Сотрудники лаборатории химии и физики полупроводниковых и сенсорных материалов химического факультета МГУ исследовали механизмы процессов, ответственных за возникновение сигнала у полупроводниковых газовых сенсоров под действием света. Результаты открывают путь к направленному получению сенсоров со сниженным энергопотреблением. Работа опубликована в журнале Sensors и поддержана грантом РНФ № 21-73-00157.
Полупроводниковые газовые сенсоры на основе оксидов металлов позволяют детектировать даже очень низкие концентрации (на уровне миллионных долей) различных газов в воздухе. Поэтому их можно использовать при проведении экологического мониторинга, для анализа качества продуктов питания и даже медицинской диагностики. Такие сенсоры работают за счет превращений молекул газов на поверхности полупроводника. Взаимодействие приводит к изменению проводимости, что преобразуется в сенсорный сигнал.
Для детектирования газов полупроводниковым сенсорам обычно требуется нагрев чувствительного слоя. Он вызывает отрицательные последствия: повышенное энергопотребление, проблемы со стабильностью сенсорного отклика. Поэтому активно развивается направление, которое связано с активацией сенсорной чувствительности под действием света.
«Про работу фотоактивируемых сенсоров опубликовано много статей, – рассказал сотрудник кафедры неорганической химии, первый автор исследования Артем Чижов. – Но самый большой пробел в этой области связан с пониманием механизмов возникновения сенсорной чувствительности. Тема хорошо разработана для обычных газовых сенсоров, работающих при нагревании. Многие из авторов те же механизмы переносят на фотоактивируемые сенсоры. Это неправильно, поскольку другой механизм генерации свободных носителей заряда может вызывать различие и в наборе процессов, происходящих при взаимодействии сенсора с газами».
Авторы решили выяснить механизм работы фотоактивируемых сенсоров на примере взаимодействия с кислородом. Работа с простой молекулой облегчает интерпретацию данных. В то же время кислород играет важную роль при формировании сенсорного сигнала при детектировании различных газов-восстановителей.
«Мы первыми применили масс-спектрометрию для исследования фотоактивируемых сенсоров, – рассказал Артем Чижов. – Это позволило узнать, как изменяется концентрация кислорода в газовой фазе в условиях подсветки полупроводникового чувствительного материала, а также какие именно кислородсодержащие частицы образуются. Во многих статьях при объяснении механизмов реакции предполагают, что происходит удаление кислорода с поверхности полупроводникового оксида, и это определяет, как последующие процессы взаимодействия с газами различной природы, так и характер изменения проводимости. Мы увидели прямо противоположный процесс – поглощение кислорода из газовой фазы. Это уже интересный результат».
Авторы также сравнили реакционную способность различных оксидов металлов при фотоактивируемом кислородном изотопном обмене. Из часто применимых материалов для газовых сенсоров наибольшую активность в фотоактивируемых процессах проявляет оксид цинка, наименьшую – диоксид олова. При сравнении сенсорных свойств к кислороду в темноте и на свету эта тенденция сохранилась: сенсорный сигнал оксида цинка усиливался наибольшим образом, более чем в 40 раз. Оксид олова показал наименьшее усиление. Таким образом, авторы показали, что для исследованных оксидов металлов существует корреляция между способностью к фотоактивируемому кислородному обмену и величиной сенсорного отклика к кислороду.
«Эта работа важна для дальнейшего направленного создания сенсоров, – рассказала соавтор работы, профессор кафедры неорганической химии химического факультета МГУ д.х.н. Марина Румянцева. – Особенно сейчас, когда разработки лаборатории вошли в качестве научного задела в новый Центр компетенций НТИ «Технологии снижения антропогенного воздействия» и стали основой для сенсоров нового типа, которые будут установлены на беспилотные летательные аппараты для более быстрого и качественного мониторинга окружающей среды. Поэтому мы продолжим работы по изучению фотоактивируемых сенсоров».
