Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов
Основан в 2009 году

Улучшение сенсорных характеристик бинарных и тройных оксидных наносистем

З.В. Шомахов1, С.С. Налимова2, А.А. Рыбина2, С.С. Бузовкин2, З.Х. Калажоков1, В.А. Мошников2

1 ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»
2 ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»

DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.879

Оригинальная статья

Аннотация: В настоящее время адсорбционные газовые сенсоры представляют большой интерес для мониторинга состояния окружающей среды. Среди подходов к улучшению их свойств выделяют синтез наноструктурированных материалов различной формы и модифицирование химического состава оксидов металлов. Целью этой работы является разработка способов улучшения сенсорных свойств наностержней оксида цинка за счет изменения структуры поверхности при обработке в растворах соединений олова и железа, а также добавлении дополнительных прекурсоров непосредственно при их синтезе. Слои, состоящие из наностержней оксида цинка, получены гидротермальным методом. На их основе синтезированы тройные оксидные наносистемы Zn-Sn-O и Zn-Fe-O при обработке наностержней оксида цинка в растворах, содержащих станнат калия и сульфат железа, соответственно. Также наностержни были получены синтезом из раствора, содержащего, помимо основных прекурсоров, бромид натрия. Химический состав поверхности проанализирован с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Сенсорные свойства исследованы при детектировании паров ацетона, изопропанола и метанола. Показано, что сенсорный отклик полученных образцов превышает отклик исходных наностержней оксида цинка. Наилучшим откликом обладают образцы тройной оксидной системы Zn-Sn-O. Улучшение сенсорного отклика может быть связано с увеличением содержания адсорбированных ионов кислорода на поверхности образцов, наличием катионов металлов с разными свойствами, а также образованием гетеропереходов.

Ключевые слова: газовые сенсоры, оксиды металлов, наноматериалы, оксид цинка, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, адсорбционные центры

  • Шомахов Замир Валериевич – к.ф.-м.н., доцент кафедры электроники и информационных технологий , ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»
  • Налимова Светлана Сергеевна – к.ф.-м.н., доцент кафедры микро- и наноэлектроники, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
  • Рыбина Арина Алексеевна – студент 4 курса кафедры микро- и наноэлектроники, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
  • Бузовкин Сергей Сергеевич – студент 4 курса кафедры микро- и наноэлектроники, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
  • Калажоков Замир Хамидбиевич – к.ф.-м.н., доцент кафедры физики наносистем, ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»
  • Мошников Вячеслав Алексеевич – д.ф.-м.н., профессор кафедры микро- и наноэлектроники, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»

Ссылка на статью:

Шомахов, З.В. Улучшение сенсорных характеристик бинарных и тройных оксидных наносистем / З.В. Шомахов, С.С. Налимова, А.А. Рыбина, С.С. Бузовкин, З.Х. Калажоков, В.А. Мошников // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2023. — Вып. 15. — С. 879-887. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.879.

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Wang, C. Review of recent progress on graphene-based composite gas sensors / C. Wang, Y. Wang, Z. Yang, N. Hu // Ceramics International. – 2021. – V. 47. – I. 12. – P. 16367-16384. DOI: 10.1016/j.ceramint.2021.02.144.
2. Moshnikov, V.A. Hierarchical nanostructured semiconductor porous materials for gas sensors / V.A. Moshnikov, I.E. Gracheva, V.V. Kuznezov et al. // Journal of Non-Crystalline Solids. – 2010. – V. 356. – I. 37-40. – P. 2020-2025. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2010.06.030.
3. Мошников, В.А. Золь-гель технология микро- и нанокомпозитов / В.А. Мошников, Ю.М. Таиров, Т.В. Хамова, О.А. Шилова. – СПб: Лань, 2013. – 304 с.
4. Налимова, С.С. Управление функциональным составом поверхности и улучшение газочувствительных свойств металлооксидных сенсоров посредством электронно-лучевой обработки / С.С. Налимова, С.В. Мякин, В.А. Мошников // Физика и химия стекла. – 2016. – Т. 42. – № 6. – С. 773-780.
5. Cao, S. TiO2 nanostructures with different crystal phases for sensitive acetone gas sensors / S. Cao, N. Sui, P. Zhang et al. // Journal of Colloid and Interface Science. – 2022. – V. 607. – Part 1. – P. 357-366. DOI: 10.1016/j.jcis.2021.08.215.
6. Nalimova, S.S. Investigation of the vapor-sensitive properties of zinc oxide layers by impedance spectroscopy / S.S. Nalimova, I.E. Kononova, V.A. Moshnikov et al. // Bulgarian Chemical Communications. – 2017. – V. 49. – № 1. – P. 121-126.
7. Bobkov, A.A. Study of gas-sensitive properties of zinc oxide nanorod array at room temperature / A.A. Bobkov, D.S. Mazing, A.A. Ryabko et al. // Proceedings of the 2018 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics, 22-23 October 2018, Saint Petersburg. – 2018. – P. 219-221. DOI: 10.1109/EExPolytech.2018.8564407.
8. Lei, Z. Pt-doped α-Fe2O3 mesoporous microspheres with low-temperature ultra-sensitive properties for gas sensors in diabetes detection / Z. Lei, P. Cheng, Y. Wang et al. // Applied Surface Science. – 2023. – V. 607. – Art. № 154558. – 13 p. DOI: 10.1016/j.apsusc.2022.154558.
9. Tong, P.V. Porous In2O3 nanorods fabricated by hydrothermal method for an effective CO gas sensor / P.V. Tong, L.H. Minh, N.V. Duy, C.M. Hung // Materials Research Bulletin. – 2021. – V. 137. – Art. № 111179. – 9 p. DOI: 10.1016/j.materresbull.2020.111179.
10. Yang, X. One step synthesis of branched SnO2/ZnO heterostructures and their enhanced gas-sensing properties / X. Yang, S. Zhang, Q. Yu et al. // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2019. – V. 281. – P. 415-423. DOI: 10.1016/j.snb.2018.10.138.
11. Li, S. Metal-organic frameworks-derived bamboo-like CuO/In2O3 Heterostructure for high-performance H2S gas sensor with low operating temperature / S. Li, L. Xie, M. He et al. // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2020. – V. 310. – Art. № 127828. – 10 p. DOI: 10.1016/j.snb.2020.127828.
12. Wang, C. In-situ generated TiO2/α-Fe2O3 heterojunction arrays for batch manufacturing of conductometric acetone gas sensors / C. Wang, Y. Wang, P. Cheng et al. // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2021. – V. 340. – Art. № 129926. – 11 p. DOI: 10.1016/j.snb.2021.129926.
13. Ryabko, A.A. Investigation of the gas sensitivity of nanostructured layers based on zinc oxide nanorods under ultraviolet irradiation / A.A. Ryabko, S.S. Nalimova, A.I. Maximov, V.A. Moshnikov // Proceedings of the 2021 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, 26-29 January 2021, Saint Petersburg. – 2021. – P. 1180-1183. DOI: 10.1109/ElConRus51938.2021.9396166.
14. Налимова, С.С. Исследование формирования слоев станната цинка методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии / С.С. Налимова, З.В. Шомахов, В.А. Мошников и др. // Журнал технической физики. – 2020. – Т. 90. – № 7. – С. 1132-1135. DOI: 10.21883/JTF.2020.07.49447.276-19.
15. Aubekerov, K. Synthesis and study of gas sensitive ZnFe2O4-modified ZnO nanowires /K. Aubekerov, K.N. Punegova, S.S. Nalimova et al. // Journal of Physics: Conference Series. – 2022. – V. 2227. – Art. № 012014. – 4 p. DOI: 10.1088/1742-6596/2227/1/012014.
16. Налимова, С.С. Газочувствительные композитные наноструктуры на основе оксида цинка для детектирования паров органических растворителей / С.С. Налимова, З.В. Шомахов, К.В. Герасимова и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2022. – Вып. 14. – С. 678-687. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.678.
17. Шомахов, З.В. Наноструктуры станната цинка для газовых сенсоров с высоким быстродействием / З.В. Шомахов, С.С. Налимова, Б.З. Шурдумов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2022. – Вып. 14. – С. 726-735. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.726.
18. Nalimova, S. Sacrificial doping as an approach to controlling the energy properties of adsorption sites in gas-sensitive ZnO nanowires / S. Nalimova, Z. Shomakhov, A. Bobkov, V. Moshnikov // Micro. – 2023. – V. 3. – I. 2. – P. 591-601. DOI: 10.3390/micro3020040.
19. Aubekerov, K. Enhanced gas sensing performances of ZnO-based composite nanostructures / K. Aubekerov, A.M. Guketlov, A.Yu. Gagarina et al. // Proceedings of the 2022 Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, 25-28 January 2022, Saint Petersburg. – 2022. – P. 934-937. DOI: 10.1109/ElConRus54750.2022.9755838.
20. Shomakhov, Z.V. X-Ray photoelectron spectroscopy of the surface layers of faceted zinc-oxide nanorods / Z.V. Shomakhov, S.S. Nalimova, A.A. Bobkov, V.A. Moshnikov // Semiconductors. – 2022. – V. 56. – I. 13. – P. 450-454. DOI: 10.1134/S1063782622130097.
21. Налимова, С.С. Исследование влияния кислотно-основных свойств поверхности оксидов ZnO, Fe2O3 и ZnFe2O4 на их газочувствительность по отношению к парам этанола / С.С. Налимова, В.А. Мошников, А.И. Максимов, С.В. Мякин, Н.Е. Казанцева // Физика и техника полупроводников. ‒ 2013. ‒ Т. 47. ‒ № 8. ‒ С. 1022-1026.
22. Шомахов, З.В. Изменение энергетики поверхностных адсорбционных центров ZnO при легировании оловом / З.В. Шомахов, С.С, Налимова, В.М. Кондратьев и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2023. – № 8. – С. 58-63. DOI: 10.31857/S1028096023080137.
23. Wang, T. Construction of Zn2SnO4 decorated ZnO nanoparticles for sensing triethylamine with dramatically enhanced performance / X. Wang, Y. Wang, G. Yi et al. // Materials Science in Semiconductor Processing. – 2022. – V. 140. – Art. № 106403. – 8 p. DOI: 10.1016/j.mssp.2021.106403.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒