Влияние паров воды на проводимость и отклик к парам этанола газочувствительных наноструктурированных слоёв ZnO при комнатной температуре

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В работе представлены результаты исследования газочувствительности плёночных наноструктур на основе ZnO при комнатной температуре. Целью исследования являлось установление влияния влажности окружающей среды на проводимость образцов ZnO , а также на характер их отклика к парам этилового спирта в присутствии паров воды. Установлено, что слои оксида цинка имеют чувствительность к парам воды и этанола при комнатной температуре в широком диапазоне их концентраций (от 5 до 50% насыщенного пара). Обнаружено, что последовательные напуски паров воды приводят к дрейфу проводимости образцов оксида цинка в атмосфере сухого воздуха, а предварительный отжиг образцов при 400°C позволяет воспроизводить концентрационную зависимость отклика газочувствительных структур к парам воды. На концентрационной зависимости отклика к парам воды в диапазоне концентраций от 5 до 90% относительной влажности воздуха обнаружен гистерезис, который может быть обусловлен капиллярной конденсацией паров воды в мезопорах слоёв оксида цинка. Установлено, что с увеличением влажности газовой пробы, содержащей пары этанола, уменьшаются значения отклика и предел обнаружения этанола в газо-воздушной смеси образцами ZnO . Результаты проведенного статистического анализа данных методом главных компонент показали принципиальную возможность классификации сухой и влажной газовых проб, содержащих пары этанола в воздухе. Продемонстрировано, что статистическая обработка данных позволяет исключить влияние уровня фоновой влажности на калибровочную кривую отклика газочувствительных образцов оксида цинка.

Об авторах

Никита Александрович Клычков

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского

Email: nklychkov@mail.ru
аспирант 3-го года обучения, Институт физики

Вячеслав Владимирович Симаков

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского

д.т.н., профессор кафедры материаловедения, технологии и управления качеством

Илья Владимирович Синёв

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского

к.ф.-м.н., доцент кафедры материаловедения, технологии и управления качеством

Вера Васильевна Ефанова

Приволжский государственный университет путей сообщения

д.х.н., доцент

Андрей Михайлович Захаревич

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского

к.ф.-м.н., заведующий лабораторией диагностики наноматериалов и структур

Список литературы

  1. Simakov, V.V. Variation of the conductivity of a thin film of tin dioxide in response to stepwise gas sampling / V.V. Simakov, O.V. Yakusheva, A.S. Voroshilov et al. // Technical Physics Letters. - 2006. - V. 32. - I. 8. - P. 725-728. doi: 10.1134/S1063785006080256.
  2. Zhu, L. Room-temperature gas sensing of ZnO-based gas sensor: a review / L. Zhu, W. Zeng // Sensors and Actuators A: Physical. - 2017. - V. 267. - P. 242-261. doi: 10.1016/j.sna.2017.10.021.
  3. Wang, Y. Controllable synthesis of ZnO nanoflowers and their morphology-dependent photocatalytic activities / Y. Wang, X. Li, N. Wang, et al. // Separation and Purification Technology. - 2008. - V. 62. - I. 3. - P. 727-732. doi: 10.1016/j.seppur.2008.03.035.
  4. Gupta, S.K. Development of gas sensors using ZnO nanostructures / S.K. Gupta, A. Joshi, M. Kaur // Journal of Chemical Sciences. - 2010. - V. 122. - P. 57-62. doi: 10.1007/s12039-010-0006-y.
  5. Fan, S.W. Nanopatterned polycrystalline ZnO for room temperature gas sensing / S.W. Fan, A.K. Srivastava, V.P. Dravid // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2010. - V. 144. - I. 1. - P. 159-163. doi: 10.1016/j.snb.2009.10.054.
  6. Синёв, И.В. Влияние освещения на распознавательную способность мультисенсорных микросистем на основе нитевидных нанокристаллов диоксида олова / И.В. Синёв, Н.А. Клычков, Д.А. Тимошенко, В.В. Симаков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2020. - Вып. 12. - С. 713-721. doi: 10.26456/pcascnn/2020.12.713.
  7. Kirkwood, N. Enhancing quantum dot LED efficiency by tuning electron mobility in the ZnO electron transport layer / N. Kirkwood, B. Singh, P. Mulvaney // Advanced Materials Interfaces. - 2016. - V. 3. - I. 22. - Art. №. 1600868. - 7 p. doi: 10.1002/admi.201600868.
  8. Hofmann, D.M. Properties of the oxygen vacancy in ZnO / D.M. Hoffman, D. Pfisterer, J. Sann et al. // Applied Physics A. - 2007. - V. 88. - P. 147-151. doi: 10.1007/s00339-007-3956-2.
  9. Liu, L. Oxygen vacancies: The origin of n-type conductivity in ZnO / L. Liu, Z. Mei, A. Tang // Physical Review B. - 2016. - V. 93. - I. 23. - P. 235305-1-235305-6. doi: 10.1103/PhysRevB.93.235305.
  10. Клычков, Н.А. Математическое моделирование проводимости поликристаллических слоёв широкозонных полупроводников при адсорбции на их поверхности газов - восстановителей в присутствии кислорода / Н.А. Клычков, Д.В. Курмашева, В.В. Симаков, И.В. Синев // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 424-431. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.424.
  11. Simakov, V. Gas identification by quantitative analysis of conductivity-vs-concentration dependence for SnO2 sensors / V. Simakov, A. Voroshilov, A. Grebennikov, N. Kucherenko, O. Yakusheva, V. Kisin, // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2009. - V. 137. - I. 2. - P. 456-461. doi: 10.1016/j.snb.2009.01.005.
  12. Симаков, В.В. Влияние паров воды и освещения на проводимость тонких пленок диоксида олова при комнатной температуре / В.В. Симаков, И.В. Синев, А.В. Смирнов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2017. - Вып. 9. - С. 449-454. doi: 10.26456/pcascnn/2017.9.449.
  13. Wang, C. Metal oxide gas sensors: sensitivity and influencing factors / C. Wang, L. Yin, L. Zhang et al. // Sensors. - 2010. - V. 10. - I. 3. - P. 2088-2106. doi: 10.3390/s100302088.
  14. Lee, J. Precise control of surface oxygen vacancies in ZnO nanoparticles for extremely high acetone sensing response /j. Lee, Y. Choi, B.J. Park et al. // Journal of Advanced Ceramics. - 2022. - V. 11. - I. 5. - P. 769-783. doi: 10.1007/s40145-022-0570-x.
  15. Fang, Z.B. Influence of post-annealing treatment on the structure properties of ZnO films / Z.B. Fang, Z.J. Yan, Y.S. Tan et al. // Applied surface science. - 2005. - V. 241. - I. 3-4. - P. 303-308. doi: 10.1016/j.apsusc.2004.07.056.
  16. Gurylev, V. Defect engineering of ZnO: Review on oxygen and zinc vacancies / V. Gurylev, T.P. Perng // Journal of the European Ceramic Society. - 2021. - V. 41. - I. 10. - P. 4977-4996. doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.03.031.
  17. Bai, Z. Effect of humidity on the gas sensing property of the tetrapod-shaped ZnO nanopowder sensor / Z. Bai, C. Xie, M. Hu et al. // Materials Science and Engineering: B. - 2008. - V. 149. - I. 1. - P. 12-17. doi: 10.1016/j.mseb.2007.11.020.
  18. Raymand, D. Water adsorption on stepped ZnO surfaces from MD simulation / D. Raymand, A.C.T. van Duin, D. Spångberg et al. // Surface Science. - 2010. - V. 604. - I. 9-10. - P. 741-752. doi: 10.1016/j.susc.2009.12.012.
  19. Calzolari, A. Water adsorption on nonpolar ZnO (10 0) surface: a microscopic understanding / A. Calzolari, A. Catellani // The Journal of Physical Chemistry C. - 2009. - V. 113. - I. 7. - P. 2896-2902. doi: 10.1021/jp808704d.
  20. Dulub, O. Observation of the dynamical change in a water monolayer adsorbed on a ZnO surface / O. Dulub, B. Meyer, U. Diebold // Physical Review Letter. - 2005. - V. 95. - I. 13. - P. 136101-1-136101-4. doi: 10.1103/PhysRevLett.95.136101.
  21. Yu, S. Effects of pH on high-performance ZnO resistive humidity sensors using one-step synthesis / S. Yu, H. Zhang, J. Zhang, Z. Li // Sensors. - 2019. - V. 19. - I. 23. - Art. №. 5267. - 11 p. doi: 10.3390/s19235267.
  22. Korotcenkov, G. Kinetics of gas response to reducing gases of SnO2 films, deposited by spray pyrolysis / G. Korotcenkov, V. Brinzari, V. Golovanov, Y. Blinov // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2004. - V. 98. - I. 1. - P. 41-45. doi: 10.1016/j.snb.2003.08.022.
  23. Erol, A. Humidity sensing properties of ZnO nanoparticles synthesized by sol-gel process / A. Erol, S. Okur, B.Comba et al. // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2010. - V. 145. - I. 1. - P. 174-180. doi: 10.1016/j.snb.2009.11.051.
  24. Клычков, Н.А. Динамика отклика сенсора на основе наноструктурированного слоя диоксида олова при воздействии паров изопропанола / Н.А. Клычков, В.В. Симаков, И.В. Синев, Д.А. Тимошенко // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2021. - Вып. 13. - С. 708-716. doi: 10.26456/pcascnn/2021.13.708.
  25. Kwak, G. Adsorption and reaction of ethanol on ZnO nanowires / G. Kwak, K. Yong // The Journal of Physical Chemistry C. - 2008. - V. 112. - I. 8. - P. 3036-3041. doi: 10.1021/jp7103819.
  26. Meyer, B. Water adsorption on ZnO ( ): from single molecules to partially dissociated monolayers / B. Meyer, H. Rabaa, D. Marx // Physical Chemistry Chemical Physics. - 2006. - V. 8. - I. 13. - P. 1513-1520. doi: 10.1039/b515604a.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).