Диссертация на соискание ученой степени

4.5 Газочувствительная характеристика сети наностержней ZnO при 
воздействии паров спирта 
Полученный газочувствительный мультисенсорный чип с сенсорным слоем из 
наностержней ZnO был протестирован при воздействии паров спирта в диапазоне 
температур до 400 
о
C. В предварительных измерениях было обнаружено, что 
температура 400 
о
C является оптимальной для наблюдения достаточно быстрого и 
максимального хемирезистивного эффекта в этих наноструктурах, что 
соответствует другим исследованиям [119]. На рисунке 6а показан пример того, как 
изменяется сопротивление одного из сегментов сети наностержней ZnO при 
появлении паров изопропанола. Сопротивление падает в присутствии 
восстанавливающего газа в соответствии с электронным типом проводимости 
оксида цинка. Концентрация исследуемого газа – изопропанола составляли от 0,4 
до 5 ppm в смеси с фоновым воздухом. Как видно, эффект обратим и 
воспроизводим, что говорит о хорошей стабильности полученных оксидные 
наноструктуры. Аналогичные данные были зарегистрированы в сравнении с 
парами этанола и бутанола. Такое хеморезистивное поведение объясняется 
первичной адсорбцией органических паров на участках поверхностной 
наностержней посредством кислотно-основных реакций с дальнейшими 
окислительно-восстановительными реакциями между молекулами органических 
паров и хемосорбированным кислородом [120]. Такие процессы заставляют 
электроны, захваченные кислородом в поверхностной области, возвращаться в 

---

127 
зону проводимости ZnO, которая влечет к увеличению объемной проводимости 
материала n-типа и снижает потенциальные барьеры между наностержнями [121-
122]. 
а)
б)
Рисунок 4.7. Газочувствительная характеристика мультисенсорного чипа на основе сети 
наностержней ZnO, нагретой до 400 °C в режиме постоянного тока: a) типичное изменение 
сопротивления одного из сегментов при воздействии на пары изопропанола, смешанных с 
воздухом, в концентрации 0,4 ppm, 1 ч ppm и 5 ppm; б) зависимость хеморезистивного отклика 
сегментов в мультисенсорного чипа на пары трех спиртов с различной концентрацией. 
Полученные данные хеморезистивные отклика для всех сегментов сети 
наностержней ZnO мультисенсорного чипа представлены на рисунке 4.7 б в виде 
кривых отклика на различные концентрации трех тестовых паров: этанола, 
изопропанола и бутанола. Полученные данные соответствуют изотерме адсорбции 
Фрейндлиха S~C
a
, где энергетический индекс, характеризующий различные 
спирты, равен 0.42, 0.78, 0.62 для паров этанола, изопропанола и бутанола 
соответственно, что является довольно типичным значением для хемирезистивных 
оксидов. Разброс параметров приведенных на кривых на рисунке 4.7б, показывает 
различие хемирезистивных свойств сегментов в мультиэлектродном чипе, которое, 
по-видимому, обусловлено различием локальной плотности сети наностержней. 
Предел обнаружения разработанного сенсора сопоставим с пределом обнаружения 
хемирезистивных элементов на основе нанолент SnO
2
, зарегистрированных в 
аналогичных условиях [123]. 
Как отмечено выше, хемирезистивные сегменты, состоящие из наностержней 
ZnO не являются селективными по отношению к тестированным паров спиртов. 

---

128 
Поэтому, чтобы отличить пары, были рассмотрены векторные сигналы, 
генерируемые мультисенсорным массивом посредством LDA анализа. Прежде 
всего, были исследована возможность выборочной идентификации паров алкоголя 
в тесте в диапазоне менее ppm, где сигналы датчиков самые низкие. Полученные 
данные представлены на рисунке 4.8а в виде проекции векторных сигналов на 
плоскость первых двух компонентов LDA. Как видно, точечные кластеры, 
относящиеся к разным спиртам, хорошо различаются, а среднее расстояние между 
центрами составляет около 12,5 ед. При раздельной обработке векторных сигналов, 
генерируемых мультисенсорной матрицей наностержней ZnO, в пары с более 
высокими концентрациями, расстояние между кластерами, связанными с паром, 
увеличивается до прибл. 21 ед. из-за более высоких откликов датчика (рисунок 
4.8б). 
a) 
б)
в)
Рисунок 4.8. Обработка векторного сигнала, генерируемого мультисенсорным чипом с 
чувствительным слоем из наностержней ZnO NR с помощью LDA: а) распознавание сигналов 
для паров при концентрациях ниже ppm (0,7 ppm для этанола, 0,4 ppm для изопропанола, 0,2 
ppm для бутанола ) в сочетании с фоновым воздухом круги строятся вокруг центров тяжести 
скопления с вероятностью 0,95 на основе выборки из 20 точек обучающего вектора; б) среднее 
расстояние между связанными с паром кластерами в пространстве LDA при обработке 
векторных сигналов для паров при значениях ниже ppm, 1 ppm, 5 ppm и всех концентрациях; в) 
Распознавание паров при всех концентрациях в диапазоне от sub-ppm до 5 ppm, сферы 
показаны для обозначения областей в пространстве LDA, связанных с тестируемыми парами. 
Если рассматривать условия реальной практики, то наиболее интересным 
является выборочное выделение паров, которые оказались независимыми от 

---

129 
концентрации. 
Поэтому 
были 
обработаны 
все 
векторные 
сигналы 
мультисенсорной матрицы на основе наностержней ZnO, записанные при 
воздействии трех паров спирта во всем диапазоне концентраций. Такое изменение 
концентрации приводит к уменьшению среднего расстояния между кластерами, 
связанными с паром, до 6 ед., что все еще достаточно для надежной идентификации 
вида паров, как можно видеть на рисунке 4.8 в. Результаты работы были 
опубликованы в [124].