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

Влияние паров воды на проводимость и отклик к парам этанола газочувствительных наноструктурированных слоёв ZnO при комнатной температуре

Н.А. Клычков1, В.В. Симаков1, И.В. Синёв1, В.В. Ефанова2, А.М. Захаревич1

1 ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»
2 ФГБОУ ВО «Приволжский государственный университет путей сообщения»

DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.891

Оригинальная статья

Аннотация: В работе представлены результаты исследования газочувствительности плёночных наноструктур на основе ZnO при комнатной температуре. Целью исследования являлось установление влияния влажности окружающей среды на проводимость образцов ZnO, а также на характер их отклика к парам этилового спирта в присутствии паров воды. Установлено, что слои оксида цинка имеют чувствительность к парам воды и этанола при комнатной температуре в широком диапазоне их концентраций (от 5 до 50% насыщенного пара). Обнаружено, что последовательные напуски паров воды приводят к дрейфу проводимости образцов оксида цинка в атмосфере сухого воздуха, а предварительный отжиг образцов при 400°C позволяет воспроизводить концентрационную зависимость отклика газочувствительных структур к парам воды. На концентрационной зависимости отклика к парам воды в диапазоне концентраций от 5 до 90% относительной влажности воздуха обнаружен гистерезис, который может быть обусловлен капиллярной конденсацией паров воды в мезопорах слоёв оксида цинка. Установлено, что с увеличением влажности газовой пробы, содержащей пары этанола, уменьшаются значения отклика и предел обнаружения этанола в газо-воздушной смеси образцами ZnO. Результаты проведенного статистического анализа данных методом главных компонент показали принципиальную возможность классификации сухой и влажной газовых проб, содержащих пары этанола в воздухе. Продемонстрировано, что статистическая обработка данных позволяет исключить влияние уровня фоновой влажности на калибровочную кривую отклика газочувствительных образцов оксида цинка.

Ключевые слова: оксид цинка, золь-гель технология, полупроводниковый датчик газа, отклик к этанолу, газочувствительность, комнатные температуры, влияние влажности

  • Клычков Никита Александрович – аспирант 3-го года обучения, институт физики, ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»
  • Симаков Вячеслав Владимирович – д.т.н., профессор кафедры материаловедения, технологии и управления качеством, ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»
  • Синёв Илья Владимирович – к.ф.-м.н., доцент кафедры материаловедения, технологии и управления качеством, ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»
  • Ефанова Вера Васильевна – д.х.н., доцент, ФГБОУ ВО «Приволжский государственный университет путей сообщения»
  • Захаревич Андрей Михайлович – к.ф.-м.н., заведующий лабораторией диагностики наноматериалов и структур, ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»

Ссылка на статью:

Клычков, Н.А. Влияние паров воды на проводимость и отклик к парам этанола газочувствительных наноструктурированных слоёв ZnO при комнатной температуре / Н.А. Клычков, В.В. Симаков, И.В. Синёв, В.В. Ефанова, А.М. Захаревич // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 891-905. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.891.

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Simakov, V.V. Variation of the conductivity of a thin film of tin dioxide in response to stepwise gas sampling / V.V. Simakov, O.V. Yakusheva, A.S. Voroshilov et al. // Technical Physics Letters. – 2006. – V. 32. – I. 8. – P. 725-728. DOI: 10.1134/S1063785006080256.
2. Zhu, L. Room-temperature gas sensing of ZnO-based gas sensor: a review / L. Zhu, W. Zeng // Sensors and Actuators A: Physical. – 2017. – V. 267. – P. 242-261. DOI: 10.1016/j.sna.2017.10.021.
3. Wang, Y. Controllable synthesis of ZnO nanoflowers and their morphology-dependent photocatalytic activities / Y. Wang, X. Li, N. Wang, et al. // Separation and Purification Technology. – 2008. – V. 62. – I. 3. – P. 727-732. DOI: 10.1016/j.seppur.2008.03.035.
4. Gupta, S.K. Development of gas sensors using ZnO nanostructures / S.K. Gupta, A. Joshi, M. Kaur // Journal of Chemical Sciences. – 2010. – V. 122. – P. 57-62. DOI: 10.1007/s12039-010-0006-y.
5. Fan, S.W. Nanopatterned polycrystalline ZnO for room temperature gas sensing / S.W. Fan, A.K. Srivastava, V.P. Dravid // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2010. – V. 144. – I. 1. – P. 159-163. DOI: 10.1016/j.snb.2009.10.054.
6. Синёв, И.В. Влияние освещения на распознавательную способность мультисенсорных микросистем на основе нитевидных нанокристаллов диоксида олова / И.В. Синёв, Н.А. Клычков, Д.А. Тимошенко, В.В. Симаков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2020. – Вып. 12. – С. 713-721. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.713.
7. Kirkwood, N. Enhancing quantum dot LED efficiency by tuning electron mobility in the ZnO electron transport layer / N. Kirkwood, B. Singh, P. Mulvaney // Advanced Materials Interfaces. – 2016. – V. 3. – I. 22. – Art. №. 1600868. – 7 p. DOI: 10.1002/admi.201600868.
8. Hofmann, D.M. Properties of the oxygen vacancy in ZnO / D.M. Hoffman, D. Pfisterer, J. Sann et al. // Applied Physics A. – 2007. – V. 88. – P. 147-151. DOI: 10.1007/s00339-007-3956-2.
9. Liu, L. Oxygen vacancies: The origin of n-type conductivity in ZnO / L. Liu, Z. Mei, A. Tang // Physical Review B. – 2016. – V. 93. – I. 23. – P. 235305-1-235305-6. DOI: 10.1103/PhysRevB.93.235305.
10. Клычков, Н.А. Математическое моделирование проводимости поликристаллических слоёв широкозонных полупроводников при адсорбции на их поверхности газов - восстановителей в присутствии кислорода / Н.А. Клычков, Д.В. Курмашева, В.В. Симаков, И.В. Синев // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 424-431. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.424.
11. Simakov, V. Gas identification by quantitative analysis of conductivity-vs-concentration dependence for SnO2 sensors / V. Simakov, A. Voroshilov, A. Grebennikov, N. Kucherenko, O. Yakusheva, V. Kisin, // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2009. – V. 137. – I. 2. – P. 456-461. DOI: 10.1016/j.snb.2009.01.005.
12. Симаков, В.В. Влияние паров воды и освещения на проводимость тонких пленок диоксида олова при комнатной температуре / В.В. Симаков, И.В. Синев, А.В. Смирнов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2017. – Вып. 9. – С. 449-454. DOI 10.26456/pcascnn/2017.9.449.
13. Wang, C. Metal oxide gas sensors: sensitivity and influencing factors / C. Wang, L. Yin, L. Zhang et al. // Sensors. – 2010. – V. 10. – I. 3. – P. 2088-2106. DOI: 10.3390/s100302088.
14. Lee, J. Precise control of surface oxygen vacancies in ZnO nanoparticles for extremely high acetone sensing response / J. Lee, Y. Choi, B.J. Park et al. // Journal of Advanced Ceramics. – 2022. – V. 11. – I. 5. – P. 769-783. DOI: 10.1007/s40145-022-0570-x.
15. Fang, Z.B. Influence of post-annealing treatment on the structure properties of ZnO films / Z.B. Fang, Z.J. Yan, Y.S. Tan et al. // Applied surface science. – 2005. – V. 241. – I. 3-4. – P. 303-308. DOI: 10.1016/j.apsusc.2004.07.056.
16. Gurylev, V. Defect engineering of ZnO: Review on oxygen and zinc vacancies / V. Gurylev, T.P. Perng // Journal of the European Ceramic Society. – 2021. – V. 41. – I. 10. – P. 4977-4996. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.03.031.
17. Bai, Z. Effect of humidity on the gas sensing property of the tetrapod-shaped ZnO nanopowder sensor / Z. Bai, C. Xie, M. Hu et al. // Materials Science and Engineering: B. – 2008. – V. 149. – I. 1. – P. 12-17. DOI: 10.1016/j.mseb.2007.11.020.
18. Raymand, D. Water adsorption on stepped ZnO surfaces from MD simulation / D. Raymand, A.C.T. van Duin, D. Spångberg et al. // Surface Science. – 2010. – V. 604. – I. 9-10. – P. 741-752. DOI: 10.1016/j.susc.2009.12.012.
19. Calzolari, A. Water adsorption on nonpolar ZnO (10 1 0) surface: a microscopic understanding / A. Calzolari, A. Catellani // The Journal of Physical Chemistry C. – 2009. – V. 113. – I. 7. – P. 2896-2902. DOI: 10.1021/jp808704d.
20. Dulub, O. Observation of the dynamical change in a water monolayer adsorbed on a ZnO surface / O. Dulub, B. Meyer, U. Diebold // Physical Review Letter. – 2005. – V. 95. – I. 13. – P. 136101-1-136101-4. DOI: 10.1103/PhysRevLett.95.136101.
21. Yu, S. Effects of pH on high-performance ZnO resistive humidity sensors using one-step synthesis / S. Yu, H. Zhang, J. Zhang, Z. Li // Sensors. – 2019. – V. 19. – I. 23. – Art. №. 5267. – 11 p. DOI: 10.3390/s19235267.
22. Korotcenkov, G. Kinetics of gas response to reducing gases of SnO2 films, deposited by spray pyrolysis / G. Korotcenkov, V. Brinzari, V. Golovanov, Y. Blinov // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2004. – V. 98. – I. 1. – P. 41-45. DOI: 10.1016/j.snb.2003.08.022.
23. Erol, A. Humidity sensing properties of ZnO nanoparticles synthesized by sol–gel process / A. Erol, S. Okur, B. Comba et al. // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2010. – V. 145. – I. 1. – P. 174-180. DOI: 10.1016/j.snb.2009.11.051.
24. Клычков, Н.А. Динамика отклика сенсора на основе наноструктурированного слоя диоксида олова при воздействии паров изопропанола / Н.А. Клычков, В.В. Симаков, И.В. Синев, Д.А. Тимошенко // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2021. – Вып. 13. – С. 708-716. DOI 10.26456/pcascnn/2021.13.708.
25. Kwak, G. Adsorption and reaction of ethanol on ZnO nanowires / G. Kwak, K. Yong // The Journal of Physical Chemistry C. – 2008. – V. 112. – I. 8. – P. 3036-3041. DOI: 10.1021/jp7103819.
26. Meyer, B. Water adsorption on ZnO (1010): from single molecules to partially dissociated monolayers / B. Meyer, H. Rabaa, D. Marx // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2006. – V. 8. – I. 13. – P. 1513-1520. DOI: 10.1039/b515604a.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒