Диссертация (1105627)
Текст из файла
Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего образования «Московскийгосударственный университет имени М.В.Ломоносова»Факультет наук о материалахНа правах рукописиЧижов Артём СергеевичНанокомпозиты на основеполупроводниковых оксидов металлови квантовых точек CdSe для газовых сенсоровСпециальность 02.00.21 — химия твёрдого телаДИССЕРТАЦИЯна соискание учёной степеникандидата химических наукНаучный руководительд.х.н., профессор Румянцева М.Н.Москва — 2016Оглавление1 Введение32 Литературный обзор82.1. Принципы работы газовых сенсоров резистивного типа . .
. . . . . . . . . . .82.1.1. Механизм формирования сенсорной чувствительности полупроводниковых оксидов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82.1.2. Применение фотоактивации при детектировании газов сенсорами наоснове полупроводниковых оксидов . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .132.1.3. Выбор материалов для газовых сенсоров . . . . . . . . . . . . . . . . . .152.2. Физико-химические характеристики полупроводниковых оксидов . . . . . . . .182.2.1. Диаграмма состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .182.2.2. Кристаллическая структура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202.2.3. Оптические свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232.2.4. Зонная структура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .242.2.5. Электропроводность ZnO, SnO2 , In2 O3 . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .262.2.6. Фотопроводимость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .272.3. Сенсибилизация оксидов металлов полупроводниковыми квантовыми точками332.3.1. Общие сведения о сенсибилизации полупроводников . . . . . . . . . . .332.3.2. Полупроводниковые квантовые точки . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .342.3.3. Механизмы передачи фотовозбуждения . . . . . . . . . . . . . . . . . .392.3.4. Фотопроводимость полупроводниковых оксидов, сенсибилизированныхполупроводниковыми квантовыми точками . . . . . . . . . . . . . . . .472.4. Выводы по литературному обзору . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .523 Экспериментальная часть3.1. Синтез материалов54. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.1.1. Нанокристаллические оксиды металлов54. . . . . . . . . . . . . . . . . .543.1.2. Полупроводниковые квантовые точки CdSe . . .
. . . . . . . . . . . . .553.1.3. Нанокомпозиты MOx /QD_CdSe (MOx =ZnO, SnO2 , In2 O3 ) . . . . . . . .563.2. Методы исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .573.2.1. Рентгеновская дифракция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .5713.2.2. Низкотемпературная адсорбция азота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .593.2.3. Спектроскопия поглощения в видимом и УФ диапазоне . . . . . . . . .593.2.4. Спектроскопия поглощения в ИК диапазоне . . . . . . . . . . . . . . .
.603.2.5. Рентгенофлуоресцентный анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .603.2.6. Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой . . . . . . . . . .603.2.7. Электронная микроскопия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .613.2.8. Термический анализ . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .623.2.9. Исследование фотопроводимости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .623.2.10. Исследование сенсорных свойств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .624 Результаты и их обсуждение664.1. Физико-химические параметры синтезированных материалов . . . . . . . . . .4.1.1.
Нанокристаллические оксиды металлов66. . . . . . . . . . . . . . . . . .664.1.2. Полупроводниковые квантовые точки CdSe . . . . . . . . . . . . . . . .714.1.3. Нанокомпозиты MOx /QD_CdSe (MOx =ZnO, SnO2 , In2 O3 ) . . . . . . . .744.2. Влияние квантовых точек CdSe на фотопроводимость нанокристаллическихоксидов ZnO, SnO2 , In2 O3 . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .934.2.1. Фотопроводимость при стационарном освещении . . . . . . . . . . . . .934.2.2. Спектральная зависимость фотопроводимости98. . . . . . . . . . . . . .4.3. Влияние КТ CdSe на взаимодействие нанокристаллических оксидов ZnO, SnO2 ,In2 O3 с газовой фазой . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1044.3.1. Взаимодействие сенсибилизированных оксидов металлов с O2 . . . . . . 1054.3.2. Взаимодействие сенсибилизированных оксидов металлов с NO2 . . . . . 1094.3.3. Взаимодействие сенсибилизированных оксидов металлов с CO . . . .
. 1255 Заключение1286 Выводы1302Глава 1ВведениеАктуальность работы Обнаружение низких концентраций (на уровне миллионных объёмных долей) токсичных газов и паров в воздухе является одной из насущных задач мониторинга окружающей среды. Соответствующая чувствительность может быть достигнута,например, при анализе газовой пробы на современных масс-спектрометрах.
Однако реальныезадачи требуют, чтобы приборы для выявления токсичных газов в атмосфере удовлетворяли,по меньшей мере, следующим условиям: невысокая стоимость и простота конструкции,позволяющая массовое тиражирование; малая масса, для возможности лёгкого перемещения; невысокое энергопотребление, делающее возможным долгую работу от автономныхисточников энергии; экспрессность, позволяющая производить измерения с достаточнойбыстротой.
Ясно, что такие дорогие и сложные приборы как масс-спектрометры с такимитребованиями не совместимы. Поэтому много усилий направлено на создание портативныхгазоанализаторов. Большое распространение получили газоанализаторы, в которых чувствительным элементом является сенсор резистивного типа. Основу такого сенсора составляетслой полупроводникового оксида металла, изменяющий своё электрическое сопротивление взависимости от состава атмосферы. Однако на пути к созданию миниатюрных автономныхгазоанализаторов на основе сенсоров резистивного типа стоит проблема, связанная с высокимэнергопотреблением, поскольку в процессе детектирования газов необходимо поддерживатьтемпературу чувствительного оксидного слоя на уровне нескольких сотен градусов Цельсия.К тому же электрический нагревательный элемент сенсора несёт потенциальную взрыво- ипожароопасность.Одним из возможных способов, позволяющих избежать использование нагрева чувствительного слоя сенсора является замена теплового воздействия маломощным световымоблучением [1].
К настоящему моменту в литературе накоплено большое количество сведений о применении такого подхода, причём в качестве подсветки используются в основномисточники УФ излучения. Согласно опубликованным работам, воздействие УФ излученияна чувствительный металлоксидный слой позволяет активировать процессы детектированиягазов и снизить рабочую температуру вплоть до комнатной. Несмотря на большое числонакопленного фактического материала, в данном направлении ещё не до конца выработан3общий подход к описанию и объяснению процессов активации сенсорной чувствительностис помощью света.В настоящей работе исследован новый тип материалов, обладающих газовой чувствительностью при комнатной температуре в условиях облучения светом видимого диапазона. Материалы представляют собой нанокомпозиты на основе нанокристаллическихоксидах металлов, на поверхности которых иммобилизованы полупроводниковые квантовыеточки. При поглощении фотонов с энергией, существенно меньшей ширины запрещеннойзоны оксида металла, в таких материалах происходят процессы генерации неравновесныхносителей заряда и их переноса между квантовыми точками и оксидной матрицей.
Рольисточника неравновесных носителей заряда выполняют квантовые точки, которые поглощают свет, переходят в возбуждённое состояние и инжектируют фотовозбуждённые носители заряда в оксидную матрицу. Фотовозбуждение квантовых точек может быть вызваноквантами света, энергия которых соответствует видимому участку оптического спектра.Таким образом, квантовые точки выступают в качестве сенсибилизатора, т.
е. обеспечиваютфоточувствительность материала в том диапазоне длин волн, где сама оксидная матрица непоглощает излучение. В свете вышесказанного, крайне интересным представляется исследование сенсорных свойств таких сенсибилизированных материалов. Неравновесные фотогенерированные носители заряда в данных системах являются потенциальными участникамимногих процессов, которые могут быть ответственны за формирование сенсорного сигнала. Кмоменту выполнения работы в литературе отсутствовали данные о подобных исследованиях.Целью настоящей работы является выявление основных закономерностей во взаимодействии нанокристаллических оксидов металлов, сенсибилизированных квантовыми точками, сгазовой фазой при комнатной температуре в условиях облучения светом видимого диапазона.Для достижения поставленной цели в работе решали следующие задачи:1.
Определение условий получения нанокомпозитных материалов на основе нанокристаллических ZnO, SnO2 и In2 O3 , сенсибилизированных к видимому участку спектраквантовыми точками CdSe.2. Определение состава и структуры синтезированных материалов и распределения в нихкомпонентов.3. Определение влияния квантовых точек CdSe на фотопроводимость и оптические свойства широкозонных оксидов металлов.4. Определение влияния квантовых точек CdSe на взаимодействие широкозонных оксидовметаллов с газовой фазой при активации видимым светом, установление взаимосвязимежду сенсорными свойствами и физико-химическими характеристиками материалов.4Объектами исследования являются порошки и толстые плёнки нанокристаллическихоксидов ZnO, SnO2 , In2 O3 , а также нанокомпозитов на основе указанных оксидов и квантовыхточек (КТ или QD, Quantum dots) CdSe.Научная новизна В работе впервые синтезированы нанокомпозитные сенсорные материалы на основе нанокристаллических ZnO, SnO2 , In2 O3 и квантовых точек CdSe.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
