ИСТИНА

Полупроводниковые газовые сенсоры резистивного типа на основе широкозонных оксидов металлов отличает компактность, простота конструкции, и высокая чувствительность. Однако их серьёзным недостатком является высокое энергопотребление, связанное с необходимостью нагрева чувствительного слоя до температуры несколько сот градусов Цельсия. Перспективным подходом для снижения энергопотребления является замена термической активации на световую, в частности, путём воздействия на чувствительный слой света видимого диапазона. Однако такой подход требует модификации оптических свойств сенсорного материала, поскольку индивидуальные оксиды металлов (ZnO, SnO2, In2O3 и др.) слабо поглощают свет видимого диапазона. Сенсибилизация таких оксидов металлов к видимому спектру может быть достигнута путём иммобилизации на их поверхности веществ, способных эффективно поглощать свет – молекул красителей, частиц металлов и узкозонных полупроводников. При этом химическая природа сенсибилизатора также может оказывать влияние на специфичность взаимодействия сенсорного материала с газовой фазой. В настоящем Проекте в качестве сенсибилизаторов предлагается использовать перовскитоподобные галогениды состава CsPbX3 (X=Cl,Br,I), полученные в форме коллоидных нанокристаллов. Эти соединения в настоящее время привлекают исключительно высокое внимания в различных приложениях, связанных с преобразованием солнечной энергии, оптоэлектронике, фотовольтаике. Нанокристаллы CsPbX3 (X=Cl,Br,I) способны сенсибилизировать фотопроводимость широкозонных оксидов металлов к видимому свету, однако влияние состава атмосферы на фотопроводимость таких материалов ещё не изучено. Цель настоящего проекта состоит в выявлении основных закономерностей во взаимодействии нанокристаллических оксидов металлов MO (MO=ZnO, SnO2, In2O3), сенсибилизированных коллоидными нанокристаллами CsPbX3 (X=Cl,Br,I) с газовой фазой, в условиях облучения светом видимого диапазона. В результате выполнения работы планируется синтезировать нанокомпозиты MO/CsPbX3 и впервые получить данные о их сенсорной чувствительности путём in situ измерения их электропроводности. Сенсорные измерения будут выполнены в воздухе, под воздействием света видимого диапазона, в интервале температур 25-100 град. Цельсия по отношению к NO2, NH3, HCl, парам спирта и ацетона на уровне их ПДК. Полученные данные о сенсорной чувствительности нанокомпозитов MO/CsPbX3 будут проанализированы с учетом их состава, структуры и микроструктуры. Фундаментальная значимость работы обусловлена систематическим исследованием эффекта сенсибилизации газовой чувствительности широкозонных полупроводников под действием видимого света; прикладная – разработкой металлоксидных сенсоров с пониженных энергопотреблением.

Semiconductor resistive type gas sensors based on wide-gap metal oxides are remarkable by their compactness, simplicity of structures, and high sensitivity. However, their serious drawback is the high energy consumption associated with the need to heat the sensitive layer to a temperature of several hundred degrees Celsius. A promising approach to reduce energy consumption is to exchange thermal activation to light irradiation, in particular, by affecting the sensitive layer of the visible range light. However, this approach requires modification of the optical properties of the sensory material, since individual metal oxides (ZnO, SnO2, In2O3, etc.) weakly absorb visible light. The sensitization of such metal oxides to the visible spectrum can be achieved by immobilizing on their surfaces substances that efficiently absorbing light - molecules of dyes, metal particles and particles of narrow-gap semiconductors. However, the chemical nature of the sensitizer can also influence the specificity of the interaction of the sensory material with the gas phase. In this Project, inorganic lead halide perovskites CsPbX3 (X = Cl, Br, I), obtained in the form of colloidal nanocrystals, are proposed as sensitizers. These compounds now attract exceptionally high attention in various applications related to the conversion of solar energy, optoelectronics, and photovoltaics. CsPbX3 nanocrystals (X = Cl, Br, I) can sensitize the photoconductivity of wide-gap metal oxides to the visible light, but the effect of atmospheric composition on the photoconductivity of such materials has not yet been studied. The purpose of this project is to identify the main regularities in the interaction of nanocrystalline MO (MO=ZnO, SnO2, In2O3) sensitized with colloidal CsPbX3 (X = Cl, Br, I) nanocrystals with the gas phase under visible light irradiation. As a result we planned to synthesize MO / CsPbX3 nanocomposites and for the first time to obtain data on their sensitivity by in situ measuring electrical conductivity. Sensory measurements will be performed in the air, under the visible light illumination, in the temperature range 25-100 deg. Celsius to NO2, NH3, HCl, alcohol and acetone vapor at the level of their MPC. The data obtained will analyzed taking into account the composition, structure, and microstructure of the nanocomposites. The fundamental importance of the work is due to a systematic investigation of sensitization of wide- gap semiconductors gas sensitivity under the visible light irradiation; Applied importance is the development of metal oxide sensors with reduced power consumption.

1. Методика синтеза нанокомпозитов на основе нанокристаллических ZnO, SnO2, In2O3 и коллоидных нанокристаллов CsPbX3 (X=Cl,Br,I) со структурой перовскита. 2. Состав, структура, микроструктура полученных нанокомпозитов и распределение в них компонентов. 3. Спектральная зависимость фотопроводимости полученных нанокомпозитов и спектры их оптического поглощения; 4. Фотопроводимость полученных нанокомпозитов в зависимости от концентрации кислорода в газовой фазе; 5. Сенсорные свойства нанокомпозитов в температурном интервале 25–100 C под воздействием излучения видимого диапазона по отношению к газам NO2, NH3, HCl и парам органических соединений (C2H5OH, CH3-C(O)-CH3 и др.) в диапазоне концентраций, соответствующем ПДК данных соединений. Оценка стабильности полученных нанокомпозитов под воздействием излучения и в процессе сенсорных измерений.

1. Разработаны оригинальные методики синтеза нанокристаллических оксидов ZnO, SnO2, In2O3; развиты и усовершенствованы методики синтеза квантовых точек халькогенидов кадмия с контролируемым размером, а также гетероструктур типа "ядро"/"оболочка" на их основе; разработаны методики синтеза сенсорных нанокомпозитных материалов на основе нанокристаллических оксидов металлов и квантовых точек CdSe и InP. 2. Сконструирована специальная ячейка для исследования газочувствительных свойств в условиях подсветки маломощными светодиодами; налажено программное управление режимами подсветки и концентрацией детектируемого газа в ячейке; собрана и налажена экспериментальная установка, позволяющая проводить синтез коллоидных полупроводниковых нанокристаллов в инертной атмосфере. 3. На примере нанокомпозита ZnO/QD_CdSe предложена модель сенсорного отклика к NO2 при комнатной температуре в условиях подсветки маломощным зелёным светодиодом; проведено систематическое исследование влияния типа оксидной матрицы на сенсорные свойства нанокомпозитов MOx/QD_CdSe (MOx=ZnO, SnO2, In2O3). 4. На основе нанокомпозита ZnO/QD_CdSe создан прототип газового сенсора, позволяющий детектировать NO2 в воздухе в диапазоне концентраций 0.1–5.0 ПДКрз.