH
|
Si
O
OH
|
OH
|
Sn
O
OH
|
OH
|
Si
OH
OH
OH
|
OH
|
Sn
OH
OH
OH
|
OH
|
Si
OH
2
При протекании реакции с кислотно-основным катализатором происходит
переход протона от катализатора к одной из реагирующих молекул:
H
H
|
O
|
|
Si
H
OH
|
|
Si
.
Тогда, полученный ион реагирует с мономером, в следствии чего образуется
неустойчивое соединение, которое, стабилизируясь,
посредством освобождения
протона:
O
2
H
H
|
|
Si
O
|
|
Si
OH
|
|
Si
H
H
|
O
|
|
Si
.
Для сенсорики особое значение имеют газочувствительные слои с фрактально-
перколяционной структурой, полученные золь-гель технологией. [60-63]. А
создание перколяционного стягивающего кластера из наностержней ZnO в
перспективе позволит повысить эффективность чувствительного элемента сенсора
за счет увеличения площади адсорбции и наличия селективности каталитических
активных граней наностержней.
В СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в течение многих лет проводятся разработки
технологических приемов, обеспечивающих получение методами золь-гель
технологии сетчатых газочувствительных слоев на основе нанокомпозитов [64].
При этом изучались нанокомпозиты
систем SiO
2
–SnO
2
, SnO
2
- ZnO–SiO
2
, Fe
3
O
4
–
SiO
2
, Fe
3
O
4
–SiO
2
, SnO
2
–SiO
2
–In
2
O
3
и другие, получаемые с использование
прекурсора тетраэтоксисилана для образования сеток диоксида кремния [65-69].
Поэтому, в качесвте первых подобных зародышевых слоев были
использованы пленки нанокомпозита оксида цинка и диоксида кремния
полученных золь-гель технологией с различным соотношением компонентов [70].
49
В качестве прекурсора оксида цинка была выбрана неорганическая соль
Zn(NO
3
)
2
•6H
2
O. В среде изопропилового спирта возможно получение гомогенных
золей (спирт играет роль растворителя), поэтому
соль в заданном соотношении
растворяли в изопропиловом спирте посредством ультразвука. Затем в раствор
добавляли необходимый объем тетраэтоксисилана. Полученный раствор созревал
в течение 7 дней. После созревания раствор наносили на подложку и
центрифугировали (3000 об/мин) в течение 15 с. Далее производили отжиг при
температуре 500 ºС в течение 30 минут. В качестве подложек использовались
пластины монокристаллического кремния, Подложки предварительно химически
очищали от
загрязнений, последовательно промывая в ультразвуковой ванне в
ацетоне, изопропиловом спирте и в дистиллированной воде.
Полученные золь-гель слои были проанализированы методами атомно
силовой микроскопии на приборе NTegra Therma nanolaboratory. АСМ
изображения приведены на рисунках 2.1-2.2. Основные методики подробно
рассмотрены в [71].
Рисунок. 2.1. Морфология поверхности золь-гель слоев с составом 80%ZnO-20%SiO
2
.
50
Рисунок 2.2 Морфология поверхности золь-гель слоев с составом 90%ZnO-10%SiO
2
.
Из анализа АСМ-изображений (рисунок 2.1.) следует, что размерами частиц и
образованной ими сетчатой структуры зародышевого слоя можно эффективно
управлять изменяя соотношения между концентрациями прекурсоров.
В итоге поверхность образцов с составом 80%
ZnO представляет слой из
частиц с размерами порядка 100 нм. Также наблюдаются области, содержащие
агломераты. Поверхность образцов с составом 90% ZnO (рисунок 2.2) представляет
сетчатую структуру, состоящую из частиц с размерами порядка 200-300 нм.
Методики анализа фрактальности поверхности таких сетчатых структур
методом АСМ приведены в [72-74].
Do'stlaringiz bilan baham: 
