Фоточувствительные нанокристаллические гибридные материалы для дозиметров оксидов азота

Проект направлен на создание фоточувствительных гибридных материалов, обладающих газовой чувствительностью к оксидам азота (NO, NO2) во влажном воздухе, регенерация электрофизических свойств которых может быть осуществлена за счет излучения видимого диапазона спектра при комнатной температуре. Такие материалы необходимы для сенсорных систем дозиметрического типа, обеспечивающих детектирование низких концентраций (< 1 ppm) оксидов азота в условиях высокой влажности воздуха (90 – 100%). Задачами проекта являются: • Синтез гибридных материалов на основе нанокристаллического оксида индия In2O3 и гетероциклических комплексов Ru(II), обеспечивающих чувствительность материала к излучению видимого диапазона спектра. • Определение влияния строения и электронной структуры фотосенсибилизатора и размеров кристаллических зерен In2O3 на фотоэлектрические свойства гибридных материалов: (i) спектральную зависимость фотопроводимости в сухом и влажном воздухе и в присутствии целевых газов; (ii) кинетику нарастания и спада фотопроводимости в сухом и влажном воздухе и в присутствии целевых газов. • Установление взаимосвязи между характеристиками полупроводниковой матрицы, строением фотосенсибилизатора и сенсорными свойствами гибридных материалов при детектировании оксидов азота NO и NO2 в сухом и влажном воздухе в режиме дозиметра. В соответствии с планом проекта был проведён синтез нанокристаллического оксида индия с размером кристаллитов 13 - 28 нм и удельной площадью поверхности 3 - 72 м2/г, были определены параметры микроструктуры. Содержание хемосорбированного кислорода на поверхности образцов нанокристаллического In2O3 оценивали из данных термопрограммируемого восстановления водородом. Анализ фазового состава и поверхности был проведён методами рентгеновской дифракции, спектроскопии комбинационного рассеяния и ИК-спектроскопии. Было исследовано влияние микроструктуры на электрофизические свойства образцов In2O3-300, In2O3-500 и In2O3-700, отожжённых при разной температуре. Были синтезированы гетероциклические комплексы Ru(II) в качестве фотосенсибилизаторов. Была разработана методика получения органо-неорганических гибридных материалов в форме порошков и толстых пленок на основе In2O3 с различными параметрами микроструктуры и выбранными гетероциклическими комплексами Ru(II). Оптические свойства органических и гибридных материалов изучены методом спектроскопии поглощения в видимом диапазоне спектра. Было установлено, что гетероциклические комплексы приводят к смещению диапазона оптической чувствительности материалов в сторону больших длин волн. Элементный состав и состав поверхности полученных органо-неорганических гибридных материалов были исследованы методами рентгенофлуоресцентного анализа, ИК-спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света. Было проведено исследование кинетики нарастания и спада фотопроводимости гибридных материалов в сухом и влажном воздухе. Было установлено, что одним из основных факторов, влияющих на кинетику фотопроводимости, являются структурные дефекты, которые могут выступать в качестве ловушек носителей заряда. Увеличение температуры отжига приводит к упорядочению системы и структурному совершенству, приводящему к уменьшению концентрации ловушек. Сенсорные свойства по отношению к газам-окислителям NO2 и NO исследованы для образцов чистого и модифицированного In2O3 при комнатной температуре в условиях периодической подсветки синим светом и в режиме дозиметров. Установлено, что модификация поверхности In2O3 органическими красителями приводит к увеличению фоточувствительности и воспроизводимого сенсорного сигнала в присутствии NO2 и NO. Немодифицированные полупроводниковые матрицы In2O3 лучше работают в режиме дозиметров, тогда как на гибридных материалах протекает обратимая адсорбция молекул аналита в темновых условиях. Для изучения реакционной способности полученных материалов в атмосфере NO и NO2 было проведено in-situ исследование методом ИК-спектроскопии (DRIFTS). Наиболее интенсивные полосы поглощения при взаимодействии образцов с оксидами азота соответствуют бидентатным нитритным группам - NO2-, которые в случае с диоксидом азота возникают при непосредственном захвате электронов из зоны проводимости полупроводника, а при взаимодействии с NO образование этих групп может быть связано с окислением молекул монооксида азота кислородом, хемосорбированным на поверхности полупроводниковых оксидов.