ИСТИНА

Проект направлен на получение новых газочувствительных материалов на основе гетероструктур широкозонных полупроводниковых оксидов ZnO, SnO2, In2O3 и узкозонных полупроводников - квантовых точек полупроводников А2В6 и А3В5 в форме сферических и разветвленных нанокристаллов, квазидвумерных атомно-тонких наночастиц, а также наночастиц типа «ядро – оболочка» с гетероэпитаксиальным срастанием. Такие наноразмерные гетероструктуры обладают уникальным комплексом свойств: большой величиной удельной поверхности и плотности адсорбционных центров, сравнительно низкой величиной удельного сопротивления и фоточувствительностью в видимом диапазоне спектра. Роль фотосенсибилизаторов заключается в смещении диапазона оптической чувствительности полупроводниковых оксидов в сторону больших длин волн, что дает возможность использовать излучение диодов видимого диапазона спектра с малой мощностью для активации химических реакций на поверхности широкозонных полупроводников. Гетероструктуры необходимы для создания газовых сенсоров нового поколения с низким энергопотреблением, работающих без нагрева при комнатной температуре в условиях освещения светодиодом видимого диапазона спектра. Материалы представляют широкие перспективы для создания автономных переносных газовых детекторов, внедрения сенсоров в мобильные телефоны и коммуникаторы для мониторинга окружающей среды, контроля жизнедеятельности, пожарной безопасности. Активация реакций светом вместо термического нагрева, с одной стороны, позволяет заметно снизить энергопотребление газового сенсора, но с другой стороны, существенно влияет на ход процессов взаимодействия полупроводниковых оксидов с газовой фазой. Проект включает в себя разработку условий синтеза гетероструктур на основе нанокристаллических широкозонных оксидов и фотосенсибилизаторов. Особое внимание будет уделено выбору стабилизатора квантовых точек и условиям их иммобилизации на поверхности нанокристаллов полупроводниковых оксидов. Оксидные матрицы и гетероструктуры будут детально охарактеризованы комплексом современных методов исследования. Микроструктура нанокристаллических оксидов будет изучена методами РЭМ и ПЭМВР, рентгеновской дифракции, низкотемпературной адсорбции N2. Элементный состав нанокомпозитов будет установлен методами ЛРСА, РФлА и ИСП-МС. Состав поверхности материалов будет определен методами РФЭС, ИК-спектроскопии, ТПД-NH3 и ТПВ-Н2. Дефекты кристаллической структуры будут исследованы методом ЭПР. Реакционная способность фотосенсибилизированных нанокристаллических материалов будет изучена с использованием спектроскопии зондовых молекул и ТПД, ИК спектроскопии и ЭПР. Будет определена природа активных центров на поверхности нанокомпозитов в зависимости от типа сенсибилизатора. Все исследования будут проведены в условиях operando в атмосфере целевого газа при комнатной температуре в темновых условиях и при подсветке. Синхронные измерения работы выхода методом Кельвина и электропроводности в условиях контролируемого состава газовой фазы и освещения позволит определить влияние света на адсорбцию/десорбцию молекул детектируемого газа в процессе формирования и релаксации сенсорного сигнала. Особое внимание будет уделено исследованию спектральных зависимостей фотоэлектрических и сенсорных свойств гетероструктур при детектировании газов разной химической природы NO2, CO, H2S, NH3 в воздухе на уровне ПДК рабочей зоны при комнатной температуре в условиях светового облучения.

1. Будут синтезированы нанокристаллические оксиды SnO2, ZnO и In2O3 с размером кристаллических зерен 3 - 50 нм и величиной удельной поверхности 50-100 м2/г. 2. Будут синтезированы коллоидные квантовые точки CdSe, CdTe, CdS и InP и наночастицы типа «ядро – оболочка» CdSe/CdS, CdTe/CdS и CdTe/CdSe с размером 3 - 8 нм и толщиной оболочки 1-2 нм и квазидвумерные атомно-тонкие наночастицы CdSe, CdS, CdTe с толщиной 1-2 нм и латеральным размером 50-500 нм. 3. Будет осуществлена иммобилизация квантовых точек на поверхности нанокристаллических полупроводниковых оксидов, включающая пост-синтетическую замену органического стабилизатора. 4. Будут получены результаты анализа строения и кристаллической структуры гетероперехода широкозонный полупроводниковый оксид- узкозонный полупроводник в зависимости от условий синтеза и размеров нанокристаллов полупроводников. 5. Будут получены результаты определения природы и концентрации адсорбционных центров на поверхности оксидных матриц, сенсибилизированных квантовыми точками. 6. Будет определен размерный эффект спектральной зависимости фоточувствительности гетероструктур. 7. Будет изучена реакционная способность гетероструктур с целевыми газами H2S, CO, NH3,, NO2 при комнатной температуре в условиях подсветки источником видимого диапазона длин волн. 8. Будут изучены сенсорные свойства гетероструктур при комнатной температуре в условиях подсветки источником видимого диапазона длин волн при детектировании H2S, CO, NH3,, NO2 в воздухе в диапазоне концентраций 0.5-10 ПДК рабочей зоны

Ранее получены следующие наиболее важные результаты, которые будут использованы при выполнении настоящего проекта: 1. Разработаны оригинальные методики и созданы установки синтеза нанокристаллических оксидов металлов 2. Разработаны оригинальные методики синтеза квантовых точек халькогенидов кадмия с контролируемым размером и морфологией. Разработан эффективный, экспрессный метод синтеза квантовых точек на основе InP и методика пост-синтетического фотохимического травления. Разработаны методики определения размеров квантовых точек из оптических спектров поглощения. 3. Разработаны методики определения природы и концентрации активных центров на поверхности с использованием методов «operando»:спектроскопии ИК и комбинационного рассеяния, зонда Кельвина, парамагнитного резонанса, хромато-масс-спектрометрии, импеданс спектроскопии, термопрограммируемой десорбции и восстановления зондовых молекул. Состав и структура нанокомпозитов на основе полупроводниковых оксидов металлов определяются комплексом взаимодополняющих методов с нанометровым разрешением: просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, рентгеновской и электронной дифракции с использованием синхротронного излучения, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, рентгеновской флюоресцентной спектроскопии, атомно эмиссионной спектроскопии ICP MS и др. 4. Разработана методика нанесения чувствительного материала на микроэлектронный чип. Созданы полностью автоматизированные установки для измерения сенсорного сигнала с системой электронных расходомеров для разбавления поверочных газовых смесей до уровня ПДК. Созданы специальные измерительные ячейки для исследования фотоэлектрических и сенсорных свойств полупроводниковых оксидов в контролируемой атмосфере в условиях подсветки диодами с различной длиной волны.