Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт химической физики
им. Н.Н.Семенова Российской академии наук



 
 
ПРОЕКТЫ

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт химической физики им. Н.Н.Семенова Российской академии наук
является исполнителем проекта «Моделирование сенсорных процессов и пространственного и энергетического распределения зарядов в полупроводниковых наночастицах», Соглашение о субсидии № 14.604.21.0006 от 17 июня 2014г.

Объектом исследования являются полупроводниковые наноструктурированные материалы, используемые в настоящее время для производства кондуктометрических газовых сенсоров, предназначенных для мониторинга окружающей среды и, в первую очередь, для детектирования малых концентраций в воздухе таких восстановительных газов как водород, угарный газ и др.

«В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 17 июня 2014 г. № 14.604.21.0006 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 17 июня по 31 декабря 2014 г. выполнялись следующие работы:
  1. Анализ научно-технической литературы
  2. Проведение патентных исследований согласно ГОСТ Р 15.011 - 96 по вопросу электронной структуры и сенсорных свойств наноматериалов
  3. Выбор возможных путей решения задач
  4. Разработка математической модели зависимости сенсорной чувствительности на водород от концентрации водорода, температуры и среднего размера наночастиц для наноструктурированных оксидов металлов с низкой плотностью электронов проводимости (на примере диоксида олова);
  5. Изготовление образцов сенсоров SnO2
  6. Исследование структурных характеристик и чувствительности к водороду образцов сенсоров SnO2
  7. Сравнение теоретических и экспериментальных данных
  8. Разработка программы и методик исследований образцов сенсоров

При этом были получены следующие результаты:
  1. Проведен анализ научно-технической литературы по теме проекта.
  2. Проведены патентные исследования согласно ГОСТ Р 15.011 - 96 по вопросу электронной структуры и сенсорных свойств наноматериалов. Результаты этого исследования дают основание полагать, что наноструктурированные металлоксидные композитные материалы, состоящие из бинарных смесей металлоксидов различной природы, состав которых определяется разрабатываемой в данном проекте математической программой, будут обладать целым рядом преимуществ перед имеющимися в настоящее время материалами в части их быстродействия, эффективности при детектировании малых концентраций восстановительных газов и рабочей температуры и таким образом явятся патентоспособными.
  3. Произведен выбор возможных путей решения поставленных задач: а) для того, чтобы найти пространственное и энергетическое распределение зарядов и потенциала в полупроводниковых наночастицах следует минимизировать ее свободную энергию; б) зная плотности электронов у поверхности наночастиц, можно найти проводимость сенсора при различных составах газов около него, т.е. рассчитать сенсорную чувствительность;.в) для проверки соответствия теоретических и экспериментальных результатов, должны быть получены образцы сенсоров и изучены их сенсорные свойства, а также исследованны их морфологические и структурные характеристики
  4. Разработана математическая модель зависимости чувствительности на водород от концентрации водорода, температуры и среднего размера наночастиц для наноструктурированных оксидов металлов с низкой плотностью электронов проводимости (на примере диоксида олова).
  5. Изготовлены образцы сенсоров SnO2 , пригодные для измерений.
  6. Исследованы структурные характеристики сенсоров – распределение частиц по размерам и чувствительность к водороду образцов сенсоров SnO2, зависимость чувствительности от температуры, давления водорода и среднего размера наночастиц. Показано, что исследованный образец в основном состоит из частиц диаметром около 100 нм и менее. Толщина пленок достигает 1 – 2 мкм. Повышение температуры и уменьшение среднего размера наночастиц SnO2 приводят к увеличению сенсорного отклика, причем максимальный сенсорный эффект достигается при температуре 400-450оС. Сенсорный отклик возрастает также при повышении концентрации водорода в системе, т.е. при увеличении его давления.
  7. Произведено сравнение теоретических и экспериментальных данных. Оно показало хорошее совпадение этих данных, т.е. пригодность разработанной теории сенсорной чувствительности SnO2.
  8. Разработана программа и методики исследований образцов сенсоров.

Полученные результаты совершенно новы и определяют мировой уровень, т.к. впервые теория смогла объяснить и предсказать зависимость чувствительности от температуры, давления газа и размера наночастиц сенсора во всём диапазоне изменения этих параметров. Полученные в проекте результаты полностью соответствуют требованиям к выполняемому проекту. Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

«Моделирование сенсорных процессов и пространственного и энергетического распределения зарядов в полупроводниковых наночастицах»,