Новости: Технологии

Один из принципов работы газовых сенсоров может быть основан на индивидуальных сигналах исследуемых газов при ионизации. Такой тип детекторов широко используется в современных газовых анализаторах, таких, как хроматографы и масс-спектрометры, для высокоточного измерения концентраций газов. С другой стороны, сенсоры, способные детектировать опасные для организма человека количества вредных газов в воздушной смеси, имеют большой спрос на рынке. Уже сейчас существуют разработки на основе углеродных нанотрубок (УНТ), которые способны работать с различными газами, например, NH₃, CO₂ , N₂, O₂, He и их смесями. Однако УНТ легко окисляются в кислородсодержащей атмосфере при больших значениях тока ионизации, и устройства на их основе приходят в негодность. Напротив, оксид цинка благодаря своей химической стабильности может использоваться в качестве стабильных полевых эмиссионных источников и газовых сенсоров вместо углеродных нанотрубок.

Китайскими учеными предложен новый вид газовых сенсоров на основе нитей ZnO, сочетающих в себе простоту, компактность и надежность. Полученные устройства, обладающие высокой чувствительностью и селективностью, способны работать в широком диапазоне концентраций и при различных значениях температуры и влажности. В частности, они способны детектировать присутствие инертных газов в воздухе. Такие газовые сенсоры смогут найти широкое практическое применение в экологическом мониторинге, мониторинге химических предприятий и определении повышенных концентраций вредных газов в быту и на производстве.

Ориентированные нити оксида цинка (рис. 1а) были получены методом осаждения из газовой фазы. Предварительно методом импульсного лазерного напыления (PLD) на пластинке Si(100) при температуре 500°С и давлении кислорода 0,02 Па был получен 200 нм слой ZnO. На следующем этапе синтеза смесь порошков оксида цинка (99,99%) и графита (99,9%) в мольном соотношении 1:1 была помещена в запаянный конец кварцевой трубки. При этом противоположный конец был ориентирован в направлении кремниевой подложки. Смесь ZnO и графита нагревали в трубчатой печи со скоростью 25 градусов в минуту и далее в течение 8 минут выдерживали при 950°С. При этом температура подложки составляла порядка 850°С. Процесс проводился в токе аргона при давлении 200 Па. После завершения синтеза субстрат был охлажден до комнатной температуры в атмосфере Ar. Кроме оксида цинка, для сравнения сенсорных свойств методом осаждения из газовой фазы при температуре 1700°С были синтезированы ориентированные массивы УНТ (рис 1b).

В работе показано, что чувствительный анодный элемент (рис.2) на основе остроконечных нитей оксида цинка способен генерировать сильные электрические поля при относительно низких напряжениях. Проведенное сравнение массивов ориентированных нитей ZnO и УНТ (рис. 3а) оказалось явно не в пользу последних (напряжение пробоя 480 и 292 В соответственно). Кроме того, оксид цинка показывает неплохие результаты при распознавании отдельных газов, таких, как He, NO₂, CO, H₂ и O₂ (рис. 3b). Изменение тока разряда при различном давлении газа в двухэлектродной ячейке представлено на рис. 4. Полученная зависимость позволяет использовать нити ZnO для измерения концентрации детектируемого газа. Сенсоры пригодны также для обнаружения малых концентраций примесных газов в воздухе при комнатной температуре (рис. 5). Проведенные измерения с различными газами (He, CO и NO₂) дают похожие результаты. Предел обнаружения составляет порядка 5%. Стабильность газовых сенсоров тестировалась путем многократного повышения прикладываемого напряжения выше предельного значения при пробое (рис. 6).

Описанные в работе простые и дешевые анодные элементы на основе ориентированных нитей оксида цинка могут найти широкое практическое применение и успешно конкурировать с материалами на основе УНТ.

Статья «A novel gas sensor based on field ionization from ZnO nanowires: moderate working voltage and high stability» опубликована в журнале Nanotechnology.