Физики из МГУ создали основу для высокочувствительных газовых датчиков

Сотрудники физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова предложили использовать массивы пористых наноразмерных нитей кремния для высокочувствительных газовых датчиков. Такие датчики смогут определять содержание молекул токсичных и нетоксичных газов в воздухе при комнатной температуре. Результаты исследований были опубликованы в журнале Physica Status Solidi A: Applications and Materials Science.

В современном мире с достаточно высоким уровнем загрязнения окружающей среды важной является разработка новых высокочувствительных сенсоров, способных точно и выборочно обнаруживать молекулы в газовой фазе. Это относится как к токсичным, так и к нетоксичным газам. Большинство современных газовых сенсоров работает только при высоких температурах, что накладывает ограничения на область их применения. Именно поэтому разработка высокочувствительных газовых датчиков многоразового использования, работающих при комнатной температуре, считается сейчас актуальным направлением физики.

Учёные МГУ предложили использовать в качестве чувствительного элемента такого датчика массивы пористых наноразмерных нитей кремния, которые можно получить с помощью недорогого метода металл-стимулированного химического травления. Этот метод основан на селективном химическом травлении — технологии частичного удаления поверхностного слоя материала с заготовки — с использованием наночастиц металла в качестве катализатора. К тому же процедура получения образцов достаточно быстрая: за час в лабораторных условиях можно изготовить не менее ста элементов.

Каждый датчик состоит из массива упорядоченных нанонитей кремния длиной 10 микрометров (мкм) и диаметром от 100 до 200 нанометров (нм). При этом каждая нанонить имеет пористую нанокристаллическую структуру. Размер кристаллов кремния и пор между ними варьируется от трёх до пяти нанометров.

Исследования показали, что такие пористые нанонити имеют огромную удельную площадь поверхности, за счёт чего их физико-химические свойства обладают высокой чувствительностью к молекулярному окружению. Авторы также обнаружили, что для полученных образцов характерна эффективная фотолюминесценция с максимумом в красной области спектра при комнатной температуре.

«Впервые мы показали, что фотолюминесценция кремниевых нанонитей тушится в атмосфере кислорода (О₂), но затем восстанавливается до исходных значений в атмосфере инертного газа, азота (N₂), что повторяется в нескольких циклах адсорбции-десорбции», — рассказала руководитель работы Любовь Осминкина, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник кафедры физики низких температур физического факультета МГУ.

Полученные экспериментальные результаты учёные объяснили микроскопической моделью, согласно которой чувствительность оптических свойств образцов к их молекулярному окружению определяется обратимым заряжением/разрядкой Pb-центров — дефектов типа оборванных связей кремния на поверхности нанонитей. Авторы подтвердили модель с помощью результатов измерений методом электронного парамагнитного резонанса, который помогает определить наличие и концентрацию Pb-центров.

«Важно, что полученные нами сенсоры на основе пористых нанонитей кремния не только работают при комнатных температурах, но и могут быть использованы много раз, поскольку наблюдаемые нами эффекты были полностью обратимыми», — говорит Любовь Осминкина.

Следует отметить, что созданные учёными сенсоры перспективны как для эффективного контроля степени загрязнения окружающей среды, так и для мониторинга состава воздуха в замкнутых помещениях, начиная от учебных аудиторий и заканчивая космическими станциями.

Работа поддерживалась грантом Российского научного фонда.

Фото: Принцип работы сенсора на основе массивов пористых наноразмерных нитей кремния. Иллюстрацию учёных из МГУ вынесли на обложку журнала. Источник: Любовь Осминкина