CC BY
9Второй международный симпозиум «Безопасность и экономика водородного транспорта»
IFSSEHT-2003
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАЛЛООКСИДНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГЕТЕРОСИСТЕМ ДЛЯ ГАЗОВОГО АНАЛИЗА
Т. В. Белыгшева, Л. П. Боговцева, Э. E. Гутман
Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л. Я. Карпова Москва, 105064, Россия, факс: (095) 9752450, e-mail: belysh@cc.nifhi.ac.ru
Химические газовые сенсоры резистивиого типа на основе полупроводниковых оксидов металлов ^п02, WO3, ZnO, 1п^03 и др.) широко используются для контроля микроконцентраций токсичных и взрывоопасных газов и паров в воздухе в промышленных условиях и для экологического мониторинга. Последнее десятилетие характеризуется бурным развитием сенсорной науки и технологий во всех промышленно развитых странах. Преимуществом химических сенсоров данного типа является их высокая чувствительность, быстродействие, дешевизна, малогабаритность, небольшая энергоемкость и возможность многоточечной дистанционной передачи сигналов при мониторинге окружающей среды. К недостаткам этих сенсоров можно отнести их невысокую селективность к определяемому компоненту и дрейф электрофизических параметров.
Решение проблем селективности и долговременной стабильности сенсоров идет по двум направлениям. С одной стороны, с помощью модификации уже известных составов с получением сложных гетеросис-тем, повышающих избирательную чувствительность сенсора к интересующему газу и его долговременную стабильность. С другой стороны, путем применения многоэлементных матричных сенсоров с использованием при обработке сигналов различных модификаций искусственных нейронных сетей. Альтернативой матричным сенсорам выступают сенсоры с температурным программированием.
Объектом наших исследований являются оригинальные многокомпонентные полупроводниковые металло-оксидные гетеросистемы, основная матрица которых состоит из оксида индия. Для получения пленок применяли как толстопленочную технологию, при которой пленки наносили из водных металлооксидных суспензий высокой степени чистоты, так и метод лазерной абляции материалов. В многокомпонентных низкоразмерных полупроводниковых системах можно управлять механизмами электронных процессов и, как следствие, электрофизическими свойствами в зависимости от толщины пленок, размеров наноструктур, от сочетания локальных областей п- и р- типа проводимости, от возможности ра-зупорядочения структур с образованием катионных или анионных вакансий и появлением шпинельных структур, обладающих особыми свойствами. Нами установлено, что при детектировании микроконцентраций озона (1 ррЬ и выше) в воздухе [1] введение в 1п203 у^е203 (до 3 моль. %), имеющего структуру дефектной шпинели, резко понижает рабочую температуру сенсора до 150200 0С, повышает на порядок чувствительность к озону (по сравнению с чистым 1п203 или с системой 1п203.а-Fe2O3, предложенной японскими исследователями ). Со-
отношение чувствительностей для этой системы при детектировании одних и тех же концентраций озона и хлора в воздухе возрастает до 1QQ: 1 (в сравнении с чистым In2O3 или In2O3.a-Fe2O3, где оно составляет величину 1Q: 1). Аналогичные результаты получены для 4-х компонентной ме-таллооксидной гетеросистемы на основе In2O3 при 3QQ °С. Модифицирование золотом пленок In2O3 [2] позволяет селективно определять оксид углерода в воздухе (от 1Q ppm и выше) при 2QQ °С в присутствии 1QQQ ppm водорода, метана, этана, бензола и паров воды. Пленки In2O3. Gd2O3 [3] обладают наилучшими сенсорными свойствами по чувствительности, селективности и стабильности при детектировании диоксида азота в воздухе. Все предложенные сенсорные системы работают в секундном диапазоне времени.
Проблема селективности при детектировании водорода в азоте или в воздухе в присутствии переменных концентраций кислорода и воды может быть решена при комбинации сенсора с селективно проницаемой мембраной [4]. Сущность предложенного метода основана на применении водород-селективной полимерной мембраны и сенсора на основе ^Oin^, обратимо и с хорошими динамическими характеристиками регистрирующими концентрацию водорода в диапазоне Q,1-4 % об. Проведенные эксперименты показали существенные преимущества мембранного метода по сравнению с другими вариантами сенсоров водорода: по теплопроводности, с МДП-структурой, безмембранных вариантов сенсоров на основе ZnO и SnO2
Результаты проведенных исследований реализованы в разработке и изготовлении сигнализатора и анализатора для контроля озона и водорода в воздухе и продемонстрированы на выставках в Брюсселе и Ганновере.
Список литературы
1. E. E. Gutman, T. V. Belysheva, L. P. Bogovtseva. Heterostructure Microsystems for Ozone and Chlorine Sensor Monitoring. III-rd NESUSPAN. Workshop on Microsystems in Environmental Monitoring. Moscow. Russia. CAS 1997. P. 65-68
2. T. В. Белышева, Л. П. Боговцева, Э. E. Гутман. Модифицированные золотом пленки In2O3 как селективные сенсоры СО в воздухе. Журн. прикладной химии. 2QQQ. T. 73. Вып. 12, с. 1983-1986.
3. T. В. Белышева, Л. П. Боговцева, E. А. Казачков, Н. В. Серебрякова. Газочувствительные свойства допиро-ванных пленок на основе In2O3 как сенсоров NO2 в воздухе. Журн. аналитической химии. 2QQ3. T. 58. № 6, С. 1-6.
4. N. V. Ryltsev, E. E. Gutman, L. A. Gnezdilova. Selective sensor for determining of hydrogen in nitrogen Proceedings of the Inter. Meeting «Eurosensors VII» 1993. Budapest. Hungary, p. 1Q7-1Q8.
