Коллектив учёных Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского разработал новые чувствительные элементы мультисенсорных чипов, способных детектировать атомы инертных газов. Устройство не имеет аналогов. Исследователи готовят заявку на оформление патента на изобретение.
наверх
28.10.2024 / 14:20
Текст:
Альфия Тимошенко
Фото:
Личный архив О.Е. Глуховой
Люди различают запахи, улавливая и анализируя молекулы различных химических веществ. Однако инертные газы, такие как гелий (He), неон (Ne) и аргон (Ar), не имеют ни запаха, ни цвета, поэтому их обнаружение без специальных приборов невозможно. Для этого используют электронные устройства, способные практически мгновенно определить химический состав вещества в воздухе. Устройства называются газовыми сенсорами. Принцип их работы заключается в обмене зарядов между поверхностью прибора (диоксидом олова – SnO2) и анализируемым веществом, которым в данном случае являются инертные газы. Обычно атомы инертных газов неохотно вступают в химические реакции. И ранее это считалось серьёзным препятствием для их обнаружения. Однако новые квантово-механические расчёты саратовских учёных показали, что детектирование инертных газов возможно. И с помощью этих расчётов учёные разработали сенсор на основе наноплёнок оксида олова, который способен обнаруживать те самые гелий, неон и аргон.
Нами было установлено, что нанокристаллические плёнки диоксида олова служат высокоэффективными детектирующими элементами для обнаружения низкоэнергетических ионов инертных газов. Квантово-механические расчёты показали, что приближение ионов инертных газов к поверхности диоксида олова приводит к перераспределению поверхностного заряда и плотности электронных состояний, аналогичного известному эффекту хемосорбции восстановительных газов. Важно, что ионы различных инертных газов дают различные модификации энергетических спектров, характерные для их воздействия.
Получается, что полупроводниковые оксиды металлов, которые отличаются высокой селективностью и детектированием даже низких концентраций молекул анализируемого вещества в воздухе при разной температуре, наиболее перспективны среди применяемых для мультисенсоров наноматераилов. При этом оксиды многих металлов характеризуются заметным изменением электронной структуры и электрофизических свойств при трансфере заряда между поверхностью и молекулами газов. Наноматериалы с низкоразмерной архитектурой позволяют детектировать не только нейтральные молекулы, но и заряженные частицы, такие как ионы. Новейшие экспериментальные исследования показывают, что именно тонкие квази-2D-плёнки диоксида олова наиболее перспективны для создания современных мультисенсорных чипов. Эти наноматериалы способны дать в цифровом виде любую информацию об адсорбированных частицах на поверхности, включая даже ионизированные молекулы. И они служат поверхностью газового сенсора.
Коллективом СГУ впервые в мире исследованы возможности детектирования молекул благородных (инертных) газов при их малых концентрациях в широком диапазоне значений температуры (до 400 °С).
Суть раскрытого механизма детектирования положительных ионов гелия, неона и аргона заключается в том, что ион, подлетая к поверхности оксида олова, забирает один недостающий электрон. При этом он выбивает один поверхностный атом кислорода, тем самым меняя электрическое сопротивление плёнки. Это изменение и является хеморезистивным откликом, по величине которого определяется факт контакта поверхности плёнки с инертными газами и вид инертного газа.
Прогностическое квантовое моделирование и экспериментальные исследования показали, что хеморезистивный отклик, как отношение разности сопротивлений плёнки с молекулами газа/без них и сопротивления чистой плёнки без молекул, составляет приблизительно 30–40%, что позволяет чётко детектировать контакт с молекулами.
Инертные газы широко применяются в различных сферах. В пищевой промышленности – как пассивные консерванты для упаковки продуктов, предотвращая их порчу. В архивах и музеях – помогают сохранять исторические документы, защищая их от окисления и других повреждений. В химической промышленности – создают безопасную среду для проведения реакций, минимизируя риск возгорания и нежелательных реакций. Учёные убеждены, что датчик на основе наноплёнок диоксида олова станет незаменимым инструментом для обнаружения утечек инертных газов. Это повысит эффективность и безопасность в областях их применения, обеспечивая надёжный контроль и предотвращая возможные утечки. Результаты исследования можно масштабировать и применять в самых разных областях.
Следующим этапом развития темы поиска новых сверхчувствительных элементов сенсорики будет исследование хеморезистивного отклика тонких плёнок диоксида олова на молекулы легко воспламеняющихся и токсичных газов.
Исследование поддержано грантом Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (№ 075-15-2022-1230) и согласуется со стратегическими проектами СГУ в рамках федеральной программы «Приоритет-2030» национального проекта «Наука и университеты».