|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Фотосенсибилизированные нанокристаллические оксиды металлов: синтез и реакционная способность во взаимодействии с газовой фазойНИР
Photosensitized nanocrystalline metal oxides: synthesis and reactivity in the interaction with the gas phase
- Руководитель НИР: Румянцева М.Н.
- Участники НИР: Винокуров А.А., Владимирова С.А., Гулевич Д.Г., Казин А.П., Марчевский А.В., Мордвинова Н.Е., Набережный Д.О., Чижов А.С., Шаталова Т.Б.
- Подразделение: Кафедра неорганической химии
- Срок исполнения: 29 января 2015 г. - 31 декабря 2017 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 15-03-03026
- Номер ЦИТИС: 115012770029
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Функциональные материалы, наноматериалы и технологии
- ПН России: Индустрия наносистем
- Направление технологического прорыва России: Энергоэффективность и энергосбережение
-
Рубрики ГРНТИ:
- 31.17.15 Неорганическая химия
-
Ключевые слова:
квантовые точки а3в5, газовые сенсоры, реакции «твердое тело - газ», нанокристаллические полупроводники, наночастицы с эффектом плазмонного резонанса, фотопроводимость
surface plasmon resonance, photoconductivity, nanocrystalline semiconductors, gas sensors, quantum dots, photosensitizers -
Описание:
Целью проекта является разработка подходов к созданию фотосенсибилизированных материалов, обладающих газовой чувствительностью при комнатной температуре в условиях освещения источником видимого диапазона спектра. Такие материалы необходимы для создания сенсорных систем нового поколения с низким энергопотреблением, работающих в отсутствие термического нагрева, для мониторинга жизнедеятельности, окружающей среды, химико-технологических процессов. Физические принципы действия полупроводниковых газовых сенсоров основаны на высокой чувствительности поверхности полупроводников к составу окружающей атмосферы. Хемосорбция молекул из газовой фазы и химические реакции на поверхности приводят к существенным изменениям зонной структуры в узком приповерхностном слое, образованию энергетических барьеров на границах раздела «твердое тело – газ», что сказывается на концентрации и подвижности носителей заряда. Эти процессы имеют активационный характер. Активация реакций светом вместо термического нагрева, с одной стороны, позволяет заметно снизить энергопотребление газового сенсора, но с другой стороны, диктует необходимость исследования реакционной способности чувствительных материалов при комнатной температуре.
-
Abstract:
The aim of the project is to develop the approaches to create photosensitized materials with gas sensitivity at room temperature under illumination of a source of visible light spectrum. Such materials are necessary to create a new generation of sensor systems with low power consumption, operating in the absence of thermal heating, for environmental monitoring and control of chemical-technological processes. Physical principles of semiconductor gas sensors are based on the high sensitivity of the semiconductor surface to the ambient air composition. Chemisorption of molecules from the gas phase and chemical reactions on the surface result in significant changes in the band structure in a narrow surface layer, the formation of the energy barriers at interfaces "solid - gas", which affects the concentration and mobility of charge carriers. These processes have the activation character. Activating with light instead of thermal heating on the one hand, it allows to significantly reduce the power consumption of the gas sensor, but on the other hand, necessitates the study of reactivity of sensitive materials at room temperature.
-
Планируемые результаты:
1. Впервые будут получены фото- и газочувствительные нанокомпозиты на основе широкозонных полупроводниковых оксидов SnO2, ZnO и In2O3 и сенсибилизаторов видимого диапазона излучения – квантовых точек InP и наночастиц металлов Au, Ag, Au/Ag с эффектом поверхностного плазмонного резонанса. 2. Будут разработаны методики иммобилизации сенсибилизаторов на поверхности полупроводниковых оксидов. 3. Впервые будет определено влияние сенсибилизаторов на тип и концентрацию активных центров на поверхности полупроводниковых оксидов. 4. Впервые будет получена информация о влиянии облучения на адсорбцию/десорбцию молекул детектируемого газа в процессе формирования и релаксации сенсорного сигнала. 5. Впервые будут установлены корреляции между характеристиками составных элементов нанокомпозитов – полупроводниковых матриц и сенсибилизаторов – и функциональными свойствами – фотопроводимостью и сенсорной чувствительностью по отношению к газам различной химической природы. 6. Будут даны рекомендации по условиям получения материалов для газовых сенсоров с чувствительностью к токсичным газам на уровне ПДК рабочей зоны при температуре близкой к комнатной в условиях светового облучения.
-
Научный задел:
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 «in 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.
-
Основные результаты:
Будут получены в конце 2017 года
- Добавил в систему: Румянцева Марина Николаевна
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 29 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. | Фотосенсибилизированные нанокристаллические оксиды металлов: синтез и реакционная способность во взаимодействии с газовой фазой |
| Результаты этапа: Проведен синтез нанокристаллических полупроводниковых оксидов SnO2, ZnO и In2O3 с размером кристаллических зерен 3 - 20 нм и величиной удельной поверхности 50-100 м2/г методом химического осаждения. Параметры микроструктуры матриц определены методами рентгеновской дифракции, просвечивающей электронной микроскопии, низкотемпературной адсорбции азота. Состава поверхности исследован методами ТПД-NH3, ИК спектроскопии. Электрофизические свойства изучены в темновых условиях и при освещении УФ светом. полупроводниковых оксидов. Проведен синтез фотосенсибилизаторов - квантовых точек InP и наночастиц Au. Определены их фазовый состав, размер, морфология, проведено исследование оптических свойств. Разработаны методики иммобилизации сенсибилизаторов на поверхности оксидных матриц. Проведено определение элементного состава сенсибилизированных материалов. Строение нанокомпозитов изучено методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Определено влияния облучения на адсорбцию/десорбцию молекул детектируемого газа в процессе формирования и релаксации сенсорного сигнала в условиях контролируемого состава газовой фазы и освещения. | ||
| 2 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Фотосенсибилизированные нанокристаллические оксиды металлов: синтез и реакционная способность во взаимодействии с газовой фазой |
| Результаты этапа: В 2016 году в ходе выполнения проекта получены - нанокристаллические полупроводниковые матрицы: ZnO с размером кристаллитов 15 нм и удельной поверхностью 30 м2/г, In2O3 с размером кристаллитов 7 нм и удельной поверхностью 60 м2/г; - фотосенсибилизаторы: наночастицы Au с эффектом поверхностного плазмонного резонанса; - фоточувствительные нанокомпозиты на основе полупроводниковых матриц и фотосенсибилизаторов: Au/ZnO и Au/In2O3. Иммобилизация наночастиц золота на поверхности полупроводниковых оксидных матриц осуществлена методом прямой адсорбции из предварительно полученных золей и методом анионной адсорбции. Микроструктура образцов исследована методами электронной микроскопии высокого разрешения и низкотемпературной адсорбции азота. Оптические свойства фотосенсибилизаторов изучены методом спектроскопии поглощения в видимом диапазоне. Элементный состав нанокомпозитов определен методом рентгенофлуоресцентного анализа. Распределение сенсибилизаторов в полупроводниковых матрицах изучали методами высокоугловой темнопольной сканирующей просвечивающей электронной микроскопии и энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа. Впервые изучены фотоэлектрические свойства синтезированных нанокомпозитов. Для нанокристаллического ZnO и нанокомпозита, полученного методом адсорбции наночастиц Au из золя, наблюдается эффект Стэйблера-Вронского: величина проводимости в условиях постоянного облучения зеленым светом возрастает до некоторого максимального значения, после чего уменьшается несмотря на постоянство светового потока. Предполагается, что при продолжительном световом облучении увеличивается концентрация ловушек для фотогенерированных носителей заряда, что приводит к увеличению скорости рекомбинации электронов и дырок и уменьшению фотопроводимости. Данный эффект не наблюдается для нанокомпозита, полученного методом анионной адсорбции Впервые исследованы сенсорные свойства нанокомпозитов при детектировании NO2, H2S, H2, CO и NH3 при комнатной температуре в условиях подсветки зеленым (λ = 530 нм) или красным светом (λ = 630 нм). Проведенные исследования сенсорных свойств сенсибилизированных материалов показали, что в лучшими сенсорными свойствами обладают нанокомпозиты, полученные методом анионной адсорбции, для которых характерен малый размер наночастиц Au (3 нм). | ||
| 3 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Фотосенсибилизированные нанокристаллические оксиды металлов: синтез и реакционная способность во взаимодействии с газовой фазой |
| Результаты этапа: В ходе выполнения проекта: • Синтезированы нанокристаллические полупроводниковые матрицы: ZnO с размером кристаллитов 15 2 нм и удельной поверхностью 30 5 м2/г, SnO2 и SnO2(Sb) с размером кристаллитов 4 1 нм и удельной поверхностью 70 5 м2/г, In2O3 с размером кристаллитов 7 1 нм и удельной поверхностью 30 5 м2/г; • Синтезированы фотосенсибилизаторы: квантовые точки InP и наночастицы Au, Ag, Ag/Au с эффектом поверхностного плазмонного резонанса; • Разработана методика иммобилизации фотосенсибилизаторов на поверхности полупроводниковых матриц; • Синтезированы фоточувствительные нанокомпозиты на основе полупроводниковых матриц и фотосенсибилизаторов; • Проведен систематический анализ фазового и элементного состава, кристаллической структуры, состава поверхности и электрофизических свойств полученных материалов в зависимости от условий получения. • Проведено систематическое исследование активных центров на поверхности сенсибилизированных материалов: адсорбированных форм кислорода, молекулярной воды и гидроксильных групп • Изучено влияние светового облучения на электрофизические свойства сенсибилизированных нанокомпозитов в атмосфере чистого воздуха и в присутствии газов – основных загрязнителей воздуха. • Определены сенсорные свойства нанокомпозитов в условиях светового облучения при комнатной температуре и при термическом нагреве. Микроструктура образцов исследована методами электронной микроскопии высокого разрешения и низкотемпературной адсорбции азота. Оптические свойства фотосенсибилизаторов изучены методом спектроскопии поглощения в видимом диапазоне. Элементный состав нанокомпозитов определен методом рентгенофлуоресцентного анализа. Распределение сенсибилизаторов в полупроводниковых матрицах изучали методами высокоугловой темнопольной сканирующей просвечивающей электронной микроскопии и энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа. Степень окисления серебра в нанокомпозитах исследована методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Впервые изучены фотоэлектрические свойства синтезированных полупроводниковых матриц и нанокомпозитов. Для всех полупроводниковых оксидов в нанокристаллическом состоянии обнаружено слабое увеличение проводимости при облучении зеленым светом (λ = 535 нм, Е = 2.3 эВ). Увеличение электропроводности нанокристаллических оксидов под действием зеленого света может быть обусловлено наличием глубоких акцепторных уровней в запрещенной зоне. Основным механизмом увеличения электропроводности сенсибилизированных нанокомпозитов под действием излучения видимого диапазона спектра является фотодесорбция кислорода, стимулированная переносом зарядов из фотосенсибилизатора в полупроводниковую матрицу. Впервые исследованы сенсорные свойства нанокомпозитов при детектировании NO2, H2S, H2, CO и NH3 при комнатной температуре в условиях подсветки светом видимого диапазона: синим (λ = 470 нм), зеленым (λ = 530 нм) или красным светом (λ = 630 нм). Проведенные исследования сенсорных свойств сенсибилизированных материалов показали, что они могут быть успешно использованы для детектирования газов-окислителей в условиях облучения источником излучения видимого диапазона спектра при комнатной температуре без нагрева. | ||
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".