Диссертация (1105627), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Момент включения источника излучения показан черной стрелкой. На врезкепоказана схема и длительность одного цикла.127ЗаключениеВ настоящей работе синтезированы нанокомпозиты, состоящие из нанокристаллических оксидов металлов, на поверхности которых иммобилизованы полупроводниковые квантовые точки CdSe, и исследована возможность их использования в качестве чувствительныхматериалов для газовых сенсоров резистивного типа, работающие в отсутствии в термического воздействия (при комнатной температуре) под воздействием светового облучениявидимого диапазона.Активация сенсорной чувствительности c помощью света является перспективнымподходом, направленным, в первую очередь, на снижение энергопотребления и рабочейтемпературы сенсоров резистивного типа.
Идея настоящей работы заключалась в том, чтобыразделить функциональные роли компонентов сенсорного материала: оксидная матрицадолжна отвечать за специфику взаимодействия с молекулами газа, а квантовые точки– за процесс поглощения света. Из полученных экспериментальных результатов следует,что такой подход в целом удалось реализовать.
Главным результатом работы являетсяобнаружение способности нанокомпозитов обратимо изменять свою электропроводность вприсутствии NO2 и под воздействием излучения видимого диапазона.Для объяснения полученных экспериментальных данных предложена модель, котораябазируется на представлениях об особенностях фотоиндуцированного транспорта носителейзаряда между оксидами металлов и квантовыми точками.
Развитая модель позволилапредположить механизм обратимого взаимодействия нанокомпозитов с газами-окислителями(NO2 , O2 ). Однако, рассмотренная модель не включает процессы, которые могли бы бытьответственны за сенсорную чувствительность к газам-восстановителям.Комплексное сопоставление физико-химических параметров синтезированных нанокомпозитов и их сенсорных характеристик позволяет предложить общую концепцию ксозданию подобных материалов, которая заключается в том, что оксидная матрица исенсибилизатор должны быть совместимы друг с другом по совокупности физических ихимических параметров.
С одной стороны, большое значение имеет взаимное расположениеэнергетических уровней матрицы и квантовых точек и ширина запрещённой зоны в них, чтоопределяет возможности переноса фотовозбуждённых носителей заряда и диапазон длинволн, в котором происходит поглощение излучения. С другой стороны, возможность созданиянанокомпозитов находится в сильной зависимости от химических свойств поверхности оксидов металлов и квантовых точек.
Для проявления сенсибилизирующих свойств необходимо,128чтобы концентрация сенсибилизатора на поверхности оксидной матрицы не была слишкоммалой, а химическая природа стабилизатора квантовых точек не затрудняла возможностьпереноса фотовозбуждённых носителей заряда.На основе исследованных нанокомпозитов создан лабораторный прототип газовогосенсора, который показывал стабильную работу и воспроизводимый сенсорный сигналпропорциональный концентрации NO2 на уровне ПДКрз.
Замена термического нагревасветовым облучением позволила снизить электрическую мощность, потребляемую сенсоромв процессе работы, до 1 мВт.129Выводы1. Определены условия синтеза нанокомпозитов на основе нанокристаллическихZnO, SnO2 , In2 O3 с размером кристаллических зёрен оксидов от 3–4 до 15–20 нм иколлоидных КТ CdSe диаметром 2.8 нм.2. Установлено, что концентрация квантовых точек в условиях адсорбции на поверхностинанокристалических оксидов определяется типом стабилизатора квантовых точек иприродой оксида металла. Поверхностная концентрация КТ CdSe в синтезированныхнанокомпозитах находится в диапазоне от01.0 × 1014 м−2 до 8.5 × 1016 м−2 .3. Установлена корреляция спектральной зависимости фотопроводимости нанокомпозитов ZnO/QD_CdSe и In2 O3/ QD_CdSe со спектрами их оптического поглощения, которая заключается в возникновении фототока при облучении нанокомпозита светом вполосе поглощения КТ CdSe (λ < 590 нм).4.
Предложена модель кинетики рекомбинации фотовозбуждённых носителей заряда внанокристаллических оксидах ZnO, SnO2 , In2 O3 и нанокомпозитах с квантовыми точками CdSe при возбуждении фотопроводимости светом с λmax = 530 нм, согласнокоторой спад фотопроводимости может быть представлен суммой двух убывающихэкспонент с характерными временами релаксации τ1 = 6 ÷ 10 мин и τ2 = 33 ÷ 160 мин.5.
Установлено, что при комнатной температуре в условиях подсветки светодиодом сλmax = 530 нм нанокомпозиты демонстрируют сенсорный сигнал к газам-окислителям(O2 , NO2 ). Величина сенсорного сигнала к NO2 пропорциональна концентрации газа вдиапазоне 0.1–5.0 ppm.6. Предложена схема процессов, отвечающих за формирование сенсорного сигнала нанокомпозитов к NO2 в условиях подсветки, основанная на представлениях о транспортефотовозбуждённых носителей заряда из квантовых точек в оксидную матрицу, результатом которого является фотодесорбция хемосорбированных молекул NO2 .7. Создан лабораторный прототип сенсора, позволяющий детектировать NO2 в воздухе вдиапазоне 0.1–10 ПДКрз при потребляемой на подсветку мощности на более 1 мВт ипри комнатной температуре.130Список литературы1.
«Light enhanced NO2 gas sensing with tin oxide at room temperature: conductance and workfunction measurements» / K. Anothainart [и др.] // Sensors and Actuators B: Chemical. —2003. — Т. 93, 1-3. — С. 580—584 ; — Proceedings of the Ninth International Meeting onChemical Sensors.2. Comini E., Faglia G., Sberveglieri G. «{UV} light activation of tin oxide thin films forNO2 sensing at low temperatures» // Sensors and Actuators B: Chemical. — 2001. — Т. 78,1–3. — С.
73—77 ; — Selected Papers from Eurosensors {XIV}. — (Цит. на с. 14).3. Korotcenkov G. «Metal oxides for solid-state gas sensors: What determines our choice?» //Materials Science and Engineering: B. — 2007. — Т. 139, № 1. — С. 1—23. — (Цит. на с. 8,16).4. Gurlo A., Barsan N., Weimar U.
Gas sensors based on semiconductiong metal oxides. MetalOxides: Chemistry and Applications. — 2006. — (Цит. на с. 8).5. Yamazoe N., Shimanoe K. «Theory of power laws for semiconductor gas sensors» // Sensorsand Actuators B: Chemical. — 2008. — Т. 128, № 2. — С. 566—573. — (Цит. на с. 9, 114,115).6. Gurlo A. Insights into the Mechanism of Gas Sensor Operation // Metal OxideNanomaterials for Chemical Sensors.
— Springer New York, 2013. — С. 3—34. — (Цит.на с. 10).7. Wolkenstein T. The Electron Theory of Catalysis on Semiconductors // Advances inCatalysis. Т. 12. — Academic Press, 1960. — С. 189—264. — (Цит. на с. 11).8. Киселев В., Козлов С., Зотеев А. Основы физики поверхности твёрдого тела. — Издво Московского университета, Физический факультет МГУ, 1999. — (Цит.
на с. 11).9. Morrison S. R. «Selectivity in semiconductor gas sensors» // Sensors and actuators. —1987. — Т. 12, № 4. — С. 425—440. — (Цит. на с. 12).10. «Active Sites on Nanocrystalline Tin Dioxide Surface: Effect of Palladium and RutheniumOxides Clusters» / A. V. Marikutsa [и др.] // Journal of Physical Chemistry C. — UnitedStates, 2014. — Т. 118, № 37.
— С. 21541—21549. — (Цит. на с. 12).13111. «A model for the response towards oxidizing gases of photoactivated sensors based onindividual SnO2 nanowires» / J. D. Prades [и др.] // Phys. Chem. Chem. Phys. — 2009. —Т. 11, вып. 46. — С. 10881—10889. — (Цит. на с. 12).12.
«Atomic and Molecular Electron Affinities: Photoelectron Experiments and TheoreticalComputations» / J. C. Rienstra-Kiracofe [и др.] // Chemical Reviews. — 2002. — Т. 102,№ 1. — С. 231—282 ; — PMID: 11782134. — (Цит. на с. 13).13. «Equivalence between thermal and room temperature UV light-modulated responses of gassensors based on individual SnO2 nanowires» / J.
Prades [и др.] // Sensors and ActuatorsB: Chemical. — 2009. — Т. 140, № 2. — С. 337—341. — (Цит. на с. 14, 30).14. Fan S.-W., Srivastava A. K., Dravid V. P. «UV-activated room-temperature gas sensingmechanism of polycrystalline ZnO» // Applied Physics Letters. — 2009. — Т. 95, № 14. —С. 142106. — (Цит. на с. 14).15. «UV-enhanced room temperature NO2 sensor using ZnO nanorods modified with SnO2nanoparticles» / G. Lu [и др.] // Sensors and Actuators B: Chemical. — 2012.
— Т. 162,№ 1. — С. 82—88. — (Цит. на с. 14, 111).16. «Visible-light activate mesoporous {WO3} sensors with enhanced formaldehyde-sensingproperty at room temperature» / L. Deng [и др.] // Sensors and Actuators B: Chemical. —2012. — Т. 163, № 1. — С. 260—266. — (Цит. на с. 14).17. «Study on formaldehyde gas-sensing of In2O3-sensitized ZnO nanoflowers under visible lightirradiation at room temperature» / L. Han [и др.] // J.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
