Цивилизация
Группа исследователей из Южного федерального университета исследовала особенности синтеза и параметры углеродных нанотрубок, а затем создала макет сорбционного датчика газа с чувствительным элементом на их основе. Разработка коллектива поможет при создании энергоэффективных элементов для выявления опасных веществ в воздухе. Работа выполнена при поддержке гранта Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда и опубликована в IOP Conference Series: Materials Science and Engineering.
Сегодня сенсорные датчики газа имеют широкий спектр применения: от контроля экологической обстановки до противодействия угрозе террористического акта. Основная часть такого устройства — чувствительный элемент, к которому есть множество требований: стабильность работы, восприимчивость к разным веществам, способность функционировать в автономном режиме. Техногенная обстановка в мире постоянно меняется, что требует частой доработки сенсоров и улучшения их параметров. В газовых датчиках традиционно использовались пористый кремний и оксиды металлов, однако такие устройства имеют низкую чувствительность к некоторым газам. Поэтому растет потребность в новых, более совершенных материалах. Это могут быть системы на основе углеродных нанотрубок (УНТ). Они представляют из себя листы графена, свернутые в полый цилиндр. Их главные преимущества как материала — способность поглощать большое количество газовых молекул и высокая механическая прочность. Несмотря на отличные характеристики, применение наноструктур ограниченно. Это связано с тем, что технологии не позволяют каждый раз получать продукт с одними и теми же свойствами, то есть результат практически невоспроизводим.
«Это сдерживает их массовое применение, — сообщает Олег Ильин, кандидат технических наук, доцент кафедры нанотехнологий и микросистемной техники Южного федерального университета. — Однако технический прогресс, особенно в сенсорике, связан именно с применением наноматериалов. В настоящий момент трудно предсказать, как быстро сложные технические изделия на основе наноструктур станут частью нашей повседневной жизни. Но разработка таких технологий, совместимых при этом со стандартной кремниевой, является актуальной задачей».
Исследователи сформировали газочувствительный слой «леса» углеродных нанотрубок, который стал основой макета газового сенсора с чувствительным элементом сорбционного (резистивного) типа. Именно на нем проводилось изучение влияния технологических режимов и газовые измерения. Было обнаружено, что параметры синтеза углеродных нанотрубок влияли на их газочувствительные свойства. Для исследования синтеза материала применяли различные виды микроскопии. В работе использовались методы атомно-силовой микроскопии для анализа параметров каталитических центров роста УНТ, химического осаждения из газовой фазы для выращивания нанотрубок, растровой электронной микроскопии для анализа их параметров, литография для создания электродов и локализации области роста УНТ, а также газовые измерения.
Оценка эффективности работы сенсора проводилась в газоизмерительном стенде, где проверялась его реакция на азот, аргон и кислород. Измерительный стенд состоял из вакуумной камеры, контролируемой системы подачи газа и насосной системы. Измерения показали, что разработанный чувствительный элемент датчика газа обладает высокой чувствительностью, скоростью реакции и восстановления, а также не требует нагрева для дегазации. Восстановление чувствительного элемента происходило даже при комнатной температуре.
Эффективность полученного элемента достаточно высока, чтобы конкурировать с существующими моделями. Однако потребуется время и доработка, чтобы такой прибор нашел применение на практике. «Полученные результаты могут быть использованы при разработке перспективных сенсорных устройств на основе углеродных нанотрубок. Это, например, портативные переносные приборы, а также мультисенсорные системы для одновременного определения сразу нескольких газов или их соединений», — говорит Олег Ильин.
