Розробка та створення газосенсорної системи на основі низьковимірних металооксидів

Вивчалися особливості фотолюмінісцентних властивостей нанопорошкових металооксидів (ZnO, TiO₂, SnO₂, WO₃), в т. ч. лазерномодифікованих та поверхневолегованих домішками (Au, Ag, Pt, Ni, Cu, Sn), в газах (О₂, N₂, H₂, CO, CO₂). Встановлено характер газосенсорних властивостей нанопорошкових металоокси...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Наука та інновації
Datum:	2016
Hauptverfasser:	Бовгира, Р.В., Жировецький, В.М., Попович, Д.І., Савка, С.С., Середницький, А.С.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2016
Schlagworte:	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117498
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Розробка та створення газосенсорної системи на основі низьковимірних металооксидів / Р.В. Бовгира, В.М. Жировецький, Д.І. Попович, С.С. Савка, А.С. Середницький // Наука та інновації. — 2016. — Т. 12, № 6. — С. 59-65. — Бібліогр.: 11 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-117498
record_format	dspace
spelling	Бовгира, Р.В. Жировецький, В.М. Попович, Д.І. Савка, С.С. Середницький, А.С. 2017-05-23T18:34:22Z 2017-05-23T18:34:22Z 2016 Розробка та створення газосенсорної системи на основі низьковимірних металооксидів / Р.В. Бовгира, В.М. Жировецький, Д.І. Попович, С.С. Савка, А.С. Середницький // Наука та інновації. — 2016. — Т. 12, № 6. — С. 59-65. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. 1815-2066 DOI: doi.org/10.15407/scin12.06.059 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117498 Вивчалися особливості фотолюмінісцентних властивостей нанопорошкових металооксидів (ZnO, TiO₂, SnO₂, WO₃), в т. ч. лазерномодифікованих та поверхневолегованих домішками (Au, Ag, Pt, Ni, Cu, Sn), в газах (О₂, N₂, H₂, CO, CO₂). Встановлено характер газосенсорних властивостей нанопорошкових металооксидів (адсорбційна здатність, швидкодія, чутливість, селективність) та вибрано конструкцію і оптимальні матеріали для побудови реєструючої багатокомпонентної матриці. Встановлено дієздатність побудованої газосенсорної системи для розпізнавання і аналізу газів та їх сумішей. Розроблена газосенсорна система дає змогу детектувати не тільки окремі газові компоненти, але і їх суміші з високою чутливістю і селективністю, що забезпечує можливість вийти на сучасний рівень формування газосенсорних систем з покращеними експлуатаційними характеристиками. Изучались особенности фотолюминесцентных свойств нанопорошковых металооксидов ZnO, TiO₂, SnO₂, WO₃, в т.ч. лазерномодифицированных и поверхностно легированных примесями Au, Ag, Pt, Ni, Cu, Sn, в газах О₂, N₂, H₂, CO, CO₂. Установлен характер газосенсорных свойств нанопорошковых металооксидов (адсорбционная способность, быстродействие, чувствительность, селективность) и выбраны конструкция и оптимальные материалы для построения регистрирующей многокомпонентной матрицы. Установлено дееспособность построенной газосенсорной системы для распознавания и анализа газов и их смесей. Разработанная газосенсорная система дает возможность детектировать не только отдельные газовые компоненты, но и их смеси с высокой чувствительностью и селективностью, что обеспечивает возможность выйти на современный уровень формирования газосенсорных систем с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Peculiarities of photoluminescent properties of metal oxide nanopowders (ZnO, TiO₂, SnO₂, WO₃) including laser- modified and surface doped by impurities (Au, Ag, Pt, Ni, Cu, Sn), in gases (О₂, N₂, H₂, CO, CO₂) were studied. Nature of sensor properties of the metal oxide nanopowders (adsorption capacity, speed, sensitivity, selectivity) were established; the best structure and materials for the development of a multicomponent recording matrix were selected. The efficiency of the constructed sensor system for the gases’ and their mixtures detection and analysis was found. The developed gas sensor system allows detecting not only separate gas components, but their mixture with high sensitivity and selectivity, providing the possibility to reach the modern level of the formation of gas sensor systems with improved performance. Робота виконана в рамках науково-технічного проекту НАН України «Розробка та створення газосенсорної системи на основі низьковимірних металооксидів» (2015 р.), № держреєстрації 0115U002937. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Наука та інновації Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Розробка та створення газосенсорної системи на основі низьковимірних металооксидів Разработка и создание газосенсорной системы на основе низкоразмерных металлооксидов Development and Creating of Gas-Sensor System Based on Low Dimensional Metal Oxides Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Розробка та створення газосенсорної системи на основі низьковимірних металооксидів
spellingShingle	Розробка та створення газосенсорної системи на основі низьковимірних металооксидів Бовгира, Р.В. Жировецький, В.М. Попович, Д.І. Савка, С.С. Середницький, А.С. Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
title_short	Розробка та створення газосенсорної системи на основі низьковимірних металооксидів
title_full	Розробка та створення газосенсорної системи на основі низьковимірних металооксидів
title_fullStr	Розробка та створення газосенсорної системи на основі низьковимірних металооксидів
title_full_unstemmed	Розробка та створення газосенсорної системи на основі низьковимірних металооксидів
title_sort	розробка та створення газосенсорної системи на основі низьковимірних металооксидів
author	Бовгира, Р.В. Жировецький, В.М. Попович, Д.І. Савка, С.С. Середницький, А.С.
author_facet	Бовгира, Р.В. Жировецький, В.М. Попович, Д.І. Савка, С.С. Середницький, А.С.
topic	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
topic_facet	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
publishDate	2016
language	Ukrainian
container_title	Наука та інновації
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
format	Article
title_alt	Разработка и создание газосенсорной системы на основе низкоразмерных металлооксидов Development and Creating of Gas-Sensor System Based on Low Dimensional Metal Oxides
description	Вивчалися особливості фотолюмінісцентних властивостей нанопорошкових металооксидів (ZnO, TiO₂, SnO₂, WO₃), в т. ч. лазерномодифікованих та поверхневолегованих домішками (Au, Ag, Pt, Ni, Cu, Sn), в газах (О₂, N₂, H₂, CO, CO₂). Встановлено характер газосенсорних властивостей нанопорошкових металооксидів (адсорбційна здатність, швидкодія, чутливість, селективність) та вибрано конструкцію і оптимальні матеріали для побудови реєструючої багатокомпонентної матриці. Встановлено дієздатність побудованої газосенсорної системи для розпізнавання і аналізу газів та їх сумішей. Розроблена газосенсорна система дає змогу детектувати не тільки окремі газові компоненти, але і їх суміші з високою чутливістю і селективністю, що забезпечує можливість вийти на сучасний рівень формування газосенсорних систем з покращеними експлуатаційними характеристиками. Изучались особенности фотолюминесцентных свойств нанопорошковых металооксидов ZnO, TiO₂, SnO₂, WO₃, в т.ч. лазерномодифицированных и поверхностно легированных примесями Au, Ag, Pt, Ni, Cu, Sn, в газах О₂, N₂, H₂, CO, CO₂. Установлен характер газосенсорных свойств нанопорошковых металооксидов (адсорбционная способность, быстродействие, чувствительность, селективность) и выбраны конструкция и оптимальные материалы для построения регистрирующей многокомпонентной матрицы. Установлено дееспособность построенной газосенсорной системы для распознавания и анализа газов и их смесей. Разработанная газосенсорная система дает возможность детектировать не только отдельные газовые компоненты, но и их смеси с высокой чувствительностью и селективностью, что обеспечивает возможность выйти на современный уровень формирования газосенсорных систем с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Peculiarities of photoluminescent properties of metal oxide nanopowders (ZnO, TiO₂, SnO₂, WO₃) including laser- modified and surface doped by impurities (Au, Ag, Pt, Ni, Cu, Sn), in gases (О₂, N₂, H₂, CO, CO₂) were studied. Nature of sensor properties of the metal oxide nanopowders (adsorption capacity, speed, sensitivity, selectivity) were established; the best structure and materials for the development of a multicomponent recording matrix were selected. The efficiency of the constructed sensor system for the gases’ and their mixtures detection and analysis was found. The developed gas sensor system allows detecting not only separate gas components, but their mixture with high sensitivity and selectivity, providing the possibility to reach the modern level of the formation of gas sensor systems with improved performance.
issn	1815-2066
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117498
citation_txt	Розробка та створення газосенсорної системи на основі низьковимірних металооксидів / Р.В. Бовгира, В.М. Жировецький, Д.І. Попович, С.С. Савка, А.С. Середницький // Наука та інновації. — 2016. — Т. 12, № 6. — С. 59-65. — Бібліогр.: 11 назв. — укр.
work_keys_str_mv	AT bovgirarv rozrobkatastvorennâgazosensornoísisteminaosnovínizʹkovimírnihmetalooksidív AT žirovecʹkiivm rozrobkatastvorennâgazosensornoísisteminaosnovínizʹkovimírnihmetalooksidív AT popovičdí rozrobkatastvorennâgazosensornoísisteminaosnovínizʹkovimírnihmetalooksidív AT savkass rozrobkatastvorennâgazosensornoísisteminaosnovínizʹkovimírnihmetalooksidív AT serednicʹkiias rozrobkatastvorennâgazosensornoísisteminaosnovínizʹkovimírnihmetalooksidív AT bovgirarv razrabotkaisozdaniegazosensornoisistemynaosnovenizkorazmernyhmetallooksidov AT žirovecʹkiivm razrabotkaisozdaniegazosensornoisistemynaosnovenizkorazmernyhmetallooksidov AT popovičdí razrabotkaisozdaniegazosensornoisistemynaosnovenizkorazmernyhmetallooksidov AT savkass razrabotkaisozdaniegazosensornoisistemynaosnovenizkorazmernyhmetallooksidov AT serednicʹkiias razrabotkaisozdaniegazosensornoisistemynaosnovenizkorazmernyhmetallooksidov AT bovgirarv developmentandcreatingofgassensorsystembasedonlowdimensionalmetaloxides AT žirovecʹkiivm developmentandcreatingofgassensorsystembasedonlowdimensionalmetaloxides AT popovičdí developmentandcreatingofgassensorsystembasedonlowdimensionalmetaloxides AT savkass developmentandcreatingofgassensorsystembasedonlowdimensionalmetaloxides AT serednicʹkiias developmentandcreatingofgassensorsystembasedonlowdimensionalmetaloxides
first_indexed	2025-11-25T21:20:34Z
last_indexed	2025-11-25T21:20:34Z
_version_	1850550655787204608
fulltext	59 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(6): 59—65 doi: https://doi.org/10.15407/scin12.06.059 © Р.В. БОВГИРА, В.М. ЖИРОВЕЦЬКИЙ, Д.І. ПОПОВИЧ, С.С. САВКА, А.С. СЕРЕДНИЦЬКИЙ, 2016 Вивчалися особливості фотолюмінісцентних властивостей нанопорошкових металооксидів (ZnO, TiO 2 , SnO 2 , WO 3 ), в т. ч. лазерномодифікованих та поверхневолегованих домішками (Au, Ag, Pt, Ni, Cu, Sn), в газах (О 2 , N 2 , H 2 , CO, CO 2 ). Встановлено характер газосенсорних властивостей нанопорошкових металооксидів (адсорбційна здат- ність, швидкодія, чутливість, селективність) та вибрано конструкцію і оптимальні матеріали для побудови реєструю- чої багатокомпонентної матриці. Встановлено дієздатність побудованої газосенсорної системи для розпізнавання і аналізу газів та їх сумішей. Розроблена газосенсорна система дає змогу детектувати не тільки окремі газові ком- поненти, але і їх суміші з високою чутливістю і селективністю, що забезпечує можливість вийти на сучасний рівень формування газосенсорних систем з покращеними експлуатаційними характеристиками. К л ю ч о в і с л о в а: металооксидні нанопорошки, люмінесценція, газові сенсори. Р.В. Бовгира, В.М. Жировецький, Д.І. Попович, С.С. Савка, А.С. Середницький Інститут прикладних проблем механіки і математики ім. Я.С. Підстригача НАН України вул. Наукова, 3б, Львів, 79060, Україна, тел. (032) 258-51-83, popovych@iapmm.lviv.ua РОЗРОБКА ТА СТВОРЕННЯ ГАЗОСЕНСОРНОЇ СИСТЕМИ НА ОСНОВІ НИЗЬКОВИМІРНИХ МЕТАЛООКСИДІВ Детектування активних газів та моніторинг повітря є важливими пріоритетами розвинених держав світу по охороні навколишнього сере- довища, що вимагає вдосконалення засобів ви- мірювання хімічного складу газових середовищ та створення нових, більш ефективних і недо- рогих вимірювальних приладів. Особливо ак- туальною ця проблема стає в умовах зростаю- чого забруднення навколишнього середовища, збільшення промислових викидів, а також під- вищення небезпеки тероризму із застосуван- ням вибухонебезпечних і отруйних газових су- мішей. Однак існуючі сенсорні системи дають можливість зареєструвати тільки обмежені кіль- кості газових компонент при відносно невисо- кій чутливості, селективності і швидкодії. На сьогодні в Україні настала гостра необхідність створення малогабаритних ефективних полі- сенсорів, селективно чутливих одночасно до ши- рокого спектру газів і сумішей зі схемою оброб- ки сигналів та малим енергоживленням. Дана робота спрямована на вирішення проблеми під- вищення селективності газочутливих мате- ріалів і, відповідно, газових сенсорів у цілому. Особливістю даної роботи є комплексний під- хід до вирішення пробле ми, що полягає у ви- користанні розробленого нами методу одер- жання нанопорошкового матеріалу і структур на його основі [1—4] та застосуванні люмінес- центного методу для детектування адсорбова- них газових частинок на нанопорошкових ме- талооксидах [5]. Характер роботи напівпровідникового хі міч- ного сенсора ґрунтується на ефекті трансфор- мації ступеня адсорбції в електронний сигнал, який відповідає кількості та різновиду газових частинок, адсорбованих з навколишнього се- редовища [6]. Електронний сигнал відображає властивості напівпровідникового адсорбента при появі на його поверхні детектованих газо- вих частинок. Адсорбовані частинки газу про- яв ляють здатність обмінюватися зарядом з об’єм- ними зонами адсорбента або безпосередньо 60 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(6) Р.В. Бовгира, В.М. Жировецький, Д.І. Попович, С.С. Савка, А.С. Середницький взаємодіяти з електрично активними дефек- тами і домішками напівпровідникових мета- ло ок сидів, змінюючи при цьому їх електронні властивості [7, 8]. Саме висока чутливість елек- трон них властивостей металооксидів до ад- сорбції газів та можливість керувати нею да- ють можливість виготовлення на їх основі га- зочутливих сенсорів [9, 10], відносно дешевих, з малими розмірами, високою чутливістю та селективністю. Вибрані, синтезовані та викорис- тані нами напівпровідникові матеріали ZnO, TiO2, SnO2, Іn2O3, WO3 мають хорошу адсорб- ційну здатність та достатню хімічну стійкість не формувати стійкі хімічні сполуки з адсор- бованими частинками. Саме такі вимоги задо- вольняють вибрані нами напівпровідникові ок- сиди, які мають високу чутливість до адсорб- ції із-за низької концентрації власних вільних носіїв заряду. РЕЗУЛЬТАТИ ЕКСПЕРИМЕНТУ ТА ЇХ АНАЛІЗ Головною особливістю побудованої нами сен- сорної системи (рис. 1) є реєстрація не елект- ричного сигналу, як це має місце в традицій- них газових сенсорах [6, 9], а фотолюмініс- центного спектру світіння нанопорошкового металооксиду з адсорбованими на ньому час- тинками газу (рис. 2, 3) [5]. Електронні енер- гетичні рівні, створені в адсорбенті адсорбо- ваними частинками, дозволяють спостерігати індивідуальні спектральні електронні рівні ад- сорбованих атомів, що дає можливість їх се- лективно ідентифікувати. Адсорбція частинок газів різної природи мо- же викликати однотипні або близькі між собою зміни електронних властивостей адсорбента, що ускладнює детектування певної компонен- ти газової суміші і зумовлює проблему селек- тивності. Для часткового усунення цієї проб- леми пропонуються адсорбенти як різних ме- талооксидів, так і їх відмінних власнодефек- тних структур, в т.ч. лазерно модифікованих [11]. Нанесення певних домішок зі заданою концентрацією ~(1—5) % каталітично актив- них металів дає можливість зміщувати макси- мум чутливості в бік вибраного газу. Зокрема, адсорбовані на поверхні ZnO атоми металів призводять до зменшення чутливості для ато- мів водню внаслідок блокування основних цент- рів адсорбції. Однак зі збільшенням ступеня легування змінюється характер впливу атомів водню на адсорбційні центри надлишкових ато- мів металу. У свою чергу надлишкові атоми Au, Ag, Pt, Pd, Zn, Al, Ni, Cu,Ga, In, Sn на по- верхні ZnO активують детектори по відношен- ню до різних газів. З метою підвищення чутливості сенсора до- сить перспективним виявилося створення ло- калізованої границі розділу між матеріалами з різними електронними влас тивостями, якими є, зокрема, створені нами наносистеми струк- тур Zn—ZnО типу «ядро—оболонка» [1, 2]. У таких гетеросистемах процеси хемосорбції га- зових компонент визначають висоту енерге- тичного бар’єру для носіїв заряду на гетерогра- ниці нанокристалічної системи, a це призводить до виникнення підвищеної (до одного порядку і більше) газової чутливості у порівнянні зі зви- чайним ZnO. З іншого боку, легування нанопо- рошкового матеріалу чи його лазерний відпал може змінювати довжину екранування Дебая і, відповідно, при зводити до росту кількості ад- сорбованих частинок на низькодисперсних струк- турах ZnO. В свою чергу, відповідний вибір Рис. 1. Принципова схема лабораторного макету газо- сенсорної системи Сенсорний блок Сенсорні елементиУФ-джерело CCD-матриця 61ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(6) Розробка та створення газосенсорної системи на основі низьковимірних металооксидів структури, різновиду адсорбента та його розмі- рів також дозволяє проводити селективну ад- сорбцію активних газових частинок. Чутливість запропонованого нами сенсора зростає при легуванні нанопорошкового ма- теріалу ZnO металічними домішками різного роду, оскільки в процесі легування має місце створення як домішкових адсорбційних цен- трів, так і додаткових домішкових рівнів у за- бороненій зоні напівпровідника поблизу зони провідності і, відповідно, збільшення ймовір- ності заповнення цієї зони електронами. По- Рис. 2. Фотолюмінісцентне світіння комірок сенсорної матриці (а) в газовому середовищі (б — повітря, в — СО, г — вакуум, T = 23 °C, ψ = 60 %) Рис. 3. Спектри фотолюмінесценції нанопорошкових сенсорних комірок (рис. 2, а) в різних газових середовищах а б в г Ін те нс ив ні ст ь, в .о . Ін те нс ив ні ст ь, в .о . Ін те нс ив ні ст ь, в .о . 425 475 525 575 625 λ, нм 425 475 525 575 625 λ, нм 425 475 525 575 625 λ, нм Повітря Повітря Повітря Повітря Повітря Повітря Повітря Повітря ПовітряZnO ZnO : Sn ZnO : Cu ZnO : PtZnO : NiZnO : Au SnO2 TiO2 WO3 Вакуум Вакуум Вакуум ВакуумВакуум Вакуум Вакуум Вакуум Вакуум 62 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(6) Р.В. Бовгира, В.М. Жировецький, Д.І. Попович, С.С. Савка, А.С. Середницький мітне зниження газочутливості нанопорошків спостерігається при вологості повітря ≥70 %, причому ця чутливість змінюється при легу- ванні матеріалів. Однією з важливих характеристик сенсора є його швидкодія, яка характеризується ча- сом відклику і часом відновлення, де за час від- клику приймають часовий інтервал, за який фіксована величина змінюється до 0,9 від мак- симального значення. Час відновлення визна- чається як проміжок часу, на протязі якого ви- мірювальний параметр відновлюється до 0,1 від максимальної величини. Нами встановле- но високу швидкодію газочутливості нано- порошкових матеріалів, що для ZnO складає ~100 мсек при виході на сигнал ≥90 % (рис. 4). Спостережуване деяке збільшення інтенсив- ності люмінесценції після його різкого спаду на кінетичній кривій можна пояснити адсорб- ційно-дифузійними процесами на поверхні на- нопорошкового ZnO зі зміною його електрон- них властивостей. Зміна концентрації вільних носіїв заряду в ZnO може впливати на кінети- ку післясвітіння. Збільшення концентрації вільних електронів при адсорбції донорного газу (напр., H 2) призводить до появи максиму- му на кінетичній кривій післясвітіння, зумов- лене тим, що інтенсивність люмінесценції ви- значається концентрацією як вільних елект- ронів, так і йонізованих центрів світіння. При хемосорбції акцепторного газу кисню спостері- гається зменшення концентрації вільних елект- ронів і, відповідно, більш різкий спад інтен- сивності світіння матеріалу. Однак збільшен- ня концентрації вільних дірок може призвести до збільшення числа іонізованих центрів сві- тіння і, відповідно, до збільшення спостере- жуваної інтенсивності післясвітіння. Як пока- зали проведені нами дослідженнями часової залежності зміни інтенсивності фотолюмінес- ценції (рис. 4) вихідного (1) і легованого (2) нанопорошкового ZnO швидкодія останнього значно вища, що визначається значно вищою концентрацією електронів у легованому мате- ріалі. Отже, при хемосорбції акцепторного га- зу характер зміни кінетики післясвітіння буде залежати від того, який процес (зменшення концентрації вільних електронів чи збільшен- ня концентрації іонізованих центрів світіння) ефективніше впливає на світіння нанопорош- кового ZnO. Використання нами каталітичних домішок, нанесених на поверхню матеріалу у вигляді дріб- нодисперсної фази, призводило не тільки до підвищення заданої селективності, але й до збільшення чутливості сенсора по відношен- ню до вибраного газу. Механізм впливу нане- сених каталізаторів на величину і характерис- тики адсорбційного відклику сенсора, а також його селективності пов’язується зі спілловер- ефектом, який виражається зміною рівня Фер- мі напівпровідника адсорбента. Відомо, що збід- нений шар відіграє ключову роль у механізмі чутливості. Формування збідненого шару від- бувається у відповідності з наявними кисне- вими вакансіями в ZnO, які виконують роль пасток для захоплення молекул кисню. Як пра- вило, збільшення товщини збідненого шару призводить до зростання електроопору шару ZnO. Одним із способів підвищення чутли- вості наночастинок ZnO до газів-відновників, таких, як СО, є збільшення кількості захопле- них елект ронів від адсорбованого кисню і, та- ким чином, отримання більшого збідненого ша- Рис. 4. Кінетика зміни інтенсивності фотолюмінесцен- ції нанопорошкового ZnO при додаванні кисню (PO2 = = 90 Па): 1 — ZnO; 2 — ZnO:Al 63ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(6) Розробка та створення газосенсорної системи на основі низьковимірних металооксидів ру, а отже, максимальної зміни люмінесценції. Спостережуване підвищення чутливості ZnO наночастинок до кисню, ймовірно, викликане поєднанням двох ефектів, а саме — електро- нної сенсибілізації і наслідком ефекту дії ката- літичних домішок Pt на поверхні металоок- сидного ZnO. Нами встановлено особливості характеру га- зочутливості нанопорошкового матеріалу, що визначається станом його власно дефектної та домішкової структур в умовах прояву електро- статичного радіуса Дебая при адсорбції газу. При цьому має місце зниження адсорбційної здатності нанопорошку в міру зменшення роз- міру наногранул (d ≤ 40 нм), що зумовлює по- требу використання для газової сенсорики на- нопорошків з розміром гранул d ≥ 40÷60 нм. Для практичної реалізації запропоновано- го нами газового сенсора доцільне викорис- тання мультисенсорної багатоканальної сис- теми (рис. 1), що має набір адсорбентів мета- лооксидів різної модифікації, які характери- зуються відмінною чутливістю по відношен- ню до різних частинок газу (рис. 2, a) та одно- часне вимірювання сигналів усіх комірок матри ці (рис. 2, б—г) за допомогою ПЗС-мат- риці, спект ральні характеристики яких наве- дені на рис. 3. Їх цифрова обробка дає можли- вість знач но підвищити селективність аналі- зу та визначати концентрації і різновид бага- тьох активних адсорбованих газових частинок водночас на поверхні металооксиду. Створе- но алгоритм та програму розпізнавання газових компонент шляхом аналізу характеру спект- рального світіння комірок матриці та вста- новлено дієздатність побудованої газосенсор- ної системи для розпізнавання і аналізу газів та їх сумішей. Сенсори повинні володіти селек- тивністю відклику по відношенню до пев ного газу та мати при цьому високу стабільність від- творюва ності сигналу і протязі три валого пе- ріоду роботи сенсора. Ця проблема нами ви рі- шуєть ся шляхом періодичної регенерації поверх- ні шляхом нагрівання, вакуумування, УФ-опро- мінення тощо. ВИСНОВКИ Встановлені особливості фотолюмінісцент- них властивостей нанопорошкових металоок- сидів ZnO, TiO2, SnO2, Іn2О3, WO3, в т.ч. лазер- но модифікованих та поверхнево легованих домішками Au, Ag, Pt, Pd, Ni, Cu, Sn, в газах О2, N2, H2, CO, CO2. Виявлено характер газосен- сорних властивостей нанопорошкових мета- лооксидів (адсорбційна здатність, швидкодія, чутливість, селективність) та вибрано конструк- цію і оптимальні матеріали для побудови ре- єструючої багатокомпонентної матриці (3 × 3). Реєстрація свічення при допомозі ПЗС-мат- риці з наступним цифровим аналізом одержа- ного сигналу дає змогу визначити якісний і кількісний склади газових компонент в аналі- зованому середовищі. Створено алгоритм та про- граму розпізнавання газових компонент шля- хом аналізу характеру спектрального світіння комірок матриці та встановлено дієздатність побудованої газосенсорної системи для розпіз- навання та аналізу газів та їх сумішей. Робота виконана в рамках науково-тех ніч- ного проекту НАН України «Розробка та ство- рення газосенсорної системи на основі низько- вимірних металооксидів» (2015 р.), № держре- єстрації 0115U002937. ЛІТЕРАТУРА 1. Пат. України № 11169 МПК С01В 13/14. Спосiб одер- жання нанопорошкових матеріалів і структур на їх основі. Котлярчук Б.К., Попович Д.І., Середниць- кий А.С., Жировецький В.М., Мойса М.І. Опубл. 15.12.2005. Бюл. № 12. 2. Gafiychuk V.V., Ostafiychuk B.K., Popovych D.I., Po- povych I.D., Serednytski A.S. ZnO nanoparticles pro- duced by reactive laser ablation. Applied Surface Science. 2011. V. 257, № 11. P. 8369—8401. 3. Котлярчук Б.К., Миронюк І.Ф., Попович Д.І., Серед- ницький А.С. Одержання нанопорошкових окис них матеріалів та дослідження їх люмінесцентних влас- тивостей. Фізика і хімія твердого тіла. 2006. T. 7, № 3. С. 490—494. 4. Попович Д.І, Середницький А.С. Газовий сенсор на основі нанопорошкових металооксидів. Науково-тех- нічна конференція «Перспективи розвитку ракет- них військ і артилерії сухопутних військ», Львів, 9 листопада 2015 р., 2015, ч. 2. С. 105 64 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(6) Р.В. Бовгира, В.М. Жировецький, Д.І. Попович, С.С. Савка, А.С. Середницький 5. Пат. України № 8371 МПК G01N 30/00. Спосiб реє- страції газів з допомогою люмінесценції нанопо- рошкових окисних матеріалів. Котлярчук Б.К., По- пович Д.І., Середницький А.С. Опубл. 15.08.2005. Бюл. № 8. 6. Helwig A. Principles of gas sensing at semiconductor sur- faces. Andreas Helwig. Mu..nchen: Hieronymus, 2008. 174 с. 7. Бовгира О.В., Бовгира Р.В., Коваленко М.В., Попо- вич Д.І., Середницький А.С. Вивчення структурних та електронних властивостей кластерів ZnO мето- дом теорії функціонала густини. Журнал нано- та електронної фізики. 2013. Т. 5, № 1. С. 01027(6cc). 8. Бовгира О.В., Бовгира Р.В., Попович Д.І., Середниць- кий А.С. Дослідження електронних властивостей кластера (ZnO)12 при адсорбції газів методом теорії функціонала густини. Журнал нано- та електро- нної фізики. 2015. Т. 7, № 4. С. 04090(6cc). 9. Comini E., Baratto C., Concina I., Faglia G., Falasconi M., Ferroni M., Galstyan V., Gobbi E., Ponzoni A., Vomiero A., Zappa D., Sberveglieri V., Sberveglieri G. Metal oxide na- noscience and nanotechnology for chemical sensors. Sen- sors and Actuators B: Chemical. 2013. V. 179. P. 3—20. 10. Maier K., Helwig A., Mu..ller G., Becke P., Hille P., Scho..r- mann J., Teubert J., Eickhoff M. Detection of oxidising gases using an optochemical sensor system based on GaN/InGaN nanowires. Sensors and Actuators B. 2014. 197. P. 87—94. 11. Kovalyuk В., Kovalyuk В., Mocharskyi V., Nikiforov Yu., Onisimchuk V., Popovych D., Serednytski A., Zhy ro vets- ky V. Modification of structure and luminescence of ZnO nanopowder by the laser shock-wave treatment. Physica Status Solidi (с). 2013. V. 10, № 10. P. 1288—1291. REFERENCES 1. Patent of Ukraine No. 11169. Kotlyarchuk B.K., Po po- vych D.I., Serednytski A.S., Zhyrovetsky V.M., Moysa M.I. Method of producing powder materials and struc tures on their basis [in Ukrainian]. 2. Gafiychuk V.V., Ostafiychuk B.K., Popovych D.I., Po- povych I.D., Serednytski A.S. ZnO nanoparticles pro- duced by reactive laser ablation. Applied Surface Science. 2011. 257(20): 8369—8401. 3. Kotlyarchuk B.K., Myronyuk I.F., Popovych D.I., Se red- nytski A.S. Oderzhannia nanoporoshkovykh okysnykh ma- terialiv ta doslidzhennia ikh liuminestsentnykh vlas ty vos- tej. Fizyka i Khimiia Tverdoho Tila (Physics and Chemistry of Solid State). 2006. 7(3): 490—494 [in Uk rainian]. 4. Popovych D.I, Serednytski A.S. Hazovyj sensor na os- novi nanoporoshkovykh metalooksydiv. In: Naukovo-tekh- nichna konferentsiia «Perspektyvy rozvytku raketnykh vijs’k i artylerii sukhoputnykh vijs’k» (Scientific and tech- nical conference «Prospects of development of missile troops and artillery of the Army»), November 9, 2015, L’viv [in Ukrainian]. 5. Patent of Ukraine No. 8371. Kotlyarchuk B.K., Popo- vych D.I., Serednytski A.S. Method of gas registration by means of luminescence of nanopowders oxide [in Ukrainian]. 6. Andreas Helwig. Principles of gas sensing at semi con- ductor surfaces. Mu..nchen: Hieronymus, 2008. 7. Bovgyra O.V., Bovgyra R.V., Kovalenko M.V., Popo- vych D.І., Serednytski А.S. Vyvchennia strukturnykh ta elektronnykh vlastyvostej klasteriv ZnO metodom teorii funktsionala hustyny. Zhurnal Nano- ta Elekt ron- noi Fizyky ( Journal of Nano- and Electronic Physics). 2013. 5(1): 01027(1)-01027(6) [in Ukrainian]. 8. Bovgyra O.V., Bovgyra R.V., Popovych D.І., Serednyts- ki А.S. Doslidzhennia elektronnykh vlastyvostej klas- tera (ZnO) 12 pry adsorbtsii haziv metodom teorii funk- tsionala hustyny. Zhurnal Nano- ta Elektronnoi Fizyky (Journal of Nano- and Electronic Physics). 2015. 7(4): 04090(1)-04090(6) [in Ukrainian]. 9. Comini E., Baratto C., Concina I., Faglia G., Falasconi M., Ferroni M., Galstyan V., Gobbi E., Ponzoni A., Vomiero A., Zappa D., Sberveglieri V., Sberveglieri G. Metal oxide nanoscience and nanotechnology for chemical sensors. Sensors and Actuators B: Chemical. 2013. 179: 3—20. 10. Maier K., Helwig A., Mu..ller G., Becke P., Hille P., Scho..r- mann J., Teubert J., Eickhoff M. Detection of oxidising ga ses using an optochemical sensor system based on GaN/InGaN nanowires. Sensors and Actuators B. 2014. 197: 87—94. 11. Kovalyuk B., Kovalyuk B., Mocharskyi V., Nikiforov Yu., Onisimchuk V., Popovych D., Serednytski A., Zhyro- vets ky V. Modification of structure and luminescence of ZnO nanopowder by the laser shock-wave treatment. Physica Status Solidi (с). 2013. 10(10): 1288—1291. 65ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(6) Розробка та створення газосенсорної системи на основі низьковимірних металооксидів R.V. Bovhyra, V.M. Zhyrovetskyy, D.I. Popovych, S.S. Savka, A.S. Serednytskij Pidstryhach Institute for Applied Problems of Mechanics and Mathematics, the NAS of Ukraine, 3-b, Naukova Str., L’viv, 79060, Ukraine, Phone +38 (032) 258-51-83, popovych@iapmm.lviv.ua DEVELOPMENT AND CREATING OF GAS-SENSOR SYSTEM BASED ON LOW DIMENSIONAL METAL OXIDES Peculiarities of photoluminescent properties of metal oxide nanopowders (ZnO, TiO2, SnO2, WO3) including la- ser-modified and surface doped by impurities (Au, Ag, Pt, Ni, Cu, Sn), in gases (О2, N2, H2, CO, CO2) were studied. Nature of sensor properties of the metal oxide nanopowders (adsorption capacity, speed, sensitivity, selectivity) were established; the best structure and materials for the devel- opment of a multicomponent recording matrix were select- ed. The efficiency of the constructed sensor system for the gases’ and their mixtures detection and analysis was found. The developed gas sensor system allows detecting not only separate gas components, but their mixture with high sensi- tivity and selectivity, providing the possibility to reach the modern level of the formation of gas sensor systems with improved performance. Keywords : metal oxide nanopowders, luminescence, gas sensor. Р.В. Бовгира, В.М. Жировецкий, Д.И. Попович, С.С. Савка, А.С. Середницкий Институт прикладных проблем механики и математики им. Я.С. Пидстрыгача НАН Украины, ул. Наукова, 3б, Львов, 79060, Украина, тел. (032) 258-51-83, popovych@iapmm.lviv.ua РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ГАЗОСЕНСОРНОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ МЕТАЛЛООКСИДОВ Изучались особенности фотолюминесцентных свойств нанопорошковых металооксидов ZnO, TiO2, SnO2, WO3, в т.ч. лазерномодифицированных и поверхностно легирован- ных примесями Au, Ag, Pt, Ni, Cu, Sn, в газах О2, N2, H2, CO, CO2. Установлен характер газосенсорных свойств нанопо- рошковых металооксидов (адсорбционная способность, быстродействие, чувствительность, селективность) и вы- браны конструкция и оптимальные материалы для постро- ения регистрирующей многокомпонентной матрицы. Уста- новлено дееспособность построенной газосенсорной систе- мы для распознавания и анализа газов и их смесей. Разработанная газосенсорная система дает возможность де- тектировать не только отдельные газовые компоненты, но и их смеси с высокой чувствительностью и селективностью, что обеспечивает возможность выйти на современный уро- вень формирования газосенсорных систем с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Ключевые слова : металооксидные нанопорошки, лю- минесценция, газовые сенсоры. Стаття надійшла до редакції 20.05.16

Розробка та створення газосенсорної системи на основі низьковимірних металооксидів

Institution

Ähnliche Einträge