ГАЗОВІ СЕНСОРИ НА ОСНОВІ ОРГАНО-НЕОРГАНІЧНИХ НАНОКОМПОЗИТІВ

I. B. Olenych, L. S. Monastyrskii, O. I. Aksimentyeva, Yu. Yu. Horbenko

Анотація


Використання у сенсорних структурах нанокристалів з великою питомою поверхнею передбачає їх високу чутливість до молекул адсорбованих газів. Метою роботи було створення сенсор-них елементів на основі композитних плівок полі-3,4-етилендиоксітіофену (ПЕДОТ) у поєднанні з нанокристалами поруватого кремнію (ПК) та оксиду цинку ZnO і вивчення впливу адсорбції молекул аміаку, етанолу та ацетону на електричні параметри структури ПЕДОТ–ПК–ZnO.
Для виготовлення плівки гібридного композиту ПЕДОТ–ПК–ZnO використовували 1% суспензію ПЕДОТ – ПСС та оксид цинку з розміром частинок до 100 нм (Sigma-Aldrich Co, США), а також нанокристали ПК, отримані електрохімічним травленням кремнієвої пластини. Дослідження адсорбційно-десорбційних процесів у композитних плівках здійснювалось вимірюванням їх електричних параметрів при різних концентраціях аналізованих газів. Для оцінки сенсорних властивостей розраховано адсорбційну чутливість композитних плівок і досліджено їх динамічні характеристики.
Зареєстровано збільшення електричного опору нанокомпозиту внаслідок адсорбції молекул аміаку, етанолу та ацетону. Спостерігались майже лінійні залежності опору від концентрації аміаку та ацетону, що є вагомою перевагою при розробці газових сенсорів. Максимальна чутливість сенсорних елементів знаходиться в діапазоні концентрацій аналізованих газів 1–2 %, а час відклику становить 60–80 с. Плівки з більшим вмістом нанокристалів ПК володіли більшою чутливістю до молекул аміаку та етанолу, а плівки з більшим вмістом наночастинок ZnO – до молекул ацетону. Керувати функціональними параметрами плівкових сенсорів можна змінюючи співвідношення між вмістом напівпровідникових наночастинок у гібридному композиті.
Поєднання наночастинок поруватого кремнію та оксиду цинку забезпечує не лише збільшення площі робочої поверхні сенсорів, але й високу чутливість і селективність до молекул аміаку, етанолу та ацетону. Одержані результати можна використати для створення ефективних газоаналізаторів.


Ключові слова


сенсори; адсорбційна чутливість; нанокомпозит; поруватий кремній; оксид цинку; полі-3,4-етилендиоксітіофен

Повний текст:

PDF

Посилання


A. J. Нeeger. Semiconducting and metallic polymers: the fourth generation of polymeric materials // Synth. Metals, 123, pp. 23–42 (2002).

R. S. Kohlman, J. Joo, A. J. Epstein. Conducting polymers: electrical conductivity. Physical properties of polymers handbook. J. E. Mark ed. Amer. Inst. Phys. Woodbury, New-York. 453‑478 (1996).

J. Ouyang, Q. Xu, C. -W. Chu, Y. Yang, G. Li, J. Shinar. On the mechanism of conductivity enhancement in poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrene sulfonate) film through solvent treatment // Polymer, 45(25), pp. 8443-8450 (2004).

O. Pyshkina, A. Kubarkov, V. Sergeyev. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene): synthesis and properties // Mater. Sci. App. Chem., 21, pp. 51–54 (2010).

L. S. Monastyrskii, O. I. Aksimentyeva, I. B. Olenych, B. S. Sokolovskii. Photosensitive structures of conjugated polymer - porous silicon // Mol. Cryst. Liq. Cryst., 589, pp. 124–131 (2014).

Ph. Leclere, M. Surin, P. Brocorens, M. Cavallini, F. Biscarini, R. Lazzaroni. Supramolecular assembly of conjugated polymers: From molecular engineering to solid-state properties // Mater. Sci. Engin. R, 55, pp. 1-56 (2006).

H. Bai, G. Shi. Gas sensors based on conducting polymers // Sensors, 7, pp. 267–307 (2007).

M. Kuş, S. Okur. Electrical characterization of PEDOT:PSS beyond humidity saturation // Sensor Actuator B, 143, pp. 177–181 (2009).

O. Bisi, S. Ossicini, L. Pavesi. Porous silicon: a quantum sponge structure for silicon based optoelectronics // Surf. Sci. Rep., 38, pp. 1–126 (2000).

Z. L. Wang. Zinc oxide nanostructures: growth, properties and applications // Journal of Physics: Condensed Matter, 16, pp. R829–R858 (2004).

S. Ozdemir, J. Gole. The potential of porous silicon gas sensors // Curr. Opin. in Solid State and Mater. Science., 11, pp. 92–100 (2007).

L. S. Monastyrskii, I. B. Olenych, O. I. Aksimentyeva, B. S. Sokolovskii, M. R. Pavlyk. Gas adsorption sensors on the basis of porous silicon // Sensor Electronics and Microsystems Technologies, 8(3), pp. 38-43 (2011) (in Ukrainian).

R. Kumar, O. Al-Dossary, G. Kumar, A. Umar. Zinc Oxide Nanostructures for NO2 Gas–Sensor Applications: A Review // Nano-Micro Lett., (2014). DOI: 10. 1007/s40820-014-0023-3.

I. C. Yao, P. Lin, T. Y. Tseng. Hydrogen gas sensors using ZnO–SnO2 core–shell nanostructure // Advanced Science Letters, 3, pp. 548–553 (2010).

I. B. Olenych, O. I. Aksimentyeva, L. S. Monastyrskii, Y. Y. Horbenko, L. I. Yarytska. Sensory properties of hybrid composites based on poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-porous silicon-carbon nanotubes // Nanoscale Res. Lett., 10, pp. 187-1–187-6. (2015).

A. G. Cullis, L. T. Canham, P. D. J. Calcott. The structural and luminescence properties of porous silicon // J. Appl. Phys., 82, pp. 909–965 (1997).

Yu. A. Vashpanov, Electronic properties and adsorption sensitivity to ammonia of microporous silicon // Ukr. J. Phys., 44 (4), pp. 468-470 (1999) (in Ukrainian).

S. Ozdemir, J. Gole. Porous silicon gas sensors for room temperature detection of ammonia and phosphine // ECS Transactions, 16 (11), pp. 379-385 (2008).

J. J. Delaunay, N. Kakoiyama, I. Yamada. Fabrication of three-dimensional network of ZnO tetratpods and its response to ethanol // Materials Chemistry and Physics, 104, pp. 141–145 (2007).

S. S. Karpova, V. A. Moshnikov, S. V. Mjakin, E. S. Kolovangina. Surface functional composition and sensor properties of ZnO, Fe2O3, and ZnFe2O4 // Semiconductors, 47, pp. 392-395 (2013).

Yu. А. Vashpanov and V. A. Smyntyna, Adsorption Sensitivity of Semiconductors. Astroprint, Odesa. 216 (2005) (in Russian).

I. B. Olenych, L. S. Monastyrskii, O. I. Aksimentyeva, B. S. Sokolovskii. Humidity sensitive structures on the basis of porous silicon // Ukr. J. Phys., 56(11), pp. 1198-1202 (2011).




DOI: https://doi.org/10.18524/1815-7459.2016.3.78630

Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.


Copyright (c) 2016 Сенсорна електроніка і мікросистемні технології

ISSN 1815-7459 (Print), 2415-3508 (Online)