Проект исследователей Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» позволит проводить экологический мониторинг состояния атмосферы и медицинской диагностикой на основе анализа состава выдыхаемого воздуха.
В ЛЭТИ усовершенствовали газовые сенсоры и фотокатализаторы / ©Getty images
Сегодня большой интерес, в первую очередь, в области экологии и медицины, представляют адсорбционные полупроводниковые сенсоры. По сравнению с другими типами сенсоров их главными преимуществами являются низкая стоимость и простота изготовления. Однако их практическое применение часто ограничено недостаточной чувствительностью, селективностью, высокими рабочими температурами. В ряде случаев оксиды сложного состава и различные композитные материалы на их основе проявляют лучшие газочувствительные свойства по сравнению с их составляющими, а также работоспособны при более низких температурах.
Улучшением характеристик разработки занялась команда ученых в составе ассистента кафедры микро- и нанотехнологий Антона Бобкова, студентов кафедры МНЭ Алены Гагариной и Дмитрия Радайкина под руководством ассистента, кандидата физико-математических наук Светланы Налимовой. Результат достигается за счет использования эффектов взаимодействия компонентов структур сложного состава, в частности на основе наноструктур пористого кремния и оксида цинка. Эти объекты имеют большую площадь активной поверхности, необходимой для взаимодействия с целевыми газами.
Разработка представляет собой подложку со композитным слоем пористого кремния и наноструктур оксида цинка. Необходимые рабочие температуры достигаются за счет нагревательного элемента, расположенного снизу. Электрический контакт обеспечивается напыленными электродами.
В основе работы полупроводниковых газовых сенсоров лежат химические реакции сенсорного слоя с молекулами газов, приводящие к изменению сопротивления. Для этого нужно, чтобы поверхность слоя была очень большой, тогда и изменение сопротивления будет больше. «Основными сферами применения разработки являются экологический мониторинг состояния атмосферы и медицинская диагностика на основе анализа состава выдыхаемого воздуха.
Безусловно, аналогичные по характеристикам решения описаны в литературе, однако зачастую они требуют более сложных методов синтеза. Например, в статье «Пористые гетероструктуры нанопроволок Si/SnO2 для зондирования газа H2S» разработан сенсор на основе гетероструктур пористого кремния и наностержней диоксида олова, позволяющий детектировать H2S при температуре 100 градусов. Для получения сенсорного слоя применялся в том числе метод роста по механизму «пар-жидкость-кристалл» при 900 градусах.
В работе «Низкотемпературные высокоселективные и чувствительные газовые датчики NO2 с использованием CdTe-функционализированных ZnO-заполненных пористых Si-гибридных иерархических наноструктурированных тонких пленок» гибридные наноструктуры «пористый кремний — оксид цинка — квантовые точки теллурида кадмия» были использованы для создания сенсора для детектирования NO2 при температуре 90 градусов. Для нанесения слоев оксида цинка и квантовых точек использовалось магнетронное распыление», — рассказала доцент кафедры МНЭ СПБГЭТУ «ЛЭТИ» Светлана Налимова.
В будущем будет проводиться оптимизация характеристик по требованиям конкретных областей применения. Дальнейшие этапы зависят от результатов, полученных при испытании сенсорных структур. Разработка ведется в научной группе профессора кафедры микро- и наноэлектроники Вячеслава Мошникова непосредственно на кафедре. Работа поддержана грантом конкурса научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических проектов СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Проект получил финансирование на реализацию в размере 800 тысяч рублей.
