Научная статья на тему 'Газовые сенсоры сероводорода на основе полупроводниковых пленок SiO2/WO3-CuO'

Газовые сенсоры сероводорода на основе полупроводниковых пленок SiO2/WO3-CuO Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
223
45
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СЕРОВОДОРОД / СЕНСОР / ПОЛУПРОВОДНИК / ОКСИД ВОЛЬФРАМА / ОКСИД МЕДИ / СИГНАЛЬ / ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ / ОТКЛИК СЕНСОРА / HYDROGEN SULFIDE / SENSOR / SEMICONDUCTOR / TUNGSTEN OXIDE / COPPER OXIDE / SIGNAL / SENSITIVITY / SENSOR RESPONSE

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Бегматов Ризамат Хушвактович, Абдурахманов Илхом Эргашбоевич, Абдурахманов Эргашбой

В работе рассматриваются результаты разработки селективного ППС для контроля содержания H2S и изучения его некоторых характеристик. В результаты проведенных экспериментов установлено, что существует относительно узкий температурный интервал (350○С), в котором чувствительность полупроводникового слоя SiО2/WO3+10%CuO к H2S максимальна. При детектировании H2S наиболее высокой чувствительностью обладает сенсор на основе SiО2/WO3+10%CuO. Нанесенный на поверхность пленки WО3 слой оксида меди в количестве 1,0; 5,0 и 10% повышает чувствительность сенсора к H2S, соответственно, в 2,5; 8,5 и 10,5 раза.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Бегматов Ризамат Хушвактович, Абдурахманов Илхом Эргашбоевич, Абдурахманов Эргашбой

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

GAS SENSORS FOR HYDROGEN SULFIDE BASED ON SEMICONDUCTOR FILMS SiO2/WO3-CuO

The paper deals the results of the development of selective SCS for monitoring the H2S content and studying some of its characteristics. It was established in experiments that there is a relatively narrow temperature range (350° C) in which the sensitivity of the semiconductor layer of SiO2 / WO3 + 10% CuO to H2S is maximum. When detecting H2S, the sensor based on SiO2 / WO3 + 10% CuO has the highest sensitivity. A layer of copper oxide deposited on the surface of the WO3 film in an amount of 1.0; 5.0 and 10% increases the sensitivity of the sensor to H2S, respectively, by 2.5; 8.5 and 10.5 times.

Текст научной работы на тему «Газовые сенсоры сероводорода на основе полупроводниковых пленок SiO2/WO3-CuO»

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

ГАЗОВЫЕ СЕНСОРЫ СЕРОВОДОРОДА НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК SiO2/WO3-CuO

Бегматов Ризамат Хушвактович

докторант (PhD) кафедры аналитической химии Самаркандского государственного университета,

Узбекистан, г. Самарканд

Абдурахманов Илхом Эргашбоевич

преподаватель кафедры неорганической химии и материаловедения Самаркандского государственного университета, Узбекистан, г. Самарканд

Абдурахманов Эргашбой

профессор кафедры аналитической химии Самаркандского государственного университета,

Узбекистан, г. Самарканд E-mail: ergash50@yandex. ru

GAS SENSORS FOR HYDROGEN SULFIDE BASED ON SEMICONDUCTOR FILMS

SiO2/WO3-CuO

Rizamat Begmatov

Doctoral candidate (PhD), Department of Analytical Chemistry, Samarkand State University,

Uzbekistan, Samarkand

Ilkhom Abdurakhmanov

Lecturer, Department of Inorganic Chemistry and Materials Science, Samarkand State University,

Uzbekistan, Samarkand

Ergashboy Abdurakhmanov

Professor, Department of Analytical Chemistry, Samarkand State University,

Uzbekistan, Samarkand

АННОТАЦИЯ

В работе рассматриваются результаты разработки селективного ППС для контроля содержания H2S и изучения его некоторых характеристик. В результаты проведенных экспериментов установлено, что существует относительно узкий температурный интервал (350оС), в котором чувствительность полупроводникового слоя SiO2/WO3+10%CuO к H2S максимальна. При детектировании H2S наиболее высокой чувствительностью обладает сенсор на основе SiO2/WO3+10%CuO. Нанесенный на поверхность пленки WO3 слой оксида меди в количестве 1,0; 5,0 и 10% повышает чувствительность сенсора к H2S, соответственно, в 2,5; 8,5 и 10,5 раза.

ABSTRACT

The paper deals the results of the development of selective SCS for monitoring the H2S content and studying some of its characteristics. It was established in experiments that there is a relatively narrow temperature range (350° C) in which the sensitivity of the semiconductor layer of SiO2 / WO3 + 10% CuO to H2S is maximum. When detecting H2S, the sensor based on SiO2 / WO3 + 10% CuO has the highest sensitivity. A layer of copper oxide deposited on the surface of the WO3 film in an amount of 1.0; 5.0 and 10% increases the sensitivity of the sensor to H2S, respectively, by 2.5; 8.5 and 10.5 times.

Библиографическое описание: Бегматов Р.Х., Абдурахманов И.Э., Абдурахманов Э. Газовые сенсоры сероводорода на основе полупроводниковых пленок SiO2/WO3-CuO // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. 2019. № 12(66). URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/8406

Ключевые слова. Сероводород, сенсор, полупроводник, оксид вольфрама, оксид меди, сигналь, чувствительность, отклик сенсора.

Keywords: hydrogen sulfide, sensor, semiconductor, tungsten oxide, copper oxide, signal, sensitivity, sensor response.

Введение. H2S легко воспламеняется, а в сочетании с кислородом образует взрывоопасные смеси. Очень ядовит: острое отравление человека наступает уже при концентрациях 0,2-0,3 мг/л, концентрация выше 1 мг/л смертельна. Диапазон взрывоопасных концентраций его смеси с воздухом составляет от 4 до 45 % об. При контакте с металлами вызывает сильную коррозию [1,2]. Одним из перспективных направлений создания портативных газоанализаторов сероводорода являются использование полупроводниковых сенсорных элементов [3]. Область применения полупроводниковых газоанализаторов сероводорода охватывает множество технологических и экологических задач, где необходим постоянный контроль компонентов газовых сред. В качестве чувствительного полупроводникового слоя для детектирования микроконцентраций токсичных газов используют преимущественно оксиды металлов [4]. Поэтому разработка на основе оксидов металлов чувствительных и селективных полупроводниковых сенсоров H2S является актуальной.

В работе рассматриваются результаты разработки селективного (избирательного) полупроводникового сенсора (ППС) для контроля содержания Н2S и изучения его некоторых метрологических характеристик. Полученные нами результаты позволили разработать селективный полупроводниковый сенсор сероводорода «ППС-^З», предназначенный для контроля количества H2S в смеси газов и окружающей среде [5]. Газовые сенсоры на основе полупроводниковых элементов привлекают значительное внимание специалистов в силу их исключительно высокой чувствительности к составу газовой фазы и простотой конструкции[6]. В связи с этим в работе изучено возможности использования WОз и СиО в качестве чувствительного материала ППС-H2S.

Методика эксперимента и полученные результаты. Конструкции сенсоров газов во многом определяются типом подложки. В работе в качестве подложки, на которую наносится газочувстивитель-ный материал (ГЧМ), использована спираль (диаметром 0,05 мм) из остеклованного микропровода диаметром 20 мкм. Чувствительные элементы газовых сенсоров изготовлены в виде полых цилиндров с использованием золь-гель метода, включающего нанесение золей на 10-витковую спираль из платиновой

проволоки с последующей их термической дегидра-

о

тацией и обработкой при 650 С. Спираль изготовлена из литого платинового микропровода в кварцевой изоляции с диаметром жилы 10 мкм и толщиной кварцевой изоляции 2 мкм. Образующееся на спирали покрытие изолирует и скрепляет витки спирали, является механически прочным, устойчивым к расслоению и рассыпанию, а также обладает развитой поверхностью для протекания адсорбционно-каталитических процессов[7, 8]. Платиновой микропровод, расположенный внутри стеклянной трубки, выполняет функцию нагревателя.

Чувствительность сенсора определялась по формуле: S= Rвозд/Rгаз = ^з/авозд (1) где агаз, Rгаз - электрическая проводимость и сопротивление пленки при воздействии газа заданной концентрации; авозд, Rвозд -электрическая проводимость и сопротивление пленки в воздухе при отсутствии газа (соответствует величине проводимости пленки при нулевой концентрации газа). Испытывались образцы ППС, работающих в составе переносных и стационарных автоматических газоанализаторов, используемых для контроля количества H2S в атмосферном воздухе и технологических газах. Программа испытания сенсора включала специальные эксперименты, связанные с подбором оптимального значения температуры ППС и установлению его чувствительность к воздействия H2S.

Зависимость сигнала полупроводникового сенсора сероводорода (ППС-И2Б) от температуры. Чувствительность сенсора к H2S существенно зависит от температуры. Это связано с тем, что все протекающие этапы реакции взаимодействия сенсибилизирующего газа (кислород в заряженной форме) протекают с определенными тепловыми эффектами. Конечной стадией процесса является десорбция продукта, приводящая к регенерации свободных центров адсорбции кислорода. Эта модель объясняет влияние газа на электропроводность полупроводниковых оксидов лишь при наличии кислорода в окружающей среде. Исследование чувствительности сенсора H2S от температуры проводили в диапазоне 200 - 500оС с интервалом 50оС. Результаты измерений представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Зависимость сигнала сенсора H2S а от температуры опыта. (Сш8=500 мг/м3)

Температура, °С Состав ГЧМ

SiO2 /WOз SiO2 /WOз-1%CuO SiO2 /WOз-5%CuO SiO2 /WOз-10%CuO

Rвоз фоновой сигнал при 50оС 4120 3960 2534 2200

50 3905 3648 2350 1832

100 3838 3518 2350 1677

150 3796 3456 2169 1503

200 3727 3397 1996 1321

250 3628 3223 1819 1172

300 3534 3456 1685 1014

350 3475 3397 1533 859

400 3417 3223 1484 816

450 3417 3031 1611 859

500 3504 3152 1843 1012

Как видно из данных, приведенных в табл. 1, сопротивление сенсора ^газ) зависит от температуры газочувствительного слоя. При одной и той же концентрации H2S с ростом температуры до определенного значения сопротивление газочувствительного слоя уменьшается, дальнейшее повышение температуры приводит к росту сопротивления ГЧМ. Вероятно, это связано с тем, что при малой рабочей температуре Ь продукты реакции не будут десорбиро-ваться, т. е. невозможна регенерация центров адсорб-

ции кислорода. Если ^ весьма велика, становится невозможной адсорбция, как кислорода, так и восстановительного газа. Рабочая температура сенсора принимается оптимальной, если обеспечивает приемлемую величину сигнала и быстродействие сенсора. По результата проведенных экспериментов (таблица 1), было определено изменение чувствительности (Дагаз/авозд) газочувствительного слоя (сигнал сенсора) при разных температурах. Зависимость сигнала сенсора H2S от температуры приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Зависимость сигнала сенсора H2S от температуры опыта: 1- БЮ2/№Оэ; 2- БЮ2/№Оз-1%СыО;

3- SiO2/WOз-5%CuO; 4- SiO2/WOз-10%CuO

Температуру нагревателя регулировали соответствующим изменением напряжения его питания. Оптимальную температуру нагрева ГЧМ определяли по максимальным значениям сигнала к H2S. Как следует из результатов, экспериментов, зависимость поверхностной проводимости или чувствительности

сенсоров от температуры имеют немонотонный (нелинейной) характер. В результате экспериментальных исследований зависимости проводимости поликристаллического WOз от температуры в присутствии сероводорода было установлено, что оптимальная рабочая температура сенсора 350оС.

Таким образом, существует относительно узкий температурный интервал, в котором чувствительность ППС к H2S максимальна. При детектировании H2S для чувствительного слоя Si02/W0з+Cu0 температура, при которой достигается максимальная чувствительность, 350°С. При высоких температурах в сенсоре наблюдаются большие градиенты темпера-

тур, что приводит к деградационным процессам и выходу сенсора из строя. В связи с этим, температура нагрева ГЧМ должна быть, по возможности, низкой. Сопоставление зависимости сигнала от температуры термостата сенсора и зависимости сигнала от напряжения питания нагревателя, сенсора представлено на рис. 2.

Рисунок 2. Зависимость сигнала ППС-H2S от температуры (0С) и напряжения питания (V) сенсора. Точка-температура, линия-напряжение питания нагревателя сенсора 1 - SiO2/WOз-5%CuO;

2- SiO2/WOз-10%CuO.

Результаты, приведенные на рис. 2 позволяют выбрать питание нагревателя, обеспечивающее определенную температуру на поверхности ГЧМ. Как следует из приведенных данных, наиболее высокие сигналы nnC-H2S наблюдаются, соответственно, при значениях питания, равных 3,1 В. Поэтому все последующие опыты по определению концентрации H2S проводились при этих оптимальных значениях питания сенсора.

Чувствительность полупроводникового сенсора к воздействию H2S. Чувствительность полупроводникового сенсора H2S (S), иногда называемым в зарубежных публикациях откликом сенсора (sensor response), определяется по формуле (1). Чувствительность пленки оксида кремния к H2S повышается при введении в ее структуру WO3 и CuO. Более чувствительные сенсоры H2S получаются при использовании смешанных оксидов кремния, вольфрама и меди. Как правило WO3, является основным по массе, а CuO добавленный в небольших количествах в состав ГЧМ, позволяет улучшить селективность и чувствитель-

ность пленочного материала и рабочие характеристики сенсора H2S в целом. Исследовано влияние CuO на чувствительность пленок, полученных золь-гель методом, из растворов на основе тетраэтоксиси-лана. Ионы меди в добавляли в виде хлорида меди на этапе созревания золь-гель растворов. После нанесения пленок на подложку проводилась термообработка в атмосфере воздуха при 550-600°С. Для сравнения была получена нелегированная силикатная пленка состава (Si02/W0з), которая также была отожжена в атмосфере азота. При этом было установлено, что пленки на основе Si02/W0з+Cu0 проявляют большую чувствительность к H2S, чем пленки Si02/W0з. Рабочая температура сенсоров газа на основе пленок состава Si02/W0з+Cu0 за счет легирования оксидами меди снижена до 320-340°С. Чувствительность сенсоров, построенных на принципе изменения проводимости ГЧМ, к H2S определялась, по отклику ППС при воздействии газа известной концентрации (250 мг/м3) при постоянной температуре (350°С). На рис. 3 показан отклик сенсора на основе пленок W0з на H2S.

Рисунок 3. Отклик сенсора на основе WO3 на сероводород при температуре 350оС (содержание H2Se смеси 250 мг/м3) 1-Si02/W03; 2 -Si02/W03+ 1%CuO; 3- Si02/W03+5%Cu0; 4- Si02/W03+I0%cu0

Как следует из на рис. 3, наиболее высокой чувствительностью к сероводороду обладает сенсор на основе SiО2/WOз+10%CuO. Было установлено, что в присутствии данного ГЧМ в широком интервале концентрации сероводорода чувствительность сенсора имеет наибольшее значение. Нанесенный на поверхность пленки WОз слой оксида меди в количестве 1,0; 5,0 и 10% повышает чувствительность сенсора к H2S, соответственно, в 2,5; 8,5 и 10,5 раза.

Список литературы:

Заключение. Таким образом, в результаты проведенных опытов установлено, что существует относительно узкий температурный интервал (350°С), в котором чувствительность полупроводникового слоя SiО2/WOз+10%CuO к определяемому газу H2S максимальна. При детектировании H2S наиболее высокой чувствительностью обладает сенсор на основе SiО2/WO3+10%CuO. Нанесенный на поверхность пленки WО3 слой оксида меди в количестве 1,0; 5,0 и 10% повышает чувствительность сенсора к сероводороду, соответственно, в 2,5; 8,5 и 10,5 раза.

1.

3.

7.

Вредные вещества в промышленности. Справочник. Под общ. редакцией Н.В.Лазарева Том 3., Изд. «Химия», Ленинградское отделение. 1977. с. 49-75

Перекрестов А.П. Влияние сероводорода на интенсивность коррозионно-механического изнашивания // Вестник машиностроения. 2006. -№ 9. -С.44.

Глебова Е.В., Голубев Ю.Д., Проснуров А.П., Янкович А.Х., Каширская Л.М. Оценка загрязнения воздуха при открытом складировании серы // Безопас. труда в промышленности. 1990. -№ 3. -С. 36-37

Абдурахманов И.Э., Кабулов Б.Дж. Катализатор процесса окисления аммиака и метана // Химическая промышленность.- Санкт Петербург. -2016, № 5. С. 266-270. (02.00.00, №21).

Абдурахманов И.Э., Кабулов Б.Д. Исследование некоторых метрологических параметров полупроводникового сенсора сероводорода // Universum: химия и биология. -2016. № 9 (27). -С.14-16.

Абдурахманов И.Э., Кабулов Б.Дж. Золь-гель метод формирования металлоксидных газочувствительных пленок на основе ZnO, TiO2 и WO3 // Научный вестник СамГУ. 2016. №1(95). -С.142-146. (02.00.00, №9).

Аверин И.А. Особенности низко температурной самоорганизации золей на основе двухкомпонентных систем на основе SiO2-SnO2 /И.А. Аверин, Р.М. Печерская, И.А. Пронин //Нано и микро системная техника.-2011.-№11.- С. 27-30

Управляемый синтез тонких стекловидных пленок /И.А. Аверин, С.С. Карпова, В.А. Мошников и др. //Нано-и микро системная техника.-2011.-№1.- С. 23-25

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.