Материалы на основе карбида кремния и широкозонных полупроводниковых оксидов для высокотемпературных газовых сенсоровНИР

High temperature gas sensor materials based on silicon carbide and wide gap semiconductor oxides

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 15 мая 2019 г.-31 декабря 2019 г. Материалы на основе карбида кремния и широкозонных полупроводниковых оксидов для высокотемпературных газовых сенсоров
Результаты этапа: 1. Разработана методика синтеза нанокристаллического карбида кремния с кристаллической структурой политипа 3C-SiC методом электроформирования (электроспиннинга) с последующей термической обработкой. Состав и параметры микроструктуры полученного карбида кремния определены с использованием методов рентгеновской дифракции, растровой электронной микроскопии и ИК-спектроскопии. Получен нанокристаллический 3C-SiC кубической структуры c размерами кристаллических зерен 25 – 30 нм, на поверхности которого присутствует оболочка аморфного SiO2. 2. Разработаны методики синтеза нанокристаллических полупроводниковых оксидов WO3, ZnO, SnO2, TiO2, Ga2O3 методами электроформирования (электроспиннинга), золь-гель и распылительного пиролиза. Определены условия, позволяющие получить полупроводниковые оксиды с удельной площадью поверхности 50 – 150 м2/г и с размером кристаллитов, контролируемым в диапазоне 3 – 50 нм. Состав и параметры микроструктуры полученных материалов определены с использованием методов рентгеновской дифракции, рентгенофлуоресцентного анализа (откалиброванного по методу ICP-MS), низкотемпературной адсорбции азота. Наименьшая степень агломерации наночастиц характерна для материалов, полученных методом распылительного пиролиза в пламени. Максимальные величины удельной площади поверхности получены для материалов, синтезированных золь-гель методом и подвергнутых низкотемпературному отжигу. Однако они характеризуются низкой термической стабильностью параметров микроструктуры. Увеличение термической стабильности наблюдается при модифицировании полупроводниковых оксидов каталитическими добавками оксидов переходных металлов. Это обусловлено сегрегацией аморфной фазы модификатора на поверхности кристаллических зерен полупроводниковой матрицы. 3. Разработаны условия получения композитов MO/SiC и SnO2/SiO2 различного состава с использованием методов гидротермального синтеза и импрегнирования. Состав и параметры микроструктуры полученных материалов определены с использованием методов рентгеновской дифракции, рентгенофлуоресцентного анализа (откалиброванного по методу ICP-MS), низкотемпературной адсорбции азота, ИК-спектроскопии. Концентрация парамагнитных центров определена методом ЭПР. В нанокомпозитах МО/SiC (независимо от способа получения) присутствуют кристаллические фазы соответствующего оксида металла и карбида кремния. Формирование нанокомпозитов, содержащих SiC, не приводит к увеличению удельной площади поверхности по сравнению с немодифицированным оксидом металла. Для нанокомпозитов SnO2/SiO2, полученных методом гидротермального синтеза, обнаружено, что введение SiO2 на стадии гидротермальной обработки предотвращает спекание частиц диоксида олова при последующем высокотемпературном отжиге и позволяет получать образцы с высокой удельной поверхностью. 4. Определены электрофизические свойства синтезированных материалов в статическом и высокочастотном режимах в условиях контролируемой температуры и состава атмосферы. Установлены корреляции между составом, микроструктурой и электрофизическими свойствами материалов. Формирование нанокомпозитов ZnO/SiC сопровождается значительным повышением электрического сопротивления материала по сравнению с нановолокнами ZnO и увеличением энергии активации проводимости Еа в температурном диапазоне 400 – 550С. Рост электрического сопротивления и Еа может быть связан с увеличением концентрации поверхностных форм кислорода, которые создают различные акцепторные уровни на поверхности ZnO и на гетерогранице ZnO/SiC. Установлено, что на поверхности нановолокон ZnO в температурном интервале 400 – 550С хемосорбированный кислород присутствует в виде атомарных форм (О)- и (О)2-. С ростом температуры наблюдается увеличение доли формы (О)2-. Введение SiC также приводит к увеличению доли формы (О)2-, однако при этом снижается зависимость состава поверхностных форм кислорода от температуры. Модификация поверхности ZnO наночастицами Pd приводит к увеличению доли формы (О)2-, однако в случае модификации нанокомпозита ZnO/SiC этот эффект практически не проявляется. Температурные зависимости электропроводности SnO2 и нанокомпозитов SnO2/SiO2 линеаризуются в координатах Мотта. Это свидетельствует о том, что перенос заряда в нанокристаллическом SnO2 и нанокомпозитах SnO2/SiO2 осуществляется по механизму прыжковой проводимости электронов через локализованные состояния, лежащие вблизи уровня Ферми. Полученные значения параметров Мотта свидетельствуют о высокой степени разупорядоченности исследуемых систем. Наблюдаемое снижение электропроводности материалов с увеличением концентрации SiO2 в нанокомпозитах связано с уменьшением концентрации носителей заряда из-за их локализации на хемосорбированном кислороде. Введение SiO2 оказывает влияние на преобладающую форму кислорода, хемосорбированного на поверхности SnO2. При 400С преобладающей формой хемосорбированного кислорода является атомарный ион (O)-. Увеличение содержания кремния в нанокомпозитах приводит в росту доли хемосорбированного кислорода в молекулярной форме (O2)-. 5. Определена долговременная стабильность микроструктуры и электрофизических свойств нанокомпозитов ZnO/SiC при температурах 300-800С. Исследование термической стабильности микроструктуры и электрофизических свойств проведено для нанокристаллического ZnO, полученного золь-гель методом, нановолокон ZnO, полученных методом электроспиннинга, и нанокомпозитов ZnO/SiC с различным содержанием SiC. Увеличение концентрации SiC в нанокомпозитах приводит к уменьшению скорости роста кристаллических зерен ZnO в условиях длительного изотермического отжига при 800С. Таким образом, присутствие SiC оказывает стабилизирующее влияние на микроструктуру нанокомпозитов при высоких температурах. В то же время обнаружено, что в ходе длительного (7 – 14 дней) высокотемпературного отжига в нанокомпозитах ZnO/SiC образуется фаза ортосиликата цинка α-Zn2SiO4. Причиной формирования α-Zn2SiO4 может быть наличие аморфной оболочки SiO2 на поверхности наночастиц SiC. Формирование ортосиликата цинка, по-видимому, является причиной изменения электрофизических и сенсорных свойств нанокомпозитов ZnO/SiC в результате высокотемпературного отжига. Для снижения этого эффекта в 2020 году будут проведены модификация метода синтеза SiC для получения наночастиц без поверхностного слоя SiO2 и исследования термической стабильности микроструктуры, электрофизических и сенсорных свойств новых материалов ZnO/SiC.
2 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Материалы на основе карбида кремния и широкозонных полупроводниковых оксидов для высокотемпературных газовых сенсоров
Результаты этапа:
3 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Материалы на основе карбида кремния и широкозонных полупроводниковых оксидов для высокотемпературных газовых сенсоров
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".