20 06 2025
Ученые химического ифизического факультета МГУ показали, что стабильность полупроводниковых газовыхсенсоров можно увеличить за счет замены собственных дефектов в кристаллическойструктуре оксидов металлов на примесные. Данная концепция расширяет возможностисоздания сенсорных материалов с длительным временем устойчивой работы. Работа опубликована вжурнале Sensors and Actuators B: Chemical и поддержанагрантом РНФ № 22-19-00703.
Полупроводниковые газовыесенсоры – миниатюрные, недорогие и высокочувствительные устройства, которыемогут быть использованы для детектирования газов в различных практических задачах:от медицинской диагностики до мониторинга атмосферного воздуха. Стабильныйотклик сенсоров при длительной работе – ключевое требование для их применения всистемах машинного обоняния, также известных как "электронный нос".
"Чувствительные материалы (внашем случае – оксиды металлов) в газовых сенсорах обычно находятся внаноразмерном состоянии, – рассказал руководитель работы, старший научныйсотрудник кафедры неорганической химии химического факультета МГУ, к.х.н. Валерий Кривецкий. – Этоделает их высокочувствительными к протекающим на поверхности процессам, ккоторым относится взаимодействие с компонентами воздуха. Подобные системы неустойчивыпри высоких температурах – кристаллиты могут агломерировать и сливатьсявоедино, что до последнего времени считалось основной причиной изменениясенсорных свойств со временем".
Для исследования причин,приводящих к постепенному снижению газочувствительных свойств, ученыенепрерывно тестировали сенсоры более месяца, а также искусственно состаривалипорошки сенсорных материалов в условиях, имитирующих сенсорный эксперимент.Применение высокочувствительного метода анализа – электронного парамагнитногорезонанса – позволило обнаружить изменения в состаренных материалах.
"Мы увидели, что существенныйвклад в медленный дрейф сенсорных свойств вносит процесс, ранее практически необсуждавшийся в этом ключе – "исправление" дефектов кристаллической структуры,– пояснил Валерий Кривецкий. – В основном это вакансии кислорода – пустыепозиции в кристаллической решетке, которые в нормальном состоянии занимаютатомы кислорода. Такие вакансии образуются самопроизвольно в ходе синтеза материалаи во многом определяют концентрацию свободных электронов – носителей заряда,отвечающих за полупроводниковые свойства. В ходе работы материала при высокихтемпературах происходит постепенное заполнение кислородных вакансий за счеткислорода воздуха".
Вызванный уменьшениемкислородных вакансий дрейф сенсорных свойств может продолжаться более месяца,что существенным образом ограничивает возможности по калибровке сенсора илиприменению более сложных моделей машинного обучения. Из-за изменения свойстваматериала снижается качество анализа при определении типов или концентрацийгазов и их смесей.
"Для компенсации обнаруженногоэффекта мы внедрили в структуру оксида искусственно созданные кислородные вакансииза счет добавления примеси, захватывающей электроны, – объяснила аспиранткакафедры неорганической химии, первый автор исследования Алина Сагитова. – Чтобытакая замена не привела к утрате свободных носителей заряда и, соответственно, полупроводниковыхсвойств, мы дополнительно ввели в систему необходимое количество примеси сизбытком электронов (по отношению к решетке). Суммарно этот подход можнопредставить как замену собственных носителей заряда на генерируемые примесью".
Модифицированные сенсоры вдвоемедленнее теряли сенсорный отклик в длительных измерениях по сравнению снемодифицированным полупроводником. Поэтому рекомендованный авторами подходможно использовать для создания газочувствительных материалов с улучшеннымиэксплуатационными характеристиками.