Грант Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов и докторов наук (МД-172.2021.4)­

Руководитель проекта: Пронин И.А., и.о. заведующего кафедрой «Нано- и микроэлектроника»

Коллектив исполнителей: Карманов А.А., Якушова Н.Д., Сигаев А.П.

Цель проекта: разработка чувствительного элемента газовых сенсоров с высоким быстродействием и заданной величиной сенсорного отклика на основе полупроводникового диоксида олова, полученного золь-гель методом.

Задачи проекта:

1. Разработка методики синтеза матрицы на основе диоксида кремния с квазисферической зернистой структурой с управляемым размером зерна в диапазоне 200 нм – 2 мкм.
2. Разработка методики формирования пленочных матриц диоксида кремния из пленкообразующих золей.
3. Разработка методики синтеза пленкообразующих золей на основе диоксида олова с возможностью создания на их основе полупроводниковой пленки с зернистой структурой с размерами кристаллитов 50 – 200 нм.
4. Разработка методики пропитки матрицы из оксида кремния золями на основе диоксида олова.
5. Разработка методик отжига газочувствительных пленок, а также методик вытравливания матрицы оксида кремния (с возможностью неполного вытравливания и получения двухкомпонентного материала SnO2-SiO2).
6. Изготовление нескольких серий образцов с различным иерархическим дизайном материала.
7. Исследование структуры образцов, полученных по разработанной методике, методами атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии.
8. Исследование влияния размеров зерен оксидов олова и кремния на величину сенсорного отклика и быстродействие разработанных сенсорных элементов.
9. Разработка моделей диффузии анализируемых газов в газочувствительные пленки (с учетом кнудсеновской диффузии).
10. Исследование влияния соотношения фаз оксида кремния и оксида олова на величину сенсорного отклика и быстродействие.
11. Оптимизация разработанных методик с точки зрения достижения заданного быстродействия при выбранной величине сенсорного отклика.
12. Разработка рекомендаций по применению полученных результатов в сенсорике.

Результаты проекта:

Первый этап выполнения проекта посвящен разработке методик синтеза чувствительных элементов газовых сенсоров, а также моделированию кинетики сенсорного отклика полученных материалов с иерархической системой пор, а также кинетики восстановления электрофизических характеристик пленки после снятия внешнего воздействия газа. Была разработана методика синтеза матрицы из оксида кремния золь-гель методом с использованием кислотного и основного катализа гидролитической поликонденсации. В результате получена матрица, состоящая из сферических или близких к ним по форме частиц диоксида кремния с заданными размерами, варьирующимися в диапазоне 200 нм – 2 мкм. Также была разработана методика синтеза золей на основе диоксида олова, которыми пропитывается SiO2 матрица. Контроль размеров и формы частиц диоксидов олова и кремния проводился методами атомно-силовой микроскопии и сканирующей электронной микроскопии. На следующем этапе был осуществлен подбор режимов отжига и вытравливания SiO2 матрицы из разработанного материала (с возможностью неполного вытравливания и получения двухкомпонентного материала SnO2-SiO2). В результате полученный материал имеет иерархическую систему пор с двумя уровня скейлинга: первый (макропоры) задается размером частиц оксида кремния, второй (микро- и мезопоры) задается режимами созревания золя диоксида олова, а также режимами отжига материалов. Проведено моделирование кинетики сенсорного отклика хеморезистивного элемента с иерархической системой пор, а также кинетики восстановления электрического сопротивления материала после снятия внешнего воздействия газа.

Рисунок 1 – Типичный вид матрицы SiO2

Рисунок 2 – Моделирование кинетики срабатывания сенсорного элемента