Ученые ЛЭТИ получили композит с иерархической пористой структурой, перспективный для создания высокочувствительных датчиков опасных газов

Загрязнение атмосферы является одним из основных негативных последствий для окружающей среды от индустриальной деятельности человека (работа заводов, электростанций, угольных шахт и пр.), а также от использования техники и транспорта на горючем топливе. Выделяемые  в ходе этих процессов вредные газы влияют не только на природу, но и со временем вызывают опасные болезни у людей. 

Кроме того, ряд опасных токсинов в газообразном состоянии практически не имеет цвета и запаха (например, метан). Поэтому имеют место ситуации, когда шахтеры или рабочие химпроизводств могут за короткое время и незаметно для себя получить сильное отравление. Для предотвращения подобных инцидентов ученые занимаются разработкой различных видов газоанализаторов, которые бы обладали достаточной точностью и дешевизной, чтобы можно было наладить массовое производство.

«Мы синтезировали новый композиционный наноматериал, в его основе подложка из мезо-макропористого кремния с иерархическим строением, покрытая слоями оксида цинка (ZnO). В данной работе мы исследовали особенности формирования оксида цинка на различных уровнях иерархии пористой текстуры. Наши исследования показывают, что благодаря своим характеристикам полученная структура является перспективной для создания высокочувствительных датчиков опасных газов».

Ученые использовали пористый кремний в качестве подложки по следующим причинам. Во-первых, пористая структура позволяет увеличить у будущего сенсора рабочую поверхность, от размера которой зависит чувствительность устройства. Во-вторых, кремний является широко распространенным полупроводниковым материалом для электроники. Это значит, что в будущем новый композит будет гораздо проще внедрить в производство. Подложка из пористого кремния была синтезирована в ЛЭТИ. 

Затем исследователи из Казахстана при помощи пневматического аэрографа наносили жидкий раствор оксида цинка при температуре 350-400 градусов. Таким образом на кремниевых подложках последовательно образовывалось несколько наноразмерных слоев ZnO. Полученные композиты обжигались при высокой температуре.

Физические и электронные свойства материалов ученые изучали с помощью методов сканирующей электронной микроскопии,  атомно-силовой микроскопии, а также ЭПР-спектроскопии. Результаты исследования показали высокую чувствительность и селективность композитов к загрязнителям. 

«Данные материалы получены технологически простыми методами, что отражает их потенциальную широкую применимость. При этом результаты исследований показывают, что сенсоры на данной основе могут детектировать опасные газы в очень низкой концентрации. Мы верим в перспективу использования наших композиционных материалов в качестве высокочувствительных сенсоров нового поколения применяемых в индустрии».

Результаты работы опубликованы в научном журнале Processes. В исследовании приняли участие ученые СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Казахского Национального исследовательского технического университета им. К. И. Сатпаева и Казахского Национального университета им. аль-Фараби.

Исследование ведется в русле научно-исследовательской политики программы развития СПбГЭТУ «ЛЭТИ» «Приоритет 2030».