Управление морфологией и проводимостью гексагональных наностержней ZnO с помощью термообработки для приложений газовой сенсорики
Н.А. Клычков1, В.В. Симаков1, И.В. Синёв1, А.М. Захаревич1, В.В. Ефанова2
1 ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»
2 ФГБОУ ВО «Приволжский государственный университет путей сообщения»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.649
Оригинальная статья
Аннотация: В работе исследовано влияние температуры отжига (300-500°C) на электрофизические свойства наноструктурированных слоёв оксида цинка (ZnO), синтезированных золь-гель методом. Полученные образцы представляют собой ансамбль гексагональных наностержней. Проведённый количественный анализ морфологии выявил, что кинетика роста стержней в интервале температур от 300°C до 450°C подчиняется аррениусовской зависимости с энергией активации 0,35 эВ, что соответствует механизму, контролируемому поверхностной диффузией. Экспериментальные данные демонстрируют немонотонную зависимость проводимости от температуры отжига с выраженным минимумом при температуре от 350°C до 400°C. Установлено, что отжиг в течение пяти часов при температуре 400°C обеспечивает стабилизацию электронных характеристик с минимальным уровнем дрейфа проводимости 0,19%/ч. Наблюдаемый эффект объясняется конкуренцией двух процессов: уменьшением концентрации объёмных доноров (кислородных вакансий и междоузельных атомов цинка) и увеличением среднего размера кристаллитов при повышении температуры отжига, что приводит к формированию шунтирующих проводящих каналов. Зависимость стационарной проводимости образца ZnO в сухом воздухе от температуры отжига, рассчитанная в рамках модели плоских зон, удовлетворительно описывает экспериментальные данные. Полученные результаты открывают перспективы для направленного синтеза высокочувствительных и стабильных чувствительных элементов хеморезистивных датчиков газа на основе ZnO.
Ключевые слова: оксид цинка, золь-гель синтез, термический отжиг, проводимость, газовый сенсор, наноструктурированные материалы
- Клычков Никита Александрович – аспирант 4 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»
- Захаревич Андрей Михайлович – к.ф.-м.н., заведующий лабораторией диагностики наноматериалов и структур, 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»
Ссылка для цитирования:
Клычков, Н.А. Управление морфологией и проводимостью гексагональных наностержней ZnO с помощью термообработки для приложений газовой сенсорики / Н.А. Клычков, В.В. Симаков, И.В. Синёв, А.М. Захаревич, В.В. Ефанова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 649-657. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.649. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Смирнов, А.В. Отклик газочувствительной микросистемы на запах перегретой изоляции электрического кабеля / А.В. Смирнов, А.И. Гребенников, А.Н. Грибов и др. // Нано-и микросистемная техника. – 2014. – Вып. 2. – С. 53-56.
2. 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.
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. – I. 1. 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. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. Клычков, Н.А. Влияние глубоких поверхностных акцепторных состояний на температурную зависимость проводимости слоёв оксида цинка / Н.А. Клычков, В.В. Симаков, И.В. Синёв // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2024. – Вып. 16. – С. 906-921. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.906.
11. Gwyddion – Free SPM (AFM, SNOM/NSOM, STM, MFM, …) data analysis software. – Режим доступа: www.url: http://gwyddion.net. – 15.07.2025.
12. Borah, M. Theoretical insights into growth mechanisms of ZnO nanorods / M. Borah // Journal of Nanoscience and Technology. – 2025. – V. 10. – I. 2. – P. 995-998. DOI: 10.30799/inst.357.25100201.
13. Nandi, R. The mechanism of growth of ZnO nanorods by reactive sputtering / R. Nandi, S.S. Major // Applied Surface Science. – 2017. – V. 399. – P. 305-312. DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.12.097.
14. Kim, D.S. Surface-diffusion induced growth of ZnO nanowires / D.S. Kim, U. Gösele, M. Zacharias // Journal of Crystal Growth. – 2009. – V. 311. – I. 11. – P. 3216-3219. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2009.03.026.
15. Simakov, V. Gas identification by quantitative analysis of conductivity-vs-concentration dependence for SnO2 sensors / V. Simakov, A. Voroshilov, A. Grebennikov, et al. // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2009. – V. 137. – I. 2. – P. 456-461. DOI: 10.1016/j.snb.2009.01.005.