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

Покрытия из наностержней гетероструктуры ZnO/Zn2SnO4 для эффективного детектирования ацетона

К.Д. Буй1, С.С. Налимова1, З.В. Шомахов2, А.М. Гукетлов2, С.С. Бузовкин1, А.А. Рыбина1

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

DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.794

Оригинальная статья

Аннотация: Гетероструктура типа II ZnO/Zn2SnO4 была рассмотрена для применения в газовых сенсорах. Методом гидротермального синтеза на поверхности подложки BI2 с напыленными электрическими контактами (сенсорная платформа) были выращены наностержни ZnO с оболочкой Zn2SnO4. Были исследованы газочувствительные свойства к различным газам-аналитам (изопропанол, этанол и ацетон) с помощью комбинированной лабораторной установкой, позволяющей производить измерения отклика сопротивлений и спектроскопии электрического импеданса. При рабочейтемпературе 150°C образец показал оптимальную чувствительность к ацетону (1000 мд), отклик Ra/Rg достигал значения 11. Годограф импеданса, построенный по результатам измерений в присутствии паров ацетона, при рабочей температуре 200°C демонстрирует последовательные изменения. Эта рабочая температура показала более четкую оптимизацию по сравнению с другими исследованиями, где рабочая температура сенсора составляла от 300 до 450°C. Кроме того, была представлена энергетическая зонная диаграмма гетероструктуры ZnO/Zn2SnO4 и обсужден механизм детектирования ацетона. Структура наностержней ZnO/Zn2SnO4 обуславливает улучшенный отклик за счет хемосорбции кислорода на поверхности оболочек Zn2SnO4.

Ключевые слова: оксид цинка, ортостаннат цинка, гидротермальный метод, газовый сенсор, детектирование ацетона, ZnO/Zn2SnO4

  • Буй Конг Доан – аспирант 2 курса кафедры микро- и наноэлектроники, ФГАОУ ВО «Санкт- Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
  • 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)»
  • Шомахов Замир Валериевич – к.ф.-м.н., директор института искусственного интеллекта и цифровых технологий, Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова
  • Гукетлов Аслан Мухамедович – студент магистратуры 2 года обучения кафедры Электроники и цифровых информационных технологий, Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова
  • Бузовкин Сергей Сергеевич – студент 4 курса 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)»

Ссылка на статью:

Буй, К.Д. Покрытия из наностержней гетероструктуры ZnO/Zn2SnO4 для эффективного детектирования ацетона / К.Д. Буй, С.С. Налимова, З.В. Шомахов, А.М. Гукетлов, С.С. Бузовкин, А.А. Рыбина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 794-804. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.794.

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Al-Hardan, N.H. Conductometric gas sensing based on ZnO thin films: an impedance spectroscopy study / N.H. Al-Hardan, A.A. Aziz, M.J. Abdullah, N.M. Ahmed // ECS Journal of Solid State Science and Technology. – 2018. – V. 7. – № 9. – P. P487-P490. DOI: 10.1149/2.0201809jss.
2. Verma, A. Advancements in nanohybrid material-based acetone gas sensors relevant to diabetes diagnosis: a comprehensive review / A. Verma, D. Yadav, S. Natesan et al. // Microchemical Journal. – 2024. – V. 201. – Art. № 110713. – 32 p. DOI: 10.1016/j.microc.2024.110713.
3. Han, G. Thermal evaporation synthesis of vertically aligned Zn2SnO4/ZnO radial heterostructured nanowires array / G. Han, M. Kang, Y. Jeong et al. // Nanomaterials (Basel, Switzerland). – 2021. – V. 11. – I. 6. – Art. № 1500. – 9 p. DOI: 10.3390/nano11061500.
4. Nalimova, S.S. Study of sensor properties of zinc oxide based nanostructures / S.S. Nalimova, V.M. Kondratev, A.A. Ryabko et al. // Journal of Physics: Conference Series. – 2020. – V. 1658. – I. 1. – Art. № 012033. – 5 p. DOI: 10.1088/1742-6596/1658/1/012033.
5. Kondratev, V.M. Technologically feasible ZnO nanostructures for carbon monoxide gas sensing / V.M. Kondratev, A.D. Bolshakov, S.S. Nalimova // 2021 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus), 26-29 January 2021. – St. Petersburg, Moscow, Russia: IEEE Publ., 2021. – P. 1163-1166. DOI: 10.1109/ElConRus51938.2021.9396573.
6. Choi, M.S. Selective, sensitive, and stable NO2 gas sensor based on porous ZnO nanosheets / M.S. Choi, M.Y. Kim, A. Mirzaei et al. // Applied Surface Science. – 2021. – V. 568. – Art. № 150910. – 14 p. DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.150910.
7. Карпова, С.С. Исследование влияния кислотно-основных свойств поверхности оксидов ZnO, Fe2O3 и ZnFe2O4 на их газочувствительность по отношению к парам этанола / С.С. Карпова, В.A. Мошников, A.И. Максимов и др. // Физика и техника полупроводников. – 2013. – Т. 47. – Вып. 8. – С. 1022-1036.
8. Шомахов, З.В. Улучшение сенсорных характеристик бинарных и тройных оксидных наносистем / З.В. Шомахов, С.С. Налимова, А.А. Рыбина и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – C. 879-887. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.879.
9. Налимова, С.С. Газовые сенсоры на основе наноструктур двойных и тройных оксидных систем / С.С. Налимова, В.А. Мошников, З.В. Шомахов, В.М. Кондратьев // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. – 2024. – Т. 27. – № 2. – C. 105-118. DOI: 10.32603/1993-8985-2024-27-2-105-118.
10. Pang, C. Synthesis, characterization and opto-electrical properties of ternary Zn2SnO4 nanowires / C. Pang, B. Yan, L. Liao et al. // Nanotechnology. – 2010. – V. 21. – I. 46. – Art. № 465706. – 4 p. DOI: 10.1088/0957-4484/21/46/465706.
11. He, L. Preparation and characterization of heteroepitaxial Zn2SnO4 single crystalline films prepared on MgO (100) substrates / L. He, C. Luan, Di Wang et al. // Journal of the American Ceramic Society. – 2020. – V. 103. – I. 4. – P. 2555-2561. DOI: 10.1111/jace.16943.
12. Ryabko, A.A. Gas sensitivity of nanostructured coatings based on zinc oxide nanorods under combined activation / A.A. Ryabko, A.A. Bobkov, S.S. Nalimova et al. // Technical Physics. – 2023. – V. 68. – I. S1. – S13-S18. DOI: 10.1134/S106378422390053X.
13. Tharsika, T. Gas sensing properties of zinc stannate (Zn2SnO4) nanowires prepared by carbon assisted thermal evaporation process / T. Tharsika, A. Haseeb, S.A. Akbar et al. // Journal of Alloys and Compounds. – 2015. – V. 618. – P. 455-462. DOI: 10.1016/j.jallcom.2014.08.192.
14. Bao, S. Mesoporous Zn2SnO4 as effective electron transport materials for high-performance perovskite solar cells / S. Bao, J. Wu, X. He et al. // Electrochimica Acta. – 2017. – V. 251. – P. 307-315. DOI: 10.1016/j.electacta.2017.08.083.
15. Fan, H. Ultra-long Zn2SnO4 -ZnO microwires based gas sensor for hydrogen detection / H. Fan, S. Xu, X. Cao et al. // Applied Surface Science. – 2017. – V. 400. – P. 440-445. DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.12.221.
16. He, F. One-step solvothermal synthesis of Zn2SnO4/rGO composite material and highly gas sensing performance to acetone / F. He, Q. Du, Y. Zhang et al. // Solid State Sciences. – 2024. – V. 155. – Art. № 107638. – 7 p. DOI: 10.1016/j.solidstatesciences.2024.107638.
17. Yang, X. Enhanced gas sensing properties of monodisperse Zn2SnO4 octahedron functionalized by PdO nanoparticals / X. Yang, H. Gao, L. Zhao et al. // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2018. – V. 266. – P. 302-310. DOI: 10.1016/j.snb.2018.03.121.
18. Zhang, D. Fabrication of polypyrrole/Zn2SnO4 nanofilm for ultra-highly sensitive ammonia sensing application / D. Zhang, Z. Wu, X. Zong, Y. Zhang // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2018. – V. 274. – P. 575-586. DOI: 10.1016/j.snb.2018.08.001.
19. Lu, J. Heterostructures of mesoporous hollow Zn2SnO4/SnO2 microboxes for high-performance acetone sensors / J. Lu, Y. Xie, F. Luo et al. // Journal of Alloys and Compounds. – 2020. – V. 844. – Art. № 155788. – 8 p. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.155788.
20. Bobkov, A. Impedance spectroscopy of hierarchical porous nanomaterials Based on por-Si, por-Si Incorporated by Ni and metal oxides for gas sensors / A. Bobkov, V. Luchinin, V. Moshnikov et al. // Sensors (Basel, Switzerland). – 2022. – V. 22. – I. 4. – Art. № 1530. – 14 p. DOI: 10.3390/s22041530.
21. Kondratev, V.M. Si nanowire-based Schottky sensors for selective sensing of NH3 and HCl via impedance spectroscopy / V.M. Kondratev, E.A. Vyacheslavova, T. Shugabaev et al. // ACS Applied Nano Materials. – 2023. – V. 6. – I. 13. – P. 11513-11523. DOI: 10.1021/acsanm.3c01545.
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. – Вып. 8. – С. 58-63. DOI: 10.31857/S1028096023080137.
23. 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. – C. 726-735. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.726.
24. 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. – Вып. 7. – C. 1132-1135. DOI: 10.21883/JTF.2020.07.49447.276-19.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒