XXIV Международная школа-конференция имени профессора Б.А. Калина «НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ: Перспективные технологии и методы исследования материалов»

ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ПЛЁНКИ ОКСИДОВ МЕДИ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ОДНОСТЕННЫМИ УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ, ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ПАРОВ АЦЕТОНА

Not scheduled

Актовый зал главного корпуса (НИЯУ МИФИ)

Description

Пары ацетона являются одним из ключевых маркеров диабета в выды-хаемом человеком воздухе, их пороговая концентрация для диагностики составляет 1,2-2,0 ppm. Разработка высокочувствительных сенсоров, спо-собных детектировать пары ацетона при комнатной температуре, является актуальной задачей медицинской диагностики. Среди полупроводниковых металлооксидов особое внимание привлекают оксиды меди (I) и (II), благодаря их узкой запрещенной зоне и высокой концентрации кислородных вакансий. Введение углеродных наноматериалов, в частности одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ), в пленки оксидов меди способствует снижению рабочей температуры детектирования за счет формирования гетеропереходов, увеличения эффективной поверхности и появления дополнительных активных центров [1, 2]. В связи с этим, в данной работе приведены результаты исследования чувствительности меднооксидных и модифицированных ОУНТ пленок к низким концетрациям паров ацетона при комнатной температуре.
Пленки меди наносили на стеклянные подложки методом терморези-стивного напыления с последующим отжигом при 250 °C (для Cu₂O) и 400 °C (для CuO) в течение 10 мин. ОУНТ осаждали центрифугированием (четыре слоя). Пары ацетона концентрацией 0,7 и 2,8 ppm создавали в га-зосмесительной системе, сопротивление регистрировали стендом Keithley 2400.
При концентрации 0,7 ppm на пленках Cu₂O и Cu₂O/ОУНТ наблюда-ется рост сопротивления, характерный для p-типа полупроводников. Га-зочувствительность пленки Cu₂O составила 1,1%, тогда как для Cu₂O/ОУНТ — 5,1% (время отклика 835 с). Эффект объясняется окисле-нием ацетона, высвобождающим электроны, которые рекомбинируют с дырками. Для пленки CuO/ОУНТ при той же концентрации чувствитель-ность достигла 4,8% (время отклика 1150 с), однако после прекращения подачи газа сопротивление не восстанавливается полностью, что указывает на неполную обратимость. При повышении концентрации ацетона до 2,8 ppm характер отклика пленки CuO/ОУНТ меняется на противоположный (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Зависимость электрического сопротивления пленки CuO/ОУНТ от времени выдержки в парах ацетона
с концентрацией 2,8 ppm

Как видно из рисунка 1, газочувствительность составила 5,6%, время отклика — 305 с. Смена знака отклика (падение сопротивления) свиде-тельствует об инверсии типа проводимости в приповерхностном слое. Интенсивный поток электронов при окислении ацетона превышает кон-центрацию дырок, уровень Ферми поднимается, и на поверхности форми-руется тонкий электронный канал n-типа.
Таким образом, покрытие меднооксидных пленок ОУНТ повышает чувствительность к парам ацетона по сравнению с чистыми оксидами. Установлено концентрационно-зависимое p-n-переключение в пленке CuO/ОУНТ, что открывает возможность создания селективных сенсоров, различающих концентрацию ацетона по знаку сигнала. Порог переключения между 0,7 и 2,8 ppm лежит вблизи диагностических значений для диабета 1-го типа, что делает CuO/ОУНТ перспективными для неинвазивного скрининга.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 26-29-20277 и Чувашской Республики.

1. Han X., Zhang K., Liu J., Wang X., Liu F., Lu G. Facile Synthesis of Cu₂O Oc-tahedral and Cubic Nanocrystals and Their Acetone Sensing Properties. Physica Sta-tus Solidi (A) – Applications and Materials Science. 2017. V. 214. № 6. P. 1600904.
2. Zhang J. et al. Low-temperature acetone gas sensor based on CuO/CNT hetero-structure. Nanoscale Research Letters. 2020. V. 15. P. 40.