В настоящее время большой интерес, в первую очередь, в области экологии и медицины представляют адсорбционные полупроводниковые сенсоры. По сравнению с другими типами сенсоров их главными преимуществами являются низкая стоимость и простота изготовления. Однако их практическое применение часто ограничено недостаточной чувствительностью, селективностью, высокими рабочими температурами. В ряде случаев оксиды сложного состава и различные композитные материалы на их основе проявляют лучшие газочувствительные свойства по сравнению с их составляющими, а также остаются работоспособными при более низких температурах.
Улучшением характеристик разработки занялась команда ученых в составе ассистента кафедры микро- и нанотехнологий СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Антона Алексеевича Бобкова, студентов кафедры МНЭ Алены Юрьевны Гагариной и Дмитрия Геннадьевича Радайкина под руководством ассистента, кандидата физ.-мат. наук Светланы Сергеевны Налимовой. Результат достигается за счет использования эффектов взаимодействия компонентов структур сложного состава, в частности, на основе наноструктур пористого кремния и оксида цинка. Эти объекты имеют большую площадь активной поверхности, необходимой для взаимодействия с целевыми газами.
Разработка представляет собой подложку с композитным слоем пористого кремния и наноструктур оксида цинка. Необходимые рабочие температуры достигаются за счет нагревательного элемента, расположенного снизу. Электрический контакт обеспечивается напыленными электродами.
В основе работы полупроводниковых газовых сенсоров лежат химические реакции сенсорного слоя с молекулами газов, приводящие к изменению сопротивления. Для этого нужно, чтобы поверхность слоя была очень большой, тогда и изменение сопротивления будет больше.
«Основными сферами применения разработки являются экологический мониторинг состояния атмосферы и медицинская диагностика на основе анализа состава выдыхаемого воздуха. Безусловно, аналогичные по характеристикам решения описаны в литературе, однако зачастую они требуют более сложных методов синтеза. Например, в статье «Пористые гетероструктуры нанопроволок Si/SnO2 для зондирования газа H2S» разработан сенсор на основе гетероструктур пористого кремния и наностержней диоксида олова, позволяющий детектировать H2S при температуре 100 °С. Для получения сенсорного слоя применялся в том числе метод роста по механизму «пар-жидкость-кристалл» при 900 °С. В работе «Низкотемпературные высокоселективные и чувствительные газовые датчики NO2 с использованием CdTe-функционализированных ZnO-заполненных пористых Si-гибридных иерархических наноструктурированных тонких пленок» гибридные наноструктуры «пористый кремний – оксид цинка – квантовые точки теллурида кадмия» были использованы для создания сенсора для детектирования NO2 при температуре 90 °С. Для нанесения слоев оксида цинка и квантовых точек использовалось магнетронное распыление». – Доцент кафедры МНЭ СПБГЭТУ «ЛЭТИ» Светлана Сергеевна Налимова
В будущем будет проводиться оптимизация характеристик по требованиям конкретных областей применения. Дальнейшие этапы зависят от результатов, полученных при испытании сенсорных структур.
Разработка ведется в научной группе профессора кафедры микро- и наноэлектроники Вячеслава Алексеевича Мошникова.
Разработка поддержана грантом конкурса научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических проектов СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Проект получил финансирование на реализацию в размере 800 тыс. руб.