Чувствую, газ!

Картинка: Принцип работы сенсора на основе массивов пористых наноразмерных нитей кремния. Источник: Любовь Осминкина/МГУ

Даже когда обычные датчики ничего не чувствуют

Алексей Щербаков

30 декабря, 2017 11:00

3 мин

На Физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова создали основу для высокочувствительных газовых датчиков — это массивы пористых наноразмерных нитей кремния. Такие датчики смогут определять в воздухе содержание молекул токсичных и нетоксичных газов при комнатной температуре.

Большинство современных газовых сенсоров работает только при высоких температурах, что накладывает ограничения на область их применения. Именно поэтому разработка высокочувствительных газовых датчиков многоразового использования, работающих при комнатной температуре, считается сейчас очень актуальным направлением физики.

Нити кремния служат в таком датчике чувствительным элементом. Получить их можно с помощью недорогого метода металл-стимулированного химического травления. Этот метод основан на селективном химическом травлении — технологии частичного удаления поверхностного слоя материала с заготовки — с использованием наночастиц металла в качестве катализатора. Процедура получения образцов достаточно быстрая: за час в лабораторных условиях можно изготовить не менее ста элементов!

Каждый датчик состоит из массива упорядоченных нанонитей кремния длиной 10 микрометров (мкм) и диаметром от 100 до 200 нанометров (нм). При этом каждая нанонить имеет пористую нанокристаллическую структуру. Размер кристаллов кремния и пор между ними варьируется от трёх до пяти нанометров.

Исследования показали, что такие пористые нанонити имеют огромную удельную площадь поверхности, за счёт чего их физико-химические свойства обладают высокой чувствительностью к молекулярному окружению. Учёные также обнаружили, что для полученных образцов при комнатной температуре характерна эффективная фотолюминесценция с максимумом в красной области спектра.

«Мы впервые показали, что фотолюминесценция кремниевых нанонитей тушится в атмосфере кислорода (О2), но затем восстанавливается до исходных значений в атмосфере инертного газа азота (N2), что повторяется в нескольких циклах адсорбции-десорбции», — рассказала руководитель работы, кандидат физико-математических наук Любовь Осминкина, старший научный сотрудник кафедры Физики низких температур Физического факультета МГУ.

Полученные экспериментальные результаты учёные объяснили микроскопической моделью, согласно которой чувствительность оптических свойств образцов к их молекулярному окружению определяется обратимой зарядкой/разрядкой Pb-центров – дефектов типа оборванных связей кремния на поверхности нанонитей. Авторы подтвердили модель с помощью измерений методом электронного парамагнитного резонанса, который помогает определить наличие и концентрацию Pb-центров.

«Важно, что полученные нами сенсоры на основе пористых нанонитей кремния не только работают при комнатных температурах, но и могут быть использованы много раз, поскольку наблюдаемые нами эффекты полностью обратимы» — подчеркнула Любовь Осминкина.

Газовые датчики нового типа перспективны как для определения степени загрязнения окружающей среды, так и мониторинга состава воздуха в замкнутых помещениях от учебных аудиторий и до космических станций.

Работа поддерживалась грантом РРФ. Результаты исследования опубликованы в журнале Physica Status Solidi A: Applications and Materials Science.