Селективность взаимодействия полупроводниковых нанокристаллических оксидов с газами: роль каталитических кластеров

Синтезированы образцы нанокристаллических полупроводниковых оксидов, допированных донорным атомом (концентрация добавки 0,5 - 5 ат.%): SnO₂(Sb), In₂O₃(Sn), ZnO(Ga,In). Показано, что допанты не образуют новых фаз и не приводят к изменению параметров ячейки основной фазы. В то же время, введение донорных добавок способствует уменьшению на 10-30% среднего размера частиц основной фазы и росту удельной площади поверхности. На основе допированных полупроводниковых матриц синтезированы нанокомпозиты состава SnO₂(Sb)/PdO и In₂O₃(Sn)/PdO с целью разработки материалов для детектирования газа CO в воздухе при комнатной температуре. Созданы прототипы газовых сенсоров на основе алундовой нагреваемой подложки с напыленными Pt-контактами. Методом in situ измерения электропроводности исследована сенсорная чувствительность нанокомпозитов по отношению к токсичным газам, присутствующим на уровне ПДК в воздухе: CO, NH₃, NO₂, NO, SO₂. Показано, что наибольшей чувствительностью к CO обладают нанокомпозиты SnO₂/PdO, особенно в области температур, близким к комнатной. Однако низкая температура измерений обусловливает высокую резистивность материалов и для снижения удельного сопротивления до значений, которые могут быть легко измерены без специального оборудования; эффективно допирование матрицы диоксида олова сурьмой. Сенсоры на основе SnO₂(Sb)/PdO, допированного 2 ат.% сурьмы, имеют сопротивление порядка 10 - 50 МОм при комнатной температуре на воздухе. Показано, что введение донорных примесей в SnO₂(Sb)/PdO и In₂O₃(Sn)/PdO, приводит к снижению сенсорной чувствительности к CO при комнатной температуре. Выявлено, что наибольшей чувствительностью к аммиаку обладают материалы, модифицированные оксидом рутения, причем наибольший сигнал наблюдается при нагревании до 150 - 200⁰С. Методами in situ ИК-спектроскопии диффузного отражения, измерений работы выхода, РФЭС и ЭПР исследована роль каталитических кластеров и активных центров в селективном повышении чувствительности нанокомпозитов по отношению к CO и NH₃.