РАЗРАБОТКА НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ОСНОВ СОЗДАНИЯ МУЛЬТИСЕНСОРНЫХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КООРДИНАЦИОНННЫХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТАЛЛОВ В КАЧЕСТВЕ ПРЕКУРСОРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МЕТАЛЛООКСИДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ И ПОЛУЧЕНИЯ СТАБИЛЬНЫХ ДИСПЕРСИЙ БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ФОРМИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГАЗОВЫХ СЕНСОРОВ

Объектом исследований являются функциональные чернила на основе координационных соединений металлов, наночастицы благородных металлов и дисперсии на их основе, а также получаемые с их применением полупроводниковые металлооксидные наноматериалы, проводящие и каталитически активные покрытия и микроструктуры. Цель работы по первому этапу – разработка научно-технических основ создания газоаналитических мультисенсорных систем с использованием координационных соединений металлов в качестве прекурсоров полупроводниковых металлооксидных наноматериалов и научно-технических основ синтеза наночастиц благородных металлов и получения на их основе высококонцентрированных стабильных дисперсий для использования в технологических процессах формирования функциональных элементов газовых сенсоров. Получены следующие результаты. Разработаны методики получения функциональных чернил на основе гидролитически активных гетеролигандных координационных соединений состава [M(C5H7O2)x(C4H9O)y] (где M = Mn, Ti, Ce, Zr, Zn, Cr, Co, Sn). Гидролитическая активность синтезируемых комплексов достигается за счет контролируемого снижения степени экранирования центральных атомов при частичном замещении хелатных лигандов на алкоксильные фрагменты. Показано, что истинные растворы гидролитически активных гетеролигандных координационных соединений широкого спектра металлов являются удобными при использовании в качестве функциональных чернил для формирования тонкопленочных полупроводниковых оксидных наноматериалов состава Mn3O4, TiO2–10.9%ZrO2, CeO2–5.4%ZrO2, ZnO, TiO2–1.1%Cr2O3, Cr2O3–2.6%TiO2, Co3O4 и SnO2 на подложках различного типа с помощью современных печатных технологий, а при варьировании состава и реологических свойств соответствующих чернил могут быть получены планарные оксидные структуры с минимальными латеральными размерами от 30 до 200 мкм, состоящие из частиц размером от единиц до десятков нанометров. Полученные функциональные чернила использованы для формирования газочувствительных слоев металлооксидных наноматериалов толщиной менее 70 нм с проводимостью p- и n-типа на поверхности мультиэлектродного чипа на основе оксидированного кремния с применением метода микроплоттерной печати. Проведены исследования состава, структуры и хеморезистивных свойств полученных наноматериалов. Установлено, что мультисенсорная система, реализованная на одном чипе на основе восьми вышеуказанных оксидных наноматериалов, обеспечивает возможность идентификации летучих органических соединений, таких как одноатомные спирты, при их концентрации в воздухе на уровне нескольких ppm. Предложенный подход является перспективным техническим решением для создания надежных и экономически эффективных устройств электронного обоняния. С использованием технологии искровой абляции разработана методика получения наночастиц из платиновых слитков с использованием воздуха в качестве газа-носителя. Максимальная производительность синтеза 400 мг/ч достигнута при энергии импульса 0,5 Дж и частоте следования импульсов 250 Гц. Синтезированный наноматериал, состоящий из аморфного оксида платины (83 масс.%) и металлической платины (17 масс.%) использован для приготовления функциональных коллоидных чернил. Полученные чернила характеризуются следующими основными параметрами: концентрация платины – 24,5 масс.%, вязкость – 11,4 мПа•с (25 °C), поверхностное натяжение – 43,9 мН/м (25 °C), температура кипения растворителя – 119,6 °C. Отжиг нанесенных чернил при 750 °C приводит к формированию поликристаллического материала с удельным сопротивлением 1,2•10–7 Ом•м (25 °C), содержащего 99,7 масс.% платины. Данные чернила использованы для изготовления проводящих линий и микронагревателей на подложках из оксида алюминия и мембранах из низкотемпературной совместно обжигаемой керамики (LTCC) толщиной 20 мкм с использованием технологии аэрозольной печати. Электрическая мощность, потребляемая микронагревателями, изготовленными на LTCC мембранах, составила порядка 140 мВт при температуре горячей части 500 °C. Данный результат позволяет рассматривать эти структуры в качестве перспективных микронагревательных элементов (micro-hotplates) металлооксидных полупроводниковых газовых сенсоров. Продемонстрирована каталитическая активность наночастиц, полученных методом искрового разряда с использованием слитков платины и палладия в качестве исходных материалов, посредством измерений тепловых откликов микронагревателей на водород, метан и изопропанол в смеси с воздухом, что открывает перспективы применения технологии искровой абляции для синтеза наноразмерных катализаторов, которые могут быть использованы в изготовлении термокаталитических газовых сенсоров, в частности МЭМС пеллисторов. Экономическая эффективность проекта заключается в возможности применения функциональных чернил на основе координационных соединений металлов и наночастиц благородных металлов в изготовлении функциональных элементов (чувствительных слоев, микронагревателей и электродов) металлооксидных полупроводниковых газовых сенсоров и каталитических слоев термокаталитических газовых сенсоров с применением методов печатной электроники, что обеспечивает возможность снижения их себестоимости вследствие экономии используемых материалов и относительно невысокой стоимости применяемого технологического оборудования (струйные принтеры, плоттеры), а также возможность расширения сферы их применения за счет снижения потребляемой ими мощности благодаря использованию в качестве подложек тонких керамических мембран и малости размеров нагретого участка (micro-hotplate), на который наносится слой газочувствительного материала. По результатам первого этапа опубликовано пять работ в журналах квартилей Q1//Q2, индексируемых Scopus, со ссылкой на проект государственного задания 075-00337-20-03.