Продлить срок службы газовых сенсоров можно за счет модификации кристаллической решетки наноразмерных материалов, использующихся для их производства. Такой вывод сделали ученые из Московского университета.
В основе работы газовых сенсоров, используемых для выявления различных газов, лежат оксиды металлов, находящиеся в наноразмерном состоянии. Это обеспечивает чувствительность сенсоров к взаимодействию с компонентами воздуха, но делает их неустойчивыми при высоких температурах. Согласно одной из гипотез, в таких условиях мелкие кристаллы сливаются воедино, что оборачивается снижением сенсорных свойств.
Чтобы проверить эту теорию, ученые из Московского университета непрерывно тестировали сенсоры более месяца, а также имитировали устаревание свойств порошков сенсорных материалов. Для отслеживания изменений использовался метод электронного парамагнитного резонанса, который считается прародителем спектроскопии.
Исследование показало, что к нарушению сенсорных свойств порошков приводит исправление дефектов в их кристаллической структуре. Речь идет о пустых позициях в кристаллической решетке, которые в нормальном состоянии занимают атомы кислорода. Их называют кислородными вакансиями. Такие пустые позиции образуются в ходе синтеза высокочувствительного материала, а затем определяют концентрацию свободных электронов, отвечающих за полупроводниковые свойства. Когда материал попадает в высокотемпературные условия, происходит заполнение кислородных вакансий за счет воздуха.
Уменьшение количества кислородных вакансий может продолжаться более месяца, из-за чего эффективность устройств для определения газов снижается поэтапно. Авторы исследования попытались решить эту проблему за счет увеличения числа кислородных вакансий на этапе синтеза порошкового материала.
Для компенсации обнаруженного эффекта ученые внедрили в структуру оксида искусственно созданные кислородные вакансии, добавив примесь, захватывающую электроны. Чтобы такая замена не привела к утрате свободных носителей заряда и, соответственно, полупроводниковых свойств, они дополнительно ввели в систему необходимое количество примеси с избытком электронов. Суммарно этот подход можно представить как замену собственных носителей заряда на генерируемые примесью.
