Моделирование сенсорных процессов и пространственного и энергетического распределения зарядов в полупроводниковых наночастицах

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической физики им. Н.Н.Семенова Российской академии наук является исполнителем проекта «Моделирование сенсорных процессов и пространственного и энергетического распределения зарядов в полупроводниковых наночастицах».

Соглашение о предоставлении субсидии № 14.604.21.0006 от 17 июня 2014 г.

Объектом исследования являются полупроводниковые наноструктурированные материалы, используемые в настоящее время для производства кондуктометрических газовых сенсоров, предназначенных для мониторинга окружающей среды и, в первую очередь, для детектирования малых концентраций в воздухе таких восстановительных газов как водород, угарный газ и др.

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 17 июня 2014 г. № 14.604.21.0006 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 17 июня по 31 декабря 2014 г. выполнялись следующие работы:

  1. Анализ научно-технической литературы.
  2. Проведение патентных исследований согласно ГОСТ Р 15.011 — 96 по вопросу электронной структуры и сенсорных свойств наноматериалов.
  3. Выбор возможных путей решения задач.
  4. Разработка математической модели зависимости сенсорной чувствительности на водород от концентрации водорода, температуры и среднего размера наночастиц для наноструктурированных оксидов металлов с низкой плотностью электронов проводимости (на примере диоксида олова).
  5. Изготовление образцов сенсоров SnO2.
  6. Исследование структурных характеристик и чувствительности к водороду образцов сенсоров SnO2.
  7. Сравнение теоретических и экспериментальных данных.
  8. Разработка программы и методик исследований образцов сенсоров.

При этом были получены следующие результаты:

  1. Проведен анализ научно-технической литературы по теме проекта.
  2. Проведены патентные исследования согласно ГОСТ Р 15.011 — 96 по вопросу электронной структуры и сенсорных свойств наноматериалов. Результаты этого исследования дают основание полагать, что наноструктурированные металлоксидные композитные материалы, состоящие из бинарных смесей металлоксидов различной природы, состав которых определяется разрабатываемой в данном проекте математической программой, будут обладать целым рядом преимуществ перед имеющимися в настоящее время материалами в части их быстродействия, эффективности при детектировании малых концентраций восстановительных газов и рабочей температуры и таким образом явятся патентоспособными.
  3. Произведен выбор возможных путей решения поставленных задач:
    а) для того, чтобы найти пространственное и энергетическое распределение зарядов и потенциала в полупроводниковых наночастицах следует минимизировать ее свободную энергию;
    б) зная плотности электронов у поверхности наночастиц, можно найти проводимость сенсора при различных составах газов около него, т.е. рассчитать сенсорную чувствительность;
    в) для проверки соответствия теоретических и экспериментальных результатов, должны быть получены образцы сенсоров и изучены их сенсорные свойства, а также исследованны их морфологические и структурные характеристики.
  4. Разработана математическая модель зависимости чувствительности на водород от концентрации водорода, температуры и среднего размера наночастиц для наноструктурированных оксидов металлов с низкой плотностью электронов проводимости (на примере диоксида олова).
  5. Изготовлены образцы сенсоров SnO2 , пригодные для измерений.
  6. Исследованы структурные характеристики сенсоров — распределение частиц по размерам и чувствительность к водороду образцов сенсоров SnO2, зависимость чувствительности от температуры, давления водорода и среднего размера наночастиц. Показано, что исследованный образец в основном состоит из частиц диаметром около 100 нм и менее. Толщина пленок достигает 1 — 2 мкм. Повышение температуры и уменьшение среднего размера наночастиц SnO2 приводят к увеличению сенсорного отклика, причем максимальный сенсорный эффект достигается при температуре 400-450оС. Сенсорный отклик возрастает также при повышении концентрации водорода в системе, т.е. при увеличении его давления.
  7. Произведено сравнение теоретических и экспериментальных данных. Оно показало хорошее совпадение этих данных, т.е. пригодность разработанной теории сенсорной чувствительности SnO2.
  8. Разработана программа и методики исследований образцов сенсоров.

Полученные результаты совершенно новы и определяют мировой уровень, т.к. впервые теория смогла объяснить и предсказать зависимость чувствительности от температуры, давления газа и размера наночастиц сенсора во всём диапазоне изменения этих параметров.

Полученные в проекте результаты полностью соответствуют требованиям к выполняемому проекту.
Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.