CC BY
5МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ ELECTRONICS MATERIALS
Научная статья УДК 621.382
doi:10.24151/1561-5405-2024-29-1-7-18 EDN: VXLGAQ
Управление свойствами адсорбционных центров при формировании газочувствительных структур
смешанных оксидов
З. В. Шомахов1, С. С. Налимова2, А. М. Гукетлов1, В. М. Кондратьев3'4, В. А. Мошников2
1 Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х. М. Бербекова, г. Нальчик, Россия
2Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), г. Санкт-Петербург, Россия
3Санкт-Петербургский национальный исследовательский академический университет имени Ж. И. Алфёрова Российской академии наук, г. Санкт-Петербург, Россия 4Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), г. Долгопрудный, Россия
shozamir@yandex.ru
Аннотация. Датчики на основе смешанных металлооксидных полупроводников характеризуются быстрым откликом и низким энергопотреблением. В качестве бинарного соединения в таких датчиках широко используется оксид цинка. Газочувствительные структуры на его основе могут быть улучшены при создании близлежащих адсорбционных центров для газа-сенсибилизатора и детектируемого газа. В работе газочувствительные слои на основе наностержней оксида цинка получены гидротермальным методом, а затем модифицированы в растворах, содержащих в качестве прекурсоров станнат калия и сульфат железа, для формирования композитных образцов 2пО-8п и 2пО-Бе соответственно. С помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии проанализировано влияние модификации сенсорных слоев, состоящих из наностержней оксида цинка, при последующей обработке в растворах соединений других металлов (олова и железа) на химический состав поверхности. Проанализированы сенсорные свойства полученных образцов при детектировании паров изо-пропилового спирта. Обнаружено, что в зависимости от технологических условий изменяется содержание кислорода в виде адсорбированных частиц. В адсорбции таких частиц участвуют кислородные вакансии. Показа© З. В. Шомахов, С. С. Налимова, А. М. Гукетлов, В. М. Кондратьев, В. А. Мошников, 2024
но, что газочувствительные свойства зависят от содержания кислородных вакансий. Установлено, что модифицирование сенсорных слоев происходит в процессе формирования композитных поверхностных структур ZnO-Sn и ZnO-Fe и приводит к изменениям распределения адсорбционных центров и их энергетики. Преобразование активных центров адсорбции кислорода и восстанавливающих газов происходит при изменении концентрации вакансий кислорода и приводит к увеличению сенсорного отклика к парам изопропилового спирта.
Ключевые слова: рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, газовый сенсор, оксид цинка, гидротермальный синтез, наноструктуры, поверхностные состояния, дефекты
Для цитирования: Управление свойствами адсорбционных центров при формировании газочувствительных структур смешанных оксидов / З. В. Шомахов, С. С. Налимова, А. М. Гукетлов и др. // Изв. вузов. Электроника. 2024. Т. 29. № 1. С. 7-18. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-1-7-18. - EDN: VXLGAQ.
Original article
Control of the properties of adsorption sites in the formation of gas-sensitive structures of mixed oxides
Z. V. Shomakhov1, S. S. Nalimova2, A. M. Guketlov1, V. M. Kondratev3'4, V. A. Moshnikov2
Kabardino-Balkarian State University named after H. M. Berbekov, Nalchik, Russia
2Saint Petersburg Electrotechnical University, St. Petersburg, Russia 3Alferov University, St. Petersburg, Russia
4Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgoprudny, Russia shozamir@yandex.ru
Abstract. Sensors based on mixed metal-oxide semiconductors are characterized by fast response and low energy consumption. In these sensors, zinc oxide is commonly used as binary compound. Gas-sensitive structures based on ZnO can be improved by creation of adjacent adsorption sites for sensitizer gas and target gas. In this work, gas-sensing layers based on zinc oxide nanowires were synthesized by hydrothermal method and then modified in solutions containing precursors - potassium stannate and iron sulfate - to form composite samples of ZnO-Sn and ZnO-Fe, respectively. X-ray photoelectron spectroscopy was used to analyze the effect of modification of sensor layers composed of ZnO nan-owires during subsequent processing in solutions of other metal compounds (tin and iron) on the chemical composition of their surface. Sensor properties of the samples were analyzed when detecting isopropyl alcohol vapors. It was found that, depending on the technological conditions, the oxygen content in the form of adsorbed particles changes. Oxygen vacancies participate in the adsorption of such particles. It was demonstrated that the gas-sensitive properties depend on the content of oxygen vacancies. It has been established that the modification of sensor layers takes place with formation of composite surface structures ZnO-Sn and ZnO-Fe and leads to the redistribution of adsorption sites and their energetics. The modification of active surface sites for oxygen and reducing gases adsorption occurs with oxygen vacancies concentration change and leads to increase in the sensor response to isopropyl alcohol vapors.
Keywords: X-ray photoelectron spectroscopy, gas sensor, zinc oxide, hydrothermal synthesis, nanostructures, surface states, defects
For citation: Shomakhov Z. V., Nalimova S. S., Guketlov A. M., Kondratev V. M., Moshnikov V. A. Control of the properties of adsorption sites in the formation of gassensitive structures of mixed oxides. Proc. Univ. Electronics, 2024, vol. 29, no. 1, pp. 7-18. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-1-7-18. - EDN: VXLGAQ.
Введение. Газовые датчики применяются в таких областях, как контроль технологических процессов, мониторинг окружающей среды, медицинская диагностика, безопасность и фармацевтика [1]. Газовые датчики резистивного типа в настоящее время являются одними из наиболее изученных и составляют более 20 % рынка газовых датчиков [2]. Для создания газовых датчиков резистивного типа используются различные бинарные, тройные и более сложные оксиды металлов. Наиболее распространенными оксидами металлов, используемыми в газовых датчиках, являются SnÜ2 [3], ZnO [4], TiÜ2 [5], WO3 [6], In2Ü3 [7] и Fe2Ü3 [8].
Датчики на основе смешанных металлоксидных полупроводников характеризуются быстрым откликом и низким энергопотреблением [9, 10]. Одно из широко используемых базовых бинарных соединений - оксид цинка ZnO [11]. К настоящему времени ZnO и методы его синтеза хорошо изучены. Газочувствительные структуры на его основе могут быть улучшены при создании близлежащих адсорбционных центров для газа-сенсибилизатора (кислорода) и детектируемого газа [12]. Поскольку отклик адсорбционного полупроводникового газового сенсора напрямую зависит от удельной площади активной поверхности, то ее увеличение также может привести к значительному улучшению сенсорных свойств. Сочетание перечисленных приемов можно достичь при формировании композитных систем на основе кристаллических наностержней ZnO в виде многокомпонентных оксидов металлов, например Zn-Fe-O. В работе [13] показано, что пористые наностержни ZnFe2O4 демонстрируют высокую чувствительность и быстродействие при детектировании ацетона. Выявлена возможность селективного обнаружения толуола газовым датчиком на основе монодисперсных наносфер ZnFe2O4 [14]. Оксидные структуры, содержащие в качестве металлических компонентов олово и цинк (ZnSnO3 и Zn2SnO4), также перспективны для использования в газочувствительных датчиках. Установлено, что наностержни Zn2SnO4 обладают повышенной чувствительностью и селективностью к NO2 по сравнению с наностержнями ZnO [15]. Обнаружено улучшение газочувствительных характеристик иерархических гетероструктур Zn2SnO4-ZnO по отношению к триэтиламину по сравнению с отдельными нанопроволоками Zn2SnO4 и нанопластинками ZnO [16].
Увеличение сенсорного сигнала многокомпонентных оксидов металлов является результатом различных энергетических характеристик разных атомов металла на поверхности [17, 18]. Однако протекающие физико-химические процессы более сложные и могут сопровождаться образованием дополнительных структурных дефектов, например кислородных вакансий, которые известны как центры адсорбции O2 в заряженном состоянии. Реакции хемосорбированного кислорода с молекулами газа приводят к появлению сенсорного отклика за счет образования свободных электронов и их перехода в зону проводимости материала.
В настоящей работе методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии исследуются адсорбционные центры композитных наноструктур на основе ZnO, полученных при модифицировании оловом и железом.
Эксперимент. В качестве подложек использовали керамические чипы с золотыми контактами. Контакты имеют встречно-штыревую структуру, их ширина и расстояние между ними составляют 25 мкм. Композитные наноструктуры получали в два этапа. Первый этап - формирование наностержней ZnO путем распределения наночастиц с
помощью центрифуги с последующим гидротермальным ростом 1D-наноструктур [19]. Второй этап - изготовление композитных систем Zn-Fe-O и Zn-Sn-O. Схематическое изображение чипа с нанесенным на его поверхность сенсорным слоем приведено на рис. 1.
Синтез композитных структур Zn-Fe-O проводили на двух идентичных образцах с выращенными наностержнями ZnO путем осаждения из раствора при нормальных условиях. Получены два раствора FeSO47H2O в дистиллированной воде с различными концентрациями: 0,025 моль/л (ZnO-Fe-1) и 0,05 моль/л (ZnO-Fe-2). Формирование композитной структуры проводили при комнатной температуре в течение 30 мин. После этого образцы высушивали с последующим отжигом в муфельной печи при температуре 500 °C в течение 15 мин. Для формирования наноструктур ZnO-Sn использовали раствор, содержащий 40 % изопропилового спирта и 60 % воды. К 20 мл этого раствора добавляли станнат калия K2SnO33H2O и мочевину CH4N2O. Для образца ZnO-Sn-1 массы станната калия и мочевины составили 28,7 мг и 187 мг соответственно. Для синтеза образца ZnO-Sn-2 в раствор добавляли 14,33 мг станната калия и 93,6 г мочевины. Гидротермальный синтез проводили при температуре 170 °C в течение 30 мин.
Химический состав наностержней ZnO и многокомпонентных оксидных наноструктур изучали методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (K-Alpha, Thermo Scientific, США) с использованием излучения AlKa с энергией фотонов hv = 1486 эВ. Исследование морфологии поверхности полученных образцов проводили методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на приборе Zeiss Supra 25 (Zeiss, Германия). Для изучения газочувствительных свойств образцов использовали специально разработанную лабораторную установку [20]. Отклик S рассчитывали как отношение сопротивлений образца в воздушной среде и в присутствии паров изопропило-вого спирта.
Результаты и их обсуждение. На рис. 2 (см. 4-ю с. обложки) приведены РЭМ-изображения морфологии поверхности полученных газочувствительных слоев. В результате модифицирования наностержней ZnO в растворе сульфата железа происходит их частичное растворение и реорганизация с формированием объектов микронного размера, а также иерархической структуры, состоящей из нанообъектов толщиной приблизительно 10 нм и длиной 200-500 нм, расположенных на поверхности в произвольном порядке (рис. 2, а, см. 4-ю с. обложки). При гидротермальной обработке нанос-тержней ZnO в растворе станната калия их исходная форма остается неизменной (рис. 2, б, см. 4-ю с. обложки). Рисунок подтверждает наличие на поверхности образца наностержней диаметром 100-500 нм и длиной несколько микрометров.
Рис. 1. Схема газочувствительного элемента Fig. 1. Scheme of gas-sensitive element
На рис. 3 показаны рентгеновские фотоэлектронные спектры образцов 2пО-Бе, модифицированных в растворах с концентрациями 0,025 и 0,05 моль/л. Обнаружено, что на спектрах образца 2пО-Бе-2, синтезированного из раствора сульфата железа высокой концентрации (0,05 моль/л), отсутствуют пики, соответствующие энергиям связи атомов цинка. Это может являться результатом образования покрытия из-за избыточного осаждения частиц оксида железа на поверхность параллельно с включением атомов железа в структуру 2пО. Для уменьшения влияния избыточного осаждения оксида железа проводили эксперимент при пониженном содержании железа в прекурсоре. На спектре образца, синтезированного из раствора сульфата железа более низкой концентрации (0,025 моль/л), отчетливо наблюдаются пики кислорода, железа и цинка. Это позволяет сделать вывод, что при данных условиях синтеза формируется композитная структура многокомпонентного оксида металла. Формирование структуры многокомпонентного оксида рассмотрено в работе [4]. С помощью спектроскопии комбинационного рассеяния установлено, что в результате обработки в растворе сульфата железа на поверхности наностержней 2пО образуются фазы 2пБе2О4 и а-Ре2О3.
гпО-Ре-1 гп2 р ОI л
I-1-1-1-1-1-1- —I
1400 1200 1000 800 600 400 200 0
Энергия связи, эВ
Рис. 3. Обзорные рентгеновские фотоэлектронные спектры образцов ZnO-Fe Fig. 3. Survey X-ray photoelectron spectra of ZnO-Fe samples
Информацию о составе и энергетике содержат спектры остовных уровней кислорода O1s в многокомпонентных оксидных наноструктурах ZnO-Fe (рис. 4). На спектрах наблюдаются два пика, которые соответствуют атомам кислорода кристаллической решетки и вакансиям в подрешетке кислорода. Для образца ZnO-Fe-1 энергии связи составляют 529,9 эВ для кислорода кристаллической решетки и 532,1 эВ для кислородных вакансий. Для образца ZnO-Fe-2 пик кислорода в кристаллической решетке наблюдается при 530 эВ, а пик кислородных вакансий - при 532,4 эВ. Для образца ZnO энергия связи кислорода кристаллической решетки составляет 530,8 эВ, а вакансий в подрешетке кислорода - 532,3 эВ. Таким образом, в результате взаимодействия с атомами железа происходит значительное изменение кристаллической решетки, отражающееся в сдвиге энергии связи кислорода кристаллической решетки. В то же время изменение энергии связи, соответствующее кислородным вакансиям, незначительно. При изменении химического состава наностержней ZnO и формировании композитной структуры ZnO-Fe содержание кислородных вакансий на поверхности значительно увеличивается (48 % для образца ZnO и 68 % для образца ZnO-Fe-1). В образце ZnO-Fe-2 на поверхности наблюдаются преимущественно кислородные вакансии, содержание которых составляет 92 %.
1
:-1-1-1
540 535 530 525
Энергия связи, эВ
Рис. 4. Спектры остовных уровней кислорода образцов ZnO-Fe-1 и ZnO-Fe-2: 1 - ZnO-Fe-1; 2 - ZnO-Fe-1 O2-; 3 - ZnO-Fe-1 OV; 4 - ZnO-Fe-2; 5 - ZnO-Fe-2 OV; 6 - ZnO-Fe-2 O2-Fig. 4. Spectra of oxygen core levels in ZnO-Fe-1 and ZnO-Fe-2 samples: 1 - ZnO-Fe-1; 2 - ZnO-Fe-1 O2-; 3 - ZnO-Fe-1 OV; 4 - ZnO-Fe-2; 5 - ZnO-Fe-2 OV; 6 - ZnO-Fe-2 O2-
Обзорные рентгеновские фотоэлектронные спектры образцов ZnO-Sn-1 и Zn-Sn-2 показаны на рис. 5. Проанализированы заряженные состояния элементов для образца ZnO-Sn-1. Пики, соответствующие уровню Sn3d, наблюдаются при 486,6 и 494,9 эВ. Такое положение пиков указывает на состояние Sn4+ [21, 22]. Положения максимумов уровня Zn2^ сместились в сторону более высоких энергий связи (1021,7 и 1045 эВ) относительно структуры ZnO. Несмотря на небольшой сдвиг, заряженное состояние остается - Zn2+ [23, 24]. Кислород наблюдается в кристаллической решетке с пиком при энергии связи 530,3 эВ и в виде кислородных вакансий при 531,9 эВ. По сравнению с ZnO пики кислорода также смещены в сторону высоких энергий связи. В образце ZnO-Sn-2 пики олова наблюдаются при 486,4 и 494,8 эВ. Их положения смещены в сторону более низких энергий связи по сравнению с ZnO-Sn-1, состояние остается прежним - Sn4+. Для цинка положение пиков не изменилось.
Проанализированы составляющие спектра уровня O1s для образцов ZnO-Sn (рис. 6). Кислород на поверхности образцов также существует в двух состояниях. Кислород кристаллической решетки имеет энергию связи 530,3 эВ, а адсорбированный кислород имеет энергию связи 531,9 эВ. Пики кислорода ZnO также сместились в сторону высоких энергий связи. При этом содержание адсорбированного кислорода в образце ZnO-Sn-1 составляет 65 %, а в образце ZnO-Sn-2 равно 56 %. Таким образом, по результатам рентгеновской фотоэлектронной микроскопии полученные композитные образцы состоят из оксидов цинка и олова.
Следует отметить, что сенсорный отклик образца ZnO-Fe-1 к 1000 ppm изопропи-лового спирта при 250 °C составляет 3,42, в то время как для образца исходных нанос-тержней ZnO равен 2,5. Отклик образца ZnO-Fe-2 уменьшился по сравнению с откликом ZnO, что и следовало ожидать, так как вся поверхность образца покрыта слоем избыточного оксида железа. Отклики ZnO-Sn-1 и ZnO-Sn-2 к 1000 ppm изопропилового спирта при 310 °C составили 5,26 и 8,24 соответственно. На рис. 7 показана зависимость отклика образца ZnO-Fe-1 от концентрации паров изопропилового спирта. Сенсорный отклик увеличивается почти линейно с повышением концентрации изопропи-лового спирта в диапазоне 200-1000 ppm (коэффициент линейности
Рис. 5. Обзорные рентгеновские фотоэлектронные спектры образцов ZnO-Sn Fig. 5. Survey X-ray photoelectron spectra of ZnO-Sn samples
Рис. 6. Спектры остовных уровней кислорода образцов ZnO-Sn-1 и ZnO-Sn-2: 1 - ZnO-Sn-1; 2 - ZnO-Sn-1 OV; 3 - ZnO-Sn-1 O2-; 4 - ZnO-Sn-2; 5 - ZnO-Sn-2 O2-; 6 - ZnO-Sn-2 OV Fig. 6. Spectra of oxygen core levels in ZnO-Sn-1 and ZnO-Sn-2 samples: 1 - ZnO-Sn-1; 2 - ZnO-Sn-1 OV; 3 - ZnO-Sn-1 O2-; 4 - ZnO-Sn-2; 5 - ZnO-Sn-2 O2-; 6 - ZnO-Sn-2 OV
Для всех исследованных многокомпонентных оксидных наноструктур наблюдается увеличение сенсорного сигнала по сравнению с наностержнями ZnO. Улучшение свойств датчика связано с влиянием кислородных вакансий на процессы взаимодействия поверхности оксида с молекулами газа [25, 26]. Наличие вакансий в подрешетке кислорода приводит к модуляции свойств оксидов, что повышает газочувствительные характеристики хеморезистивного датчика. Обычно они действуют как доноры электронов и определяют плотность носителей заряда полупроводниковых оксидных материалов, что связано с большим количеством локализованных электронов. На границе раздела фаз наличие вакансий в подрешетке кислорода способствует адсорбции молекул O2 и повышению концентрации заряженного кислорода на поверхности [27]. Кроме того, молекулы газа могут адсорбироваться на таких вакансиях, которые являются активными центрами этого процесса [28]. Поэтому для улучшения сенсорных характеристик одним из подходов является управление содержанием центров адсорбции молекул газа-сенсибилизатора кислорода и восстанавливающих газов.
Заключение. Исследования показали, что применение смешанных оксидов цинк / железо и цинк / олово повышает чувствительность многокомпонентных материалов. Это связано с формированием на их поверхности повышенной концентрации новых активных центров взаимодействия с кислородом и восстанавливающими газами. С помощью реализованной методики образования дополнительных кислородных вакансий в результате взаимодействия с прекурсорами установлено, что содержание центров адсорбции может зависеть от условий получения и обработки и, прежде всего, от состава прекурсоров.
Материалы статьи доложены на 7-й Научно-практической конференции «Интеллектуальные системы и микросистемная техника - 2023» (31 января - 06 февраля 2023 г., Кабардино-Балкарская Республика, пос. Эльбрус).
Литература
1. Resistive gas sensors based on metal-oxide nanowires / A. Mirzaei, J.-H. Lee, S. M. Majhi et al. // Journal of Applied Physics. 2019. Vol. 126. Iss. 24. Art. ID: 241102. https://doi.org/10.1063/1.5118805
2. MOF-based membrane encapsulated ZnO nanowires for enhanced gas sensor selectivity / M. Drobek, J.-H. Kim, M. Bechelany et at // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2016. Vol. 8. Iss. 13. P. 8323-8328. https: //doi.org/ 10.1021/acsami.5b12062
3. Nanostructured materials obtained under conditions of hierarchical self-assembly and modified by derivative forms of fullerenes / I. E. Gracheva, V. A. Moshnikov, E. V. Maraeva et al. // Journal of Non-Crystalline Solids. 2012. Vol. 358. Iss. 2. P. 433-439. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2011.10.020
4. Synthesis and study of gas sensitive ZnFe2O4-modified ZnO nanowires / K. Aubekerov, K. N. Punegova, R. Sergeenko et al // J. Phys.: Conf. Ser. 2022. Vol. 2227. Art. No. 012014. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2227/1/012014
5. Gas sensors based on TiO2 nanostructured materials for the detection of hazardous gases: A review / X. Tian, X. Cui, T. Lai et al // Nano Materials Science. 2021. Vol. 3. Iss. 4. P. 390-403. https://doi.org/10.1016/ j.nanoms.2021.05.011
0 200 400 600 800 1000 1200
Концентрация, ppm
Рис. 7. Зависимость сенсорного сигнала образца ZnO-Fe-1 от концентрации паров
изопропилового спирта Fig. 7. The dependence of the sensor signal of ZnO-Fe-1 on the concentration of isopropyl alcohol
6. Sea urchins-like WO3 as a material for resistive acetone gas sensors / Q. Wang, X. Cheng, Y. Wang et al. // Sensors and Actuators B. 2022. Vol. 355. Iss. 15. Art. ID: 131262. https://doi.org/10.1016/ j.snb.2021.131262
7. A novel design and fabrication of self-heated In2O3 nanowire gas sensor on glass for ethanol detection / D. N. Son, C. M. Hung, D. T. T. Le et al // Sensors and Actuators A. 2022. Vol. 345. Art. ID: 113769. https://doi.org/10.1016/j.sna.2022.113769
8. Superior detection and classification of ethanol and acetone using 3D ultra-porous y-Fe2O3 nanocubes-based sensor / H. V. M. Hai, N. D. Cuong, H. D. Mai et al // Sensors and Actuators B. 2022. Vol. 362. Art. ID: 131737. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.131737
9. Mahajan S., Jagtap S. Metal-oxide semiconductors for carbon monoxide (CO) gas sensing: A review // Appl. Mater. Today. 2020. Vol. 18. Art. ID: 100483. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2019.100483
10. Mirzaei A., Kim S. S., Kim H. W. Resistance-based H2S gas sensors using metal oxide nanostructures: A review of recent advances // Journal of Hazardous Materials. 2018. Vol. 357. P. 314-331. https://doi.org/ 10.1016/j.jhazmat.2018.06.015
11. The multisensor array based on grown-on-chip zinc oxide nanorod network for selective discrimination of alcohol vapors at sub-ppm range / A. Bobkov, A. Varezhnikov, I. Plugin et al. // Sensors. 2019. Vol. 19. Iss. 19. Art. No. 4265. https://doi.org/10.3390/s19194265
12. Flexible resistive NO2 gas sensor of three-dimensional crumpled MXene Ti3C2Tx/ZnO spheres for room temperature application / Z. Yang, L. Jiang, J. Wang et al. // Sensors and Actuators B. 2021. Vol. 326. Art. ID: 128828. https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.128828
13. Li L., Tan J., Dun M., Huang X. Porous ZnFe2O4 nanorods with net-worked nanostructure for highly sensor response and fast response acetone gas sensor // Sensors and Actuators B. 2017. Vol. 248. P. 85-91. https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.03.119
14. Monodisperse ZnFe2O4 nanospheres synthesized by a nonaqueous route for a highly selective low-ppm-level toluene gas sensor / C. Dong, X. Liu, X. Xiao et al. // Sensors and Actuators B. 2017. Vol. 239. P. 1231-1236. https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.09.122
15. Comparative effects of synthesis parameters on the NO2 gas-sensing performance of on-chip grown ZnO and Zn2SnO4 nanowire sensors / C. M. Hung, H. V. Phuong, N. V. Duy et al. // Journal of Alloys and Compounds. 2018. Vol. 765. P. 1237-1242. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.06.184
16. Fabrication of 1D Zn2SnO4 nanowire and 2D ZnO nanosheet hybrid hierarchical structures for use in triethylamine gas sensors / F. Liu, X. Chen, X. Wang et al. // Sensors and Actuators B. 2019. Vol. 291. P. 155-163. https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.04.009
17. Карпова С. С., Мошников В. А., Мякин С. В., Коловангина Е. С. Функциональный состав поверхности и сенсорные свойства ZnO, Fe2O3 и ZnFe2O4 // Физика и техника полупроводников. 2013. Т. 47. № 3. С. 369-372. EDN: RCQWTN.
18. Исследование влияния кислотно-основных свойств поверхности оксидов ZnO, Fe2O3 и ZnFe2O4 на их газочувствительность по отношению к парам этанола / С. С. Карпова, В. А. Мошников, А. И. Максимов и др. // Физика и техника полупроводников. 2013. Т. 47. № 8. С. 1022-1026. EDN: RCQYRN.
19. Газочувствительность наноструктурированных покрытий на основе наностержней оксида цинка при комбинированной активации / А. А. Рябко, А. А. Бобков, С. С. Налимова и др. // ЖТФ. 2022. Т. 92. № 5. С. 758-764. https://doi.org/10.21883/JTF.2022.05.52382.314-21. - EDN: TIVCHQ.
20. Anikina M. A., Ryabko A. A., Nalimova S. S., Maximov A. I. Synthesis and study of zinc oxide nanorods for semiconductor adsorption gas sensors // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. Vol. 1851. Art. No. 012010. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1851/1/012010
21. Исследование микроструктуры и состава модифицированных наночастицами серебра слоев диоксида олова / З. В. Шомахов, С. С. Налимова, Р. М. Калмыков и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2021. № 13. С. 447-456. https://doi.org/10.26456/ pcascnn/2021.13.447. - EDN: UHEPLU.
22. High sensitivity and low detection limit of acetone sensor based on NiO/Zn2SnO4 p-n heteroj unction octahedrons / C. Zhou, F. Meng, K. Chen et al. // Sensors and Actuators B. 2021. Vol. 339. Art. ID: 129912. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.129912
23. Sahu K., Bisht A., Kuriakose S., Mohapatra S. Two-dimensional CuO-ZnO nanohybrids with enhanced photocatalytic performance for removal of pollutants // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2020. Vol. 137. Art. ID: 109223. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2019.109223
24. Zheng J. H., Jiang Q., Lian J. S. Synthesis and optical properties of flower-like ZnO nanorods by thermal evaporation method // Applied Surface Science. 2011. Vol. 257. Iss. 11. P. 5083-5087. https://doi.org/ 10.1016/j.apsusc.2011.01.025
25. ZnO/Ti3C2 composite with oxygen vacancies and Schottky barrier for effective detection of ppb-level NO2 at room temperature / S. Liu, M. Wang, C. Ge et al. // Applied Surface Science. 2023. Vol. 610. Art. ID: 155440. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.155440
26. Gas sensing enhancing mechanism via doping-induced oxygen vacancies for gas sensors based on indium tin oxide nanotubes / J. Y. Zhou, J. L. Bai, H. Zhao et al. // Sensors and Actuators B. 2018. Vol. 265. P. 273-284. https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.03.008
27. Влияние дефектов структуры поверхности наностержней оксида цинка на их газочувствительные свойства / З. В. Шомахов, С. С. Налимова, К. Аубекеров и др. // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 5. С. 571-580. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-5-571-580. - EDN: FYLVFG.
28. Visible light-induced room-temperature formaldehyde gas sensor based on porous three-dimensional ZnO nanorod clusters with rich oxygen vacancies / B. Zhang, J. Wang, Q. Wei et al. // ACS Omega. 2022. Vol. 7. Iss. 26. P. 22861-22871. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c02613
Статья поступила в редакцию 02.05.2023 г.; одобрена после рецензирования 23.06.2023 г.;
принята к публикации 15.12.2023 г.
Информация об авторах
Шомахов Замир Валериевич - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры электроники и цифровых информационных технологий Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х. М. Бербекова (Россия, 360004, Кабардино-Балкарская Республика, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173), shozamir@yandex.ru
Налимова Светлана Сергеевна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры микро- и наноэлектроники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) (Россия, 197376, г. Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 5), sskarpova@list.ru
Гукетлов Аслан Мухамедович - стажер-исследователь Научно-технологического центра микроэлектроники и нанотехнологий Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х. М. Бербекова (Россия, 360004, Кабардино-Балкарская Республика, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173), guketlovaslan3@gmail.com
Кондратьев Валерий Михайлович - младший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов Московского физико-технического института (национального исследовательского университета) (Россия, 141701, г. Долгопрудный, Институтский пер., 9), инженер лаборатории оптики гетерогенных структур и оптических материалов Санкт-Петербургского национального исследовательского Академического университета имени Ж. И. Алфёрова Российской академии наук (194021, г. Санкт-Петербург, ул. Хлопина, 8, корп. 3, литер А), kondratev.vm@mipt.ru
Мошников Вячеслав Алексеевич - доктор физико-математических наук, профессор кафедры микро- и наноэлектроники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) (Россия, 197376, г. Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 5), vamoshnikov@mail.ru
References
1. Mirzaei A., Lee J.-H., Majhi S. M., Weber M., Bechelany M., Kim H. W., Kim S. S. Resistive gas sensors based on metal-oxide nanowires. Journal of Applied Physics, 2019, vol. 126, iss. 24, art. ID: 241102. https://doi.org/10.1063/L5118805
2. Drobek M., Kim J.-H., Bechelany M., Vallicari C., Julbe A., Kim S. S. MOF-based membrane encapsulated ZnO nanowires for enhanced gas sensor selectivity. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, vol. 8, iss. 13, pp. 8323-8328. https://doi.org/10.1021/acsami.5b12062
3. Gracheva I. E., Moshnikov V. A., Maraeva E. V., Karpova S. S., Alexsandrova O. A., Alekseyev N. I., Kuznetsov V. V., Olchowik G. et al. Nanostructured materials obtained under conditions of hierarchical self-assembly and modified by derivative forms of fullerenes. Journal of Non-Crystalline Solids, 2012, vol. 358, iss. 2, pp. 433-439. https://doi.org/10.1016/jjnoncrysol.2011.10.020
4. Aubekerov K., Punegova K. N., Sergeenko R., Kuznetsov A., Kondratev V. M., Kadinskaya S. A., Nalimova S. S., Moshnikov V. A. Synthesis and study of gas sensitive ZnFe2O4-modified ZnO nanowires. J. Phys.: Conf Ser., 2022, vol. 2227, art. no. 012014. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2227/1Z012014
5. Tian X., Cui X., Lai T., Ren J., Yang Z., Xiao M., Wang B., Xiao X., Wang Y. Gas sensors based on TiO2 nanostructured materials for the detection of hazardous gases: A review. Nano Materials Science, 2021, vol. 3, iss. 4, pp. 390-403. https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2021.05.011
6. Wang Q., Cheng X., Wang Y., Yang Y., Su Q., Li J., An B., Luo Y. et al. Sea urchins-like WO3 as a material for resistive acetone gas sensors. Sensors and Actuators B, 2022, vol. 355, iss. 15, art. ID: 131262. https://doi.org/ 10.1016/j. snb.2021.131262
7. Son D. N., Hung C. M., Le D. T. T., Xuan C. T., Duy N. V., Dich N. Q., Nguyen H., Hieu N. V., Hoa N. D. A novel design and fabrication of self-heated In2O3 nanowire gas sensor on glass for ethanol detection. Sensors and Actuators A, 2022, vol. 345, art. ID: 113769. https://doi.org/10.1016/j.sna.2022.113769
8. Hai H. V. M., Cuong N. D., Mai H. D., Long H. T., Phuong T. Q., Dang T. K., Thong L. V., Viet N. N., Hieu N. V. Superior detection and classification of ethanol and acetone using 3D ultra-porous y-Fe2O3 nanocubes-based sensor. Sensors and Actuators B, 2022, vol. 362, art. ID: 131737. https://doi.org/10.1016/ j.snb.2022.131737
9. Mahajan S., Jagtap S. Metal-oxide semiconductors for carbon monoxide (CO) gas sensing: A review. Appl. Mater. Today, 2020, vol. 18, art. ID: 100483. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2019.100483
10. Mirzaei A., Kim S. S., Kim H. W. Resistance-based H2S gas sensors using metal oxide nanostructures: A review of recent advances. Journal of Hazardous Materials, 2018, vol. 357, pp. 314-331. https://doi.org/ 10.1016/j.jhazmat.2018.06.015
11. Bobkov A., Varezhnikov A., Plugin I., Fedorov F. S., Trouillet V., Geckle U., Sommer M., Goffman V. et al. The multisensor array based on grown-on-chip zinc oxide nanorod network for selective discrimination of alcohol vapors at sub-ppm range. Sensors, 2019, vol. 19, iss. 19, art. no. 4265. https://doi.org/10.3390/ s19194265
12. Yang Z., Jiang L., Wang J., Liu F., He J., Liu A., Lv S., You R. et al. Flexible resistive NO2 gas sensor of three-dimensional crumpled MXene Ti3C2Tx/ZnO spheres for room temperature application. Sensors and Actuators B, 2021, vol. 326, art. ID: 128828. https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.128828
13. Li L., Tan J., Dun M., Huang X. Porous ZnFe2O4 nanorods with net-worked nanostructure for highly sensor response and fast response acetone gas sensor. Sensors and Actuators B, 2017, vol. 248, pp. 85-91. https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.03.119
14. Dong C., Liu X., Xiao X., Du S., Wang Y. Monodisperse ZnFe2O4 nanospheres synthesized by a nonaqueous route for a highly selective low-ppm-level toluene gas sensor. Sensors and Actuators B, 2017, vol. 239, pp. 1231-1236. https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.09.122
15. Hung C. M., Phuong H. V., Duy N. V., Hoa N. D., Hieu N. V. Comparative effects of synthesis parameters on the NO2 gas-sensing performance of on-chip grown ZnO and Zn2SnO4 nanowire sensors. Journal of Alloys and Compounds, 2018, vol. 765, pp. 1237-1242. https://doi.org/10.1016/jjallcom.2018.06.184
16. Liu F., Chen X., Wang X., Han Y., Song X., Tian J., He X., Cui H. Fabrication of 1D Zn2SnO4 nanowire and 2D ZnO nanosheet hybrid hierarchical structures for use in triethylamine gas sensors. Sensors and Actuators B, 2019, vol. 291, pp. 155-163. https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.04.009
17. Karpova S. S., Moshnikov V. A., Mjakin S. V., Kolovangina E. S. Surface functional composition and sensor properties of ZnO, Fe2O3, and ZnFe2O4. Semiconductors, 2013, vol. 47, iss. 3, pp. 392-395. https://doi.org/10.1134/S1063782613030123
18. Karpova S. S., Moshnikov V. A., Maksimov A. I., Mjakin S. V., Kazantseva N. E. Study of the effect of the acid-base surface properties of ZnO, Fe2O3 and ZnFe2O4 oxides on their gas sensitivity to ethanol vapor. Semiconductors, 2013, vol. 47, iss. 8, pp. 1026-1030. https://doi.org/10.1134/S1063782613080095
19. Ryabko A. A., Bobkov A. A., Nalimova S. S., Maksimov A. I., Levitskii V. S., Moshnikov V. A., Terukov E. I. Gas sensitivity of nanostructured coatings based on zinc oxide nanorods under combined activation. ZhTF = Technical Physics, 2022, vol. 67, no. 5, pp. 644-649. https://doi.org/10.21883/TP.2022.05.53683.314-2
20. Anikina M. A., Ryabko A. A., Nalimova S. S., Maximov A. I. Synthesis and study of zinc oxide nanorods for semiconductor adsorption gas sensors. J. Phys.: Conf. Ser., 2021, vol. 1851, art. no. 012010. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1851/1/012010
21. Shomakhov Z. V., Nalimova S. S., Kalmykov R. M., Aubekerov K., Moshnikov V. A. Study of the microstructure and composition of tin dioxide layers modified by silver nanoparticles. Fiziko-khimicheskie aspekty izucheniya klasterov, nanostruktur i nanomaterialov = Physical and chemical aspects of the study of clusters, nanostructures and nanomaterials, 2021, no. 13, pp. 447-456. (In Russian). https://doi.org/10.26456/pcascnn/ 2021.13.447. - EDN: UHEPLU.
22. Zhou C., Meng F., Chen K., Yang X., Wang T., Sun P., Liu F., Yan X. et al. High sensitivity and low detection limit of acetone sensor based on NiO/Zn2SnO4 p-n heterojunction octahedrons. Sensors and Actuators B, 2021, vol. 339, art. ID: 129912. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.129912
23. Sahu K., Bisht A., Kuriakose S., Mohapatra S. Two-dimensional CuO-ZnO nanohybrids with enhanced photocatalytic performance for removal of pollutants. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2020, vol. 137, art. ID: 109223. https://doi.org/10.1016/jjpcs.2019.109223
24. Zheng J. H., Jiang Q., Lian J. S. Synthesis and optical properties of flower-like ZnO nanorods by thermal evaporation method. Applied Surface Science, 2011, vol. 257, iss. 11, pp. 5083-5087. https://doi.org/ 10.1016/j.apsusc.2011.01.025
25. Liu S., Wang M., Ge C., Zhang X., Lei S., Hussain S., Wang M., Qiao G., Liu G. ZnO/Ti3C2 composite with oxygen vacancies and Schottky barrier for effective detection of ppb-level NO2 at room temperature. Applied Surface Science, 2023, vol. 610, art. ID: 155440. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.155440
26. Zhou J. Y., Bai J. L., Zhao H., Yang Z. Y., Gu X. Y., Huang B. Y., Zhao C. H., Cairang L. et al. Gas sensing enhancing mechanism via doping-induced oxygen vacancies for gas sensors based on indium tin oxide nanotubes. Sensors and Actuators B, 2018, vol. 265, pp. 273-284. https://doi.org/10.1016Zj.snb.2018.03.008
27. Shomakhov Z. V., Nalimova S. S., Aubekerov K., Guketlov A. M., Moshnikov V. A. Effect of surface structure defects of zinc oxide nanowires on their gas-sensitive properties. Izv. vuzov. Elektronika = Proc. Univ. Electronics, 2022, vol. 27, no. 5, pp. 571-580. (In Russian). https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-5-571-580. - EDN: FYLVFG.
28. Zhang B., Wang J., Wei Q., Yu P., Zhang S., Xu Y., Dong Y., Ni Y. et al. Visible light-induced room-temperature formaldehyde gas sensor based on porous three-dimensional ZnO nanorod clusters with rich oxygen vacancies. ACS Omega, 2022, vol. 7, iss. 26, pp. 22861-22871. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c02613
The article was submitted 02.05.2023; approved after reviewing 23.06.2023;
accepted for publication 15.12.2023.
Information about the authors
Zamir V. Shomakhov - Cand. Sci. (Phys.-Math.), Assoc. Prof. of the Electronics and Digital Information Technologies Department, Kabardino-Balkarian State University named after H. M. Berbekov (Russia, 360004, Kabardino-Balkarian Republic, Nalchik, Chernyshevsky st., 173), shozamir@yandex.ru
Svetlana S. Nalimova - Cand. Sci. (Phys.-Math.), Assoc. Prof. of the Micro- and Nanoelectronics Department, Saint Petersburg Electrotechnical University (Russia, 197376,
St. Petersburg, Professor Popov st., 5), sskarpova@list.ru.
Asian M. Guketlov - Intern Researcher of the Scientific and Technological Center of Microelectronics and Nanotechnology, Kabardino-Balkarian State University named after H. M. Berbekov (Russia, 360004, Kabardino-Balkarian Republic, Nalchik, Chernyshevsky st., 173), guketlovaslan3@gmail.com
Valeriy M. Kondratev - Junior Researcher of the Center for Photonics and Two-dimensional Materials, Moscow Institute of Physics and Technology (Russia, 141701, Dolgoprudny, Institutsky lane, 9), Engineer of the Laboratory of Optics of Heterogeneous Structures and Optical Materials of the Alferov Saint Petersburg National Research Academic University of the Russian Academy of Sciences (194021, St. Petersburg, Khlopina str., 8, building 3, letter A), kondratev.vm@mipt.ru
Vyacheslav A. Moshnikov - Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof. of the Micro- and Nanoelec-tronics Department, Saint Petersburg Electrotechnical University (Russia, 197376, St. Petersburg, Professor Popov st., 5), vamoshnikov@mail.ru
