RU2687869C1 - Method of producing a gas sensor with a nanostructure with a super-developed surface and a gas sensor based thereon - Google Patents
Method of producing a gas sensor with a nanostructure with a super-developed surface and a gas sensor based thereon Download PDFInfo
- Publication number
- RU2687869C1 RU2687869C1 RU2018135479A RU2018135479A RU2687869C1 RU 2687869 C1 RU2687869 C1 RU 2687869C1 RU 2018135479 A RU2018135479 A RU 2018135479A RU 2018135479 A RU2018135479 A RU 2018135479A RU 2687869 C1 RU2687869 C1 RU 2687869C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- nanostructure
- sensitive layer
- gas sensor
- superdeveloped
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении газовых сенсоров нового поколения, ключевой особенностью которых является применение в качестве газочувствительных элементов наноструктур со сверхразвитой поверхностью.The present invention relates to the field of nanotechnology and can be used in the manufacture of gas sensors of a new generation, the key feature of which is the use as a gas sensitive elements of nanostructures with ultra-developed surface.
Полупроводниковые хеморезистивные сенсоры адсорбционного типа являются широко востребованными измерительными устройствами для детектирования токсичных, пожаро- и взрывоопасных газов. В качестве газочувствительных слоев таких сенсоров наибольшее распространение получили широкозонные полупроводниковые металлооксиды, такие как SnO2, ZnO, Fe2O3, V2O3, NiO и другие [1]. Значительный интерес к сенсорам такого типа обусловлен рядом их достоинств, а именно, малыми массогабаритными размерами и энергопотреблением, низкой стоимостью производства и простотой эксплуатации. Однако металлооксидные сенсоры не лишены ряда недостатков, основными из которых являются низкие селективность и чувствительность при температуре близкой к комнатной [2]. Использование в качестве газочувствительного слоя наноструктуры со сверхразвитой поверхностью позволит существенным образом улучшить характеристики металлооксидных сенсоров, включая чувствительность, селективность и стабильность.Semiconductor chemoresistive sensors of the adsorption type are widely demanded measuring devices for detecting toxic, flammable and explosive gases. As gas-sensitive layers of such sensors, wide-gap semiconductor metal oxides, such as SnO 2 , ZnO, Fe 2 O 3 , V 2 O 3 , NiO and others, are most widely used [1]. Considerable interest in sensors of this type is due to a number of their advantages, namely, small weight and size and power consumption, low production cost and ease of operation. However, metal oxide sensors are not devoid of a number of disadvantages, the main of which are low selectivity and sensitivity at temperatures close to room temperature [2]. The use of a nanostructure with a superdeveloped surface as a gas sensitive layer will significantly improve the characteristics of metal oxide sensors, including sensitivity, selectivity and stability.
Например, известен способ изготовления газового сенсора селективного детектирования H2S и его производных [3]. Способ включает получение нитевидных кристаллов проводимости n-типа на основе SnO2, ZnO, In2O3, пропитку этих кристаллов растворами солей Cu, Ni, Со с последующим отжигом до формирования оксидов проводимости р-типа CuO, NiO, Сo3О4 и образованием р-n гетероконтактов. Недостатком такого способа является относительно низкая газочувствительность при высокой температуре детектирования H2S, составляющей 300 ºС.For example, a method for manufacturing a gas sensor for selectively detecting H 2 S and its derivatives is known [3]. The method includes the preparation of whisker crystals of n-type conductivity based on SnO 2 , ZnO, In 2 O 3 , impregnation of these crystals with solutions of Cu, Ni, Co salts with subsequent annealing before the formation of p-type conductivity oxides CuO, NiO, Co 3 O 4 and the formation of pn heterocontacts. The disadvantage of this method is the relatively low gas sensitivity at a high temperature of detecting H 2 S, which is 300 ºС.
Описан сенсор для детектирования водорода и способ его изготовления [4]. Сущность изобретения состоит в том, что рабочий (чувствительный) электрод изготовлен из нанотрубок диоксида титана ТiO2, на поверхность которых известными химическими методами нанесены каталитически активные частицы платины. При этом оптимальное содержание платины на нанотрубках составляет 2,5 вес.%, чем достигается дополнительное преимущество, а именно, уменьшение расхода (загрузки) драгоценного металла на 1 сенсор. Недостатком рассматриваемого изобретения является использование дорогостоящих материалов платиновой группы, а также возможность детектирования только одного газа-восстановителя (водорода).A sensor for detecting hydrogen and a method for its manufacture have been described [4]. The essence of the invention is that the working (sensitive) electrode is made of titanium dioxide TiO 2 nanotubes, on the surface of which catalytically active particles of platinum are deposited by known chemical methods. At the same time, the optimum platinum content on nanotubes is 2.5 wt.%, Thus achieving an additional advantage, namely, reducing the consumption (loading) of the precious metal by 1 sensor. The disadvantage of this invention is the use of expensive materials of the platinum group, as well as the ability to detect only one reducing gas (hydrogen).
Рассмотрен способ получения нанопористого материала для чувствительных элементов газовых сенсоров и нанопористый материал, полученных этим способом [5]. Согласно описанию изобретения нанопористый материал для чувствительных элементов газовых сенсоров, представляющий собой композитный аэрогель, состоящий из двух компонентов, получают путем синтеза золь-гель процессом. В рамках данного способа синтез композитного кремний-алюминиевого аэрогеля SiO2/Al2O3 осуществляют, используя 7 стадийный химический процесс, включающий: а) приготовление золя оксида алюминия; б) приготовление золя оксида кремния; в) смешение золей первого и второго компонента; г) гелеобразование; д) замещение воды; е) высушивание геля; ж) прокаливание геля. Недостатком такого способа являются значительных технические трудности использования аэрогеля в качестве газочувствительного слоя (например, формирование контактов к материалу), а также неустановленные концентрационные зависимости сенсорного отклика к газам-восстановителям и окислителям.The method of obtaining nanoporous material for sensitive elements of gas sensors and nanoporous material obtained by this method [5]. According to the description of the invention, a nanoporous material for sensitive elements of gas sensors, which is a composite airgel consisting of two components, is produced by the synthesis of a sol-gel process. In the framework of this method, the synthesis of composite silicon-aluminum airgel SiO 2 / Al 2 O 3 is carried out using a 7-step chemical process, including: a) preparing an alumina sol; b) preparing a silica sol; c) mixing sols of the first and second components; d) gelation; e) water replacement; e) drying the gel; g) calcining the gel. The disadvantage of this method is the significant technical difficulties of using airgel as a gas sensitive layer (for example, forming contacts to the material), as well as unspecified concentration dependences of the sensory response to reducing gases and oxidizers.
Известен способ изготовления материала газового сенсора для детектирования монооксида углерода CO без нагревателя [6]. Он включает получение нанокристаллических широкозонных полупроводниковых оксидов MeO (SnO2, ZnO, In2O3), получение золей квантовых точек узкозонных полупроводников CdX (X=Se,Te, S) и пропитку оксидов золями квантовых точек с последующей сушкой до формирования гетероконтактов MeO/CdX. Полученный материал дополнительно наносят на изолированную подложку из поликристаллического оксида алюминия с платиновыми измерительными электродами и встроенным светоизлучающим диодом с длинной волны в диапазоне 455-532 нм. Установлено, что в результате светового воздействия в присутствии 20 ppm CO проводимость сенсора на основе SnO2 без нанесения фотосенсибилизатора увеличилась в 12 раз, а проводимость сенсибилизированного квантовыми точками на основе CdSe увеличилась в 53 раза. Также установлено, что в результате светового воздействия в атмосфере воздуха, содержащего 240 ppm CO, проводимость сенсора на основе ZnO без нанесения фотосенсибилизатора, увеличилась в 20 раз, а проводимость сенсора, сенсибилизированного квантовым точками на основе CdS, увеличилась в 177 раз. Недостатком такого способа является достаточно сложная конструкция сенсора, требующая для работы светоизлучающего диода, а также не рассмотрена концентрационная зависимость чувствительности. A known method of manufacturing a gas sensor material for detecting carbon monoxide CO without a heater [6]. It includes obtaining nanocrystalline wide-gap semiconductor oxides MeO (SnO 2 , ZnO, In 2 O 3 ), obtaining sols of quantum dots of narrow-gap CdX semiconductors (X = Se, Te, S) and impregnating oxides with sols of quantum dots, followed by drying until the formation of heterocontacts MeO / Cdx The resulting material is additionally applied to an isolated polycrystalline alumina substrate with platinum measuring electrodes and an integrated light-emitting diode with a long wavelength in the range of 455-532 nm. It was found that as a result of light exposure in the presence of 20 ppm CO, the conductivity of the sensor based on SnO 2 increased by a factor of 12 without the application of a photosensitizer, and the conductivity sensitized by quantum dots based on CdSe increased 53 times. It was also found that as a result of exposure to light in an atmosphere of air containing 240 ppm CO, the conductivity of a ZnO-based sensor without applying a photosensitizer increased 20 times, and the conductivity of a sensor sensitized with CdS-based quantum dots increased 177 times. The disadvantage of this method is the rather complicated design of the sensor, which requires a light-emitting diode to operate, and the concentration dependence of sensitivity is not considered.
Описан способ получения газочувстительного материала на основе оксида цинка к парам ацетона [7]. Он заключается в приготовлении золя путем растворения неорганической соли цинка в спирте, добавлении тетраэтоксисилана, распределении золя по поверхности подложки и отжиге. Также дополнительно проводят обработку полученного материала потоком электронов, ускоренных до энергии 540-900 кэВ, при поглощенной дозе 25-200 кГр, в результате чего чувствительность материала возрастает по сравнению с необработанным материалом. Максимум чувствительности к парам ацетона (49,1 отн.ед.) наблюдается в результате электронно-лучевой обработки при энергии 900 кэВ и поглощенной дозе 200 кГр. Недостатком такого способа является недостаточно высокая чувствительность к другим газам-восстановителям (например, парам этанола), а также не рассмотрена временная зависимость сенсорного отклика.A method for producing gas sensitive material based on zinc oxide to acetone vapors is described [7]. It consists of preparing a sol by dissolving an inorganic zinc salt in alcohol, adding tetraethoxysilane, distributing the sol over the surface of the substrate, and annealing. Additionally, the obtained material is further processed by a stream of electrons accelerated to an energy of 540–900 keV, with an absorbed dose of 25–200 kGy, as a result of which the sensitivity of the material increases as compared to the untreated material. The maximum sensitivity to acetone vapor (49.1 rel. Units) is observed as a result of electron beam treatment at an energy of 900 keV and an absorbed dose of 200 kGy. The disadvantage of this method is not sufficiently high sensitivity to other reducing gases (for example, ethanol vapor), and the temporal dependence of the sensory response is not considered.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ изготовления газового сенсора с наноструктурой и газовый сенсор на его основе [8]. Он заключается в том, что образуют гетероструктуру из различных материалов, в которой формируют газочувствительный слой, после чего ее закрепляют в корпусе сенсора, а контактные площадки соединяют с выводами корпуса при помощи контактных проводников. Газочувствительный слой формируют в виде тонкой нитевидной наноструктуры (SiO2)20%(SnO2)80%, где 20% - массовая доля SiO2, а 80% - массовая доля компонента SnO2, путем нанесения золя ортокремниевой кислоты, содержащего гидроксид олова, на подложку из кремния, на поверхности которой методом локального анодного окисления сформирована область шириной 1 мкм, глубиной 200 нм, с помощью центрифуги и последующим отжигом, золь приготавливают в два этапа, на первом этапе смешивают тетраэтоксисилан и этиловый спирт (95%) в соотношении 1:1,046 при комнатной температуре и смесь выдерживают до 30 минут, затем на втором этапе в полученный раствор вводят дистиллированную воду в соотношении 1:0,323, соляную кислоту (HCl) в соотношении 1:0,05, двухводный хлорид олова (SnCl2·2H2O) в соотношении 1:0,399, где за единицу принят объем ТЭОС, и перемешивают не менее 60 минут. Недостатком такого способа является относительно низкая чувствительность к газам-восстановителям при комнатной температуре.The closest in technical essence to the proposed solution is a method of manufacturing a gas sensor with a nanostructure and a gas sensor based on it [8]. It consists in forming a heterostructure of various materials in which a gas-sensitive layer is formed, after which it is fixed in the sensor case, and the contact pads are connected to the terminals of the case using contact conductors. The gas-sensitive layer is formed in the form of a thin filamentary nanostructure (SiO 2 ) 20% (SnO 2 ) 80% , where 20% is the mass fraction of SiO 2 and 80% is the mass fraction of the SnO 2 component by applying an orthosilicic acid sol containing tin hydroxide, on a silicon substrate, on the surface of which a
Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности при близкой к комнатной температуре (25-50ºС) за счет применения в качестве газочувствительного слоя наноструктуры со сверхразвитой поверхностью.The technical result of the invention is to increase the sensitivity at close to room temperature (25-50 ° C) due to the use of a nanostructure with a super-developed surface as a gas-sensitive layer.
Это достигается тем, что в известном способе изготовления газового сенсора с наноструктурой, заключающемся в том, что образуют гетероструктуру из различных материалов, в которой формируют газочувствительный слой, после чего ее закрепляют в корпусе сенсора, а контактные площадки соединяют с выводами корпуса при помощи контактных проводников, в соответствии с предлагаемым изобретением газочувствительный слой формируют в виде наноструктуры со сверхразвитой поверхностью. Для получения такого типа наноструктуры применяется двухстадийный химический синтез, включающий формирование зародышевого слоя и последующий гидротермальный синтез. На первой стадии 60 mM нитрата цинка (Zn(NO3)2·6H2O) и гексаметилентетрамина C6H12N4(HMTA) растворяется в этаноле при ультразвуковом перемешивании в течение 15 минут. Полученный раствор наносится на подложку из окисленного монокристаллического кремния и центрифугируется в течение 60 секунд при скорости 3000 об/мин. Далее проводится отжиг в муфельной печи при 350ºС в течение 90 секунд. Процедуры нанесения и отжига повторяются 5 раз для формирования однородной тонкой пленки ZnO, представляющей собой зародышевый слой. На второй стадии методом гидротермального синтеза осуществляется формирование наностержней оксида цинка, образующих сверхразвитую поверхность. В качестве прекурсоров используется водный раствор 10 mM ацетата цинка (CH3COO)2Zn·2H2O и HMTA, в качестве стабилизатора применяется цетилтриметиламмоний бромид (СТАВ). Синтез осуществляется в термостате при температуре 85⁰С в течение 1 часа. Далее проводится промывка в дистиллированной воде и сушка на воздухе в течение 2 часов. Серебряные контактные площадки к наноструктуре со сверхразвитой поверхностью формируется методом термического испарения в вакууме.This is achieved by the fact that in a known method of manufacturing a gas sensor with a nanostructure, which consists in forming a heterostructure of various materials in which a gas-sensitive layer is formed, after which it is fixed in the sensor case, and the contact pads are connected to the terminals of the case using contact conductors In accordance with the invention, the gas-sensitive layer is formed in the form of a nanostructure with a superdeveloped surface. To obtain this type of nanostructure, two-stage chemical synthesis is applied, including the formation of the germinal layer and the subsequent hydrothermal synthesis. In the first stage, 60 mM zinc nitrate (Zn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O) and hexamethylenetetramine C 6 H 12 N 4 (HMTA) are dissolved in ethanol with ultrasonic stirring for 15 minutes. The resulting solution is applied to a substrate of oxidized monocrystalline silicon and centrifuged for 60 seconds at a speed of 3000 rpm. Next is annealing in a muffle furnace at 350ºС for 90 seconds. The deposition and annealing procedures are repeated 5 times to form a homogeneous thin ZnO film, which represents the germinal layer. At the second stage, the method of hydrothermal synthesis is the formation of zinc oxide nanorods, forming a superdeveloped surface. An aqueous solution of 10 mM zinc acetate (CH 3 COO) 2 Zn · 2H 2 O and HMTA is used as precursors, and cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) is used as a stabilizer. The synthesis is carried out in a thermostat at a temperature of 85 ° C for 1 hour. Next is washing in distilled water and drying in air for 2 hours. Silver pads to the nanostructure with a superdeveloped surface is formed by the method of thermal evaporation in vacuum.
На фиг. 1 представлены данные растровой электронной микроскопии газочувствительного слоя, выполненного в виде наноструктуры со сверхразвитой поверхностью. Изображения получены при увеличении в 25000 (фиг. 1 а) и 100000 (фиг. 1 б) раз. Анализ полученных изображений показывает, что в процессе двухстадийного химического синтеза формируются структурно совершенные ограненные наностержни оксида цинка длиной от 0,5 мкм до 1,5 мкм и шириной от 10 нм до 80 нм, достаточно плотно покрывающие всю поверхность подложки. Высокая концентрация наностержней оксида цинка на единицу площади поверхности наноструктуры (фиг.1 б) позволяет рассматривать ее в качестве сверхразвитой. FIG. Figure 1 shows the data of scanning electron microscopy of a gas-sensitive layer made in the form of a nanostructure with a superdeveloped surface. The images were obtained with an increase of 25,000 (Fig. 1 a) and 100,000 (Fig. 1 b) times. Analysis of the images obtained shows that in the process of two-stage chemical synthesis, structurally perfect faceted zinc oxide nanorods are formed with a length from 0.5 μm to 1.5 μm and a width from 10 nm to 80 nm, which tightly cover the entire surface of the substrate. The high concentration of zinc oxide nanorods per unit surface area of the nanostructure (figure 1b) allows us to consider it as superdeveloped.
На фиг. 2 показана конструкция газового сенсора, который изготавливается по предлагаемому способу. Он содержит корпус 1, гетероструктуру 2 (из тонких плёнок материалов), в которой сформирован газочувствительный слой 3 (наноструктура со сверхразвитой поверхностью из оксида цинка), контактные площадки 4, контактные проводники 5, выводы корпуса 6, штуцер 7 (обеспечивает контакт с анализируемым газом-восстановителем или окислителем), изоляторы 8, подложку 9 и основание 10 (для крепления гетероструктуры). FIG. 2 shows the design of the gas sensor, which is manufactured by the proposed method. It contains
Газовый сенсор работает следующим образом. Газочувствительный слой 3 при помощи выводов корпуса 6 включают в мостовую измерительную цепь (мост) в качестве одного из её плеч, с помощью подстроечного резистора (на рисунке не показан), мост балансируют (показания измерительного прибора устанавливают на нуль в условиях отсутствия газа). Взаимодействие газа с газочувствительным слоем приводит к изменению его электропроводности в ходе происходящих на поверхности химических превращений, например взаимодействия детектируемого газа с хемосорбированным кислородом. Так как газочувствительный слой 3 включают в мостовую измерительную цепь, то с изменением концентрации газа происходит её разбаланс, который является функцией концентрации.Gas sensor works as follows. The gas
На фиг. 3 представлена временные зависимости изменения сопротивления газочувствительного слоя, сформированного в виде тонкой нитевидной наноструктуры (SiO2)20%(SnO2)80%, где 20% - массовая доля SiO2, а 80% - массовая доля компонента SnO2 (фиг. 3 а) и в виде наноструктуры на основе оксида цинка со сверхразвитой поверхностью (фиг. 3 б). Зависимости отвечают воздействию газа-восстановителя (паров этанола с концентрацией 1000 ppm). Моменты времени подачи потока газа и начала восстановления (окончание подачи газа и продувка воздухом) обозначены соответствующими стрелками. FIG. Figure 3 shows the time dependences of the change in resistance of the gas-sensitive layer formed as a thin filamentary nanostructure (SiO 2 ) 20% (SnO 2 ) 80% , where 20% is the mass fraction of SiO 2 and 80% is the mass fraction of the SnO 2 component (Fig. 3 a) and in the form of a nanostructure based on zinc oxide with a superdeveloped surface (Fig. 3 b). Dependencies respond to a reducing gas (ethanol vapor with a concentration of 1000 ppm). The times of gas flow and the start of recovery (end of gas supply and air blowing) are indicated by the corresponding arrows.
Анализ представленных зависимостей показывает, что сопротивление газочувствительного слоя, сформированного в виде тонкой нитевидной наноструктуры (SiO2)20%(SnO2)80%, уменьшается при воздействии газа-восстановителя (фиг. 3 а). В основе механизма газочувствительности такой наноструктуры лежат процессы взаимодействия газа-анализатора и кислорода хемосорбированного на поверхности в различных заряженных формах. Хемосорбированный кислород создает обедненный слой около перемычек зерен, образующих проводящие нити, следовательно, такая структура на воздухе имеет высокое сопротивление (R). При воздействии газов восстановителей (паров этанола) в течение определенного времени (t) происходят различные химические реакции, в том числе связывание хемосорбированного кислорода, в результате чего обеднение исчезает, и сопротивление (R) значительно уменьшается.The analysis of the presented dependences shows that the resistance of the gas-sensitive layer, formed in the form of a thin filamentary nanostructure (SiO 2 ) 20% (SnO 2 ) 80% , decreases when exposed to a reducing gas (Fig. 3 a). The basis of the gas sensitivity mechanism of such a nanostructure is the interaction of the gas analyzer and oxygen chemisorbed on the surface in various charged forms. Chemisorbed oxygen creates a depleted layer near the lintels of the grains that form the conductive filaments; therefore, such a structure in air has a high resistance (R). When exposed to reducing gases (ethanol vapor) for a certain time (t), various chemical reactions occur, including the binding of chemisorbed oxygen, as a result of which the depletion disappears and the resistance (R) decreases significantly.
Сопротивление газочувствительного слоя, сформированного в виде наноструктуры со сверхразвитой поверхностью на основе оксида цинка, увеличивается при воздействии газа-восстановителя (фиг. 3 б). Достоверно установлено, что взаимодействие паров этанола с нанокристаллическими оксидами n-типа проводимости, включая оксид цинка и диоксид олова, приводит к уменьшению их сопротивления, т.е. молекулы газа проявляют свойства восстановителя [9]. Однако восстановительные свойства этанола проявляются при совместной химической адсорбции с кислородом воздуха, концентрация которого на несколько порядков превышает концентрацию газа-восстановителя как в исследуемой атмосфере, так и на поверхности оксида. При некоторой критически низкой концентрации кислорода энергия адатома газа-восстановителя может оказаться ниже энергии Ферми и при этом газ-восстановитель теряет свои восстановительные свойства и становится окислителем. Такая ситуация характерна для газочувствительного слоя, сформированного в виде наноструктуры со сверхразвитой поверхностью на основе оксида цинка, следствием чего является рост сопротивления после воздействия потока газа (фиг. 3 б).The resistance of a gas-sensitive layer formed in the form of a nanostructure with a superdeveloped surface based on zinc oxide increases when exposed to a reducing gas (Fig. 3b). It has been reliably established that the interaction of ethanol vapor with n-type nanocrystalline oxides, including zinc oxide and tin dioxide, leads to a decrease in their resistance, i.e. gas molecules exhibit the properties of a reducing agent [9]. However, the reducing properties of ethanol are manifested during joint chemical adsorption of air with oxygen, the concentration of which is several orders of magnitude higher than the concentration of the reducing gas both in the atmosphere under study and on the oxide surface. At a certain critically low oxygen concentration, the energy of the adatom of the reducing gas may be lower than the Fermi energy, and at the same time the reducing gas loses its reducing properties and becomes an oxidizing agent. This situation is characteristic of a gas-sensitive layer formed in the form of a nanostructure with a superdeveloped surface based on zinc oxide, resulting in an increase in resistance after exposure to a gas stream (Fig. 3b).
При этом величина сенсорного отклика S для газочувствительного слоя, сформированного в виде наноструктуры со сверхразвитой поверхностью на основе ZnO, значительно превосходит величину сенсорного отклика для газочувствительного слоя, сформированного в виде тонкой нитевидной наноструктуры (SiO2)20%(SnO2)80%. The value of the sensory response S for a gas-sensitive layer formed in the form of a nanostructure with a superdeveloped surface based on ZnO is much higher than the value of the sensory response for a gas-sensitive layer formed in the form of a thin filamentary nanostructure (SiO 2 ) 20% (SnO 2 ) 80% .
Расчет величины сенсорного отклика проводится в соответствии с формулой 
Величина S=0.92 для нитевидной наноструктуры (SiO2)20%(SnO2)80% в 5,1 раза меньше величины S=4.69 для наноструктуры со сверхразвитой поверхностью, что подтверждает факт повышения газочувствительности при близкой к комнатной температуре по сравнению с известным решением [8].S = 0.92 for filamentous nanostructures (SiO 2 ) 20% (SnO 2 ) 80% is 5.1 times less than S = 4.69 for nanostructures with a superdeveloped surface, which confirms the fact that the gas sensitivity increases at close to room temperature compared with the known solution [eight].
Предлагаемый способ изготовления газового сенсора с наноструктурой со сверхразвитой поверхностью может найти широкой применение при производстве измерительной аппаратуры, например, при изготовлении мультисенсорных систем, предназначенных для детектирование низких и сверхнизких концентраций газов при близкой к комнатной температуре.The proposed method of manufacturing a gas sensor with a nanostructure with a superdeveloped surface can be widely used in the manufacture of measuring equipment, for example, in the manufacture of multi-touch systems designed to detect low and ultra-low gas concentrations at close to room temperature.
Список использованных источниковList of used sources
1. Кривецкий В.В., Румянцева М.Н., Гаськов А.М. Химическая модификация нано- кристаллического диоксида олова для селективных газовых сенсоров // Успехи химии. 2013. – Т. 82. - № 10. – С. 917-941.1. Krivetsky V.V., Rumyantseva M.N., Gaskov A.M. Chemical modification of nanocrystalline tin dioxide for selective gas sensors. Uspekhi khimii. 2013. - T. 82. -
2. Dimitrov D.Tz., Nikolaev N.K., Papazova K.I., Krasteva L.K. Pronin I.A. Averin I.A., Bojinova A.S., Georgieva A.Ts. Yakushova N.D., Peshkova T.V., Karmanov A.A., Kaneva N.V., Moshnikov V.A. Investigation of the electrical and ethanol-vapour sensing properties of the junctions based on ZnO nanostructured thin film doped with copper // Applied Surface Science. – 2017. – V. 392. – P. 95-108.2. Dimitrov D.Tz., Nikolaev N.K., Papazova K.I., Krasteva L.K. Pronin I.A. Averin I.A., Bojinova A.S., Georgieva A.Ts. Yakushova N.D., Peshkova T.V., Karmanov A.A., Kaneva N.V., Moshnikov V.A. ZnO nanostructured thin film doped with copper // Investigation of the electrical and ethanol-vapor sensing properties. Applied Surface Science. - 2017. - V. 392. - p. 95-108.
3. Патент РФ № 2537466 G01N 27/12, B82Y 40/00 Способ изготовления материала газового сенсора селективного детектирования H2S и его производных // Бюл. № 1 от 10.01.2015.3. RF Patent No. 2537466 G01N 27/12, B82Y 40/00. A method of manufacturing a gas sensor material for selective detection of H 2 S and its derivatives // Byul. № 1 dated 01/10/2015.
4. Патент РФ № 2371713 G01N 27/407, B82B 1/00 Сенсор детектирования водорода и способ его изготовления // Бюл. № 30 от 20.05.2009.4. RF Patent No. 2371713 G01N 27/407,
5. Патент РФ № 2614146 C01B 33/14, C01B 33/158, C01F 7/02, B82B 3/00 Способ получения нанопопристого материала для чувствительных элементов газовых сенсоров и нанопористый материал, полученный этим способом.5. RF Patent No. 2614146 C01B 33/14, C01B 33/158,
6. Патент РФ № 2544272 G01N 27/00, B82B 1/00 Способ изготовления материала газового сенсора для детектирования монооксида углерода CO без нагревателя // Бюл. № 36 от 27.12.2014.6. RF Patent No. 2544272 G01N 27/00,
7. Патент РФ № 2509302 G01N 27/12, B82Y 30/00 Способ получения газочувствительного материала на основе оксида цинка к парам ацетона // Бюл. № 7 от 10.03.2014.7. Patent of the Russian Federation No. 2509302 G01N 27/12, B82Y 30/00. A method of obtaining a gas-sensitive material based on zinc oxide to acetone pairs // Bul. № 7 dated 03.10.2014
8. Патент РФ № 2532428 G01B 27/12, B82B 3/00 Способ изготовления газового сенсора с наноструктурой и газовый сенсор на его основе // Бюл. № 31 от 10.11.2014.8. RF Patent No. 2532428 G01B 27/12,
9. Сафонова O.B., Румянцева M.H., Козлов P.M., Лабо M., Гаськов A.M. Исследование взаимодействия тонких пленок нанокристаллического SnO2 с газами восстановителями // Журнал прикладной химии. – 2000. – т. 73. С. 557-564.9. Safonov OB, Rumyantsev MH, Kozlov PM, Labo M., Gaskov AM Study of the interaction of thin films of nanocrystalline SnO 2 with reducing gases // Journal of Applied Chemistry. - 2000. - t. 73. p. 557-564.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018135479A RU2687869C1 (en) | 2018-10-09 | 2018-10-09 | Method of producing a gas sensor with a nanostructure with a super-developed surface and a gas sensor based thereon |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018135479A RU2687869C1 (en) | 2018-10-09 | 2018-10-09 | Method of producing a gas sensor with a nanostructure with a super-developed surface and a gas sensor based thereon |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2687869C1 true RU2687869C1 (en) | 2019-05-16 |
Family
ID=66579019
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018135479A RU2687869C1 (en) | 2018-10-09 | 2018-10-09 | Method of producing a gas sensor with a nanostructure with a super-developed surface and a gas sensor based thereon |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2687869C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2718710C1 (en) * | 2019-10-02 | 2020-04-14 | Игорь Александрович Аверин | Method of making gas sensor based on mechanically activated powder of zinc oxide and gas sensor based on it |
| RU2732800C1 (en) * | 2019-08-13 | 2020-09-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Method of producing gas-analytical multi-sensor chip based on zinc oxide nanorods |
| RU209984U1 (en) * | 2021-09-23 | 2022-03-24 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Новосибирский Государственный Технический Университет» | CHEMORESISTIVE GAS SENSOR |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090188695A1 (en) * | 2004-04-20 | 2009-07-30 | Koninklijke Phillips Electronics N.V. | Nanostructures and method for making such nanostructures |
| RU133312U1 (en) * | 2013-04-09 | 2013-10-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | GAS SENSOR BASED ON HYBRID NANOMATERIALS |
| RU2532428C1 (en) * | 2013-07-16 | 2014-11-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет") | Manufacturing method of gas sensor with nanostructure, and gas sensor on its basis |
| RU2655651C1 (en) * | 2017-07-12 | 2018-05-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "Пензенский государственный университет") | Method of producing nanolithographic drawings with a crystalline structure with a super-developed surface |
-
2018
- 2018-10-09 RU RU2018135479A patent/RU2687869C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090188695A1 (en) * | 2004-04-20 | 2009-07-30 | Koninklijke Phillips Electronics N.V. | Nanostructures and method for making such nanostructures |
| RU133312U1 (en) * | 2013-04-09 | 2013-10-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | GAS SENSOR BASED ON HYBRID NANOMATERIALS |
| RU2532428C1 (en) * | 2013-07-16 | 2014-11-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет") | Manufacturing method of gas sensor with nanostructure, and gas sensor on its basis |
| RU2655651C1 (en) * | 2017-07-12 | 2018-05-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "Пензенский государственный университет") | Method of producing nanolithographic drawings with a crystalline structure with a super-developed surface |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| А.А. Бобков, А.И. Максимов, В.А. Мошников, П.А. Сомов, Е.И. Теруков. Наноструктурированные материалы на основе оксида цинка для гетероструктурных солнечных элементов, Физика и техника полупроводников, том. 49, вып. 10, 2015. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2732800C1 (en) * | 2019-08-13 | 2020-09-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Method of producing gas-analytical multi-sensor chip based on zinc oxide nanorods |
| RU2718710C1 (en) * | 2019-10-02 | 2020-04-14 | Игорь Александрович Аверин | Method of making gas sensor based on mechanically activated powder of zinc oxide and gas sensor based on it |
| RU209984U1 (en) * | 2021-09-23 | 2022-03-24 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Новосибирский Государственный Технический Университет» | CHEMORESISTIVE GAS SENSOR |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chen et al. | In-situ growth of ZnO nanowire arrays on the sensing electrode via a facile hydrothermal route for high-performance NO2 sensor | |
| RU2687869C1 (en) | Method of producing a gas sensor with a nanostructure with a super-developed surface and a gas sensor based thereon | |
| Kadhim et al. | Hydrogen gas sensor based on nanocrystalline SnO 2 thin film grown on bare Si substrates | |
| Abdullah et al. | High performance room temperature GaN-nanowires hydrogen gas sensor fabricated by chemical vapor deposition (CVD) technique | |
| Bochenkov et al. | Sensitivity, selectivity, and stability of gas-sensitive metal-oxide nanostructures | |
| Jaiswal et al. | Low-temperature highly selective and sensitive NO2 gas sensors using CdTe-functionalized ZnO filled porous Si hybrid hierarchical nanostructured thin films | |
| Haidry et al. | Characterization and hydrogen gas sensing properties of TiO2 thin films prepared by sol–gel method | |
| Punetha et al. | Sensitivity enhancement of ammonia gas sensor based on hydrothermally synthesized rGO/WO 3 nanocomposites | |
| Liu et al. | Acetone detection properties of single crystalline tungsten oxide plates synthesized by hydrothermal method using cetyltrimethyl ammonium bromide supermolecular template | |
| Gonzalez-Chavarri et al. | ZnO nanoneedles grown on chip for selective NO2 detection indoors | |
| Banerjee et al. | High dynamic range methanol sensor based on aligned ZnO nanorods | |
| Bochenkov et al. | Preparation and chemiresistive properties of nanostructured materials | |
| US9739738B2 (en) | Gas sensor element | |
| KR101471160B1 (en) | metal Oxide nanowire comprising bimetallic nanoparticles on the surface and the preparing method thereof | |
| KR102031480B1 (en) | Zinc oxide quantumdot based gas detecting sensor and method for manufacturing the same and gas detecting system comprising the same | |
| Huh et al. | Highly sensitive hydrogen detection of catalyst-free ZnO nanorod networks suspended by lithography-assisted growth | |
| Mokoena et al. | Fabrication of a propanol gas sensor using p-type nickel oxide nanostructures: The effect of ramping rate towards luminescence and gas sensing characteristics | |
| Kadhim et al. | Room temperature hydrogen gas sensor based on nanocrystalline SnO 2 thin film using sol–gel spin coating technique | |
| Pilliadugula et al. | Effect of pH dependent morphology on room temperature NH3 sensing performances of β-Ga2O3 | |
| Li et al. | Ultrasensitive NO2 gas sensors based on layered α‐MoO3 nanoribbons | |
| Kabitakis et al. | A Low‐Power CuSCN Hydrogen Sensor Operating Reversibly at Room Temperature | |
| Waqas Alam et al. | Synthesis and characterization of Cu-SnO2 nanoparticles deposited on glass using ultrasonic spray pyrolysis and their H2S sensing properties | |
| KR102097051B1 (en) | Gas Detection Complex, Method for Manufacturing the Complex, Gas Sensor Including the Complex and Method for Manufacturing the Sensor | |
| Mathankumar et al. | Enhanced selectivity and ultra-fast detection of NO2 gas sensor via Ag modified WO3 nanostructures for gas sensing applications | |
| KR100989611B1 (en) | Highly sensitive and fast responding oxide semiconductor-type gas sensor using hierarchical structure and fabrication method thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201010 |