КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 19-13-00245

НазваниеМатериалы на основе карбида кремния и широкозонных полупроводниковых оксидов для высокотемпературных газовых сенсоров

Руководитель Румянцева Марина Николаевна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые слова нанокомпозиты, карбид кремния, широкозонные полупроводниковые оксиды, гидротермальный синтез, модификация поверхности, активные центры, адсорбция, электропроводность, высокотемпературные газовые сенсоры, дымовые газы

Код ГРНТИ31.15.19

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект направлен на разработку сенсорных материалов и полупроводниковых газовых сенсоров для анализа состава атмосферы в условиях высокой температуры 300-600С, большой влажности и недостатка кислорода. Высокотемпературные газовые сенсоры необходимы для локального мониторинга отходящих (дымовых) газов и атмосферных выбросов CO2, CO, SO2, H2S, NOx, CnH2n+2, NH3 в процессах сжигания топлива и переработки отходов, а также для контроля и управления средне-температурными химическими и металлургическими процессами. Традиционные полупроводниковые газовые сенсоры на основе нанокристаллических оксидов SnO2, WO3, In2O3 не могут быть использованы в таких условиях, прежде всего из-за дрейфа параметров, вызванного низкой стабильностью микроструктуры при температуре выше 500С. Проблема стабильности сенсорных материалов при высокой температуре может быть решена путем создания композиционных материалов на основе широкозонных полупроводниковых оксидов металлов (MО): ZnO, WO3, SnO2, TiO2, Ga2O3 и высокодисперсного карбида кремния SiC. Уникальные физические и химические свойства карбида кремния: значительная величина запрещенной зоны, высокая температура Дебая 1400К, высокая теплопроводность 4.9 Вт/см*К, высокая подвижность носителей заряда 850 – 1000 см2/В*сек, низкая реакционная способность по отношению к кислороду и парам воды, обеспечивают стабильность таких композиционных материалов к температурным, радиационным, химическим и механическим воздействиям. Новизна Проекта состоит в идее создания гетеропереходов MO/SiC на основе широкозонных полупроводников различной природы: карбида кремния и оксидов металлов. Величина возникающего энергетического барьера и транспорт носителей заряда на гетерогранице зависят от параметров зонной структуры материалов: ширины запрещенной зоны (Eg) и работы выхода электрона (φ). Пористость материалов обеспечивает свободный доступ компонентов газовых смесей к гетерогранице. В условиях адсорбции наблюдается изменение величины барьера на гетерогранице, вызванное изменением протяженности обедненного слоя, возникающего вблизи поверхности зерен нанокристаллических оксидов и карбида кремния. Это приводит к изменению электропроводности материала, которое регистрируется как сенсорный сигнал, зависящий как от природы и концентрации адсорбированных молекул, так и от микроструктуры и электрофизических свойств полупроводников. Создание сенсорных композиционных материалов MO/SiC, в которых функции рецептора (MO) и преобразователя (SiC) разделены, позволяет независимо управлять адсорбционными свойствами, параметрами микроструктуры, электрофизическими свойствами материалов, а также высотой энергетического барьера на гетерогранице. Различие в параметрах зонной структуры выбранных полупроводниковых оксидов ZnO, WO3, SnO2, TiO2, Ga2O3 (Eg = 3.2 - 4.9 эВ) карбида кремния (политип 3С-SiC, Eg = 2.4 eV) позволяет варьировать в широких пределах электрофизические и сенсорные свойства материалов. Таким образом, карбид кремния является многофункциональным компонентом, обеспечивающим, с одной стороны, высокую стабильность микроструктуры композита, и, с другой стороны, принимающим участие в формировании сенсорного сигнала за счет образования энергетического барьера на гетерогранице с полупроводниковым оксидом металла. Актуальность проекта вызвана как все возрастающими требованиями к качеству воздуха, особенно в жилых зонах, так и широким распространением котлов на жидком топливе, использованием энергетических установок, работающих на основе процессов переработки и сжигании отходов. Масштабность проекта обусловлена необходимостью развития и широкого внедрения сертифицированных методов и приборов мониторинга атмосферных выбросов непосредственно на предприятиях в экстремальных условиях, в том числе при высокой температуре, наличии высокой влажности и низкой концентрации кислорода. Высокотемпературные сенсоры необходимы также для повышения эксплуатационной безопасности высокотемпературных систем, таких как дизельные и газовые горелки, котлы, турбины. Проект представляет собой междисциплинарное исследование на стыке наук: неорганической, физической, аналитической химии и физики полупроводников. Проект включает в себя разработку методов гидротермального синтеза и электроформирования для получения нановолокон карбида кремния, нанокристаллических полупроводниковых оксидов и новых композиционных материалов MO/SiC различного состава. Синтез композиционных материалов будет включать получение нановолокон SiC методом электроформирования и их модификацию нанокристаллическими полупроводниковыми оксидами ZnO, WO3, SnO2, TiO2, Ga2O3 методом гидротермального синтеза или с использованием золь-гель технологии. Фундаментальные разделы проекта направлены на создание физико-химической модели взаимодействия композиционных материалов MO/SiC с основными компонентами дымовых газов: CO2, CO, SO2, H2S, NOx, CnH2n+2, NH3. Адсорбционные свойства материалов, природа и концентрация активных центров, химические реакции, отвечающие за формирование сенсорного отклика, будут определены в зависимости от состава материалов комплексом методов in situ в условиях контролируемой температуры, влажности и содержания кислорода. Электрофизические свойства материалов: транспорт носителей заряда, работа выхода электрона, вольт-амперные характеристики будут изучены методами спектроскопии импеданса, зондом Кельвина и вольт-амперометрии в зависимости от температуры и состава атмосферы. Полупроводниковые газовые сенсоры резистивного типа будут созданы на микроэлектронных чипах по толстопленочной технологии. Сенсорные характеристики: чувствительность, селективность, стабильность, время отклика и возврата в исходное состояние будут измерены по отношению к основным компонентам дымовых газов CO2, CO, SO2, H2S, NOx, CnH2n+2, NH3 в зависимости от концентрации целевых газов, температуры, влажности и содержания кислорода с использованием аттестованных газовых смесей и источников микропотока. В ходе выполнения проекта будут решены следующие основные задачи: 1. Разработка методики синтеза нановолокон карбида кремния методом электроформирования. Получение высокодисперсного карбида кремния со структурой политипа 3С-SiC, путем высокотемпературного отжига и электроимпульсного плазменного спекания в инертной атмосфере. 2. Синтез нанокомпозитов MO/SiC путем формирования наночастиц полупроводниковых оксидов на поверхности высокодисперсного карбида кремния в гидротермальных условиях. 3. Синтез нанокомпозитов MO/SiC путем формирования наночастиц полупроводниковых оксидов на поверхности высокодисперсного карбида кремния с использованием золь-гель технологии. 4. Исследование электрофизических свойств нанокомпозитов MO/SiC в зависимости от состава атмосферы и температуры. 5. Исследование реакционной способности нанокомпозитов MO/SiC различного состава, а также нанокристаллических полупроводниковых оксидов и карбида кремния при взаимодействии с целевыми газами в условиях контролируемой температуры 300-600С, влажности RH = 0-95% и содержания кислорода 10-20%. 6. Модифицирование поверхности нанокомпозитов MO/SiC кластерами благородных металлов Pt, Pd, Ru и исследование их влияния на реакционную способность нанокомпозитов во взаимодействии с целевыми газами. 7. Создание полупроводниковых газовых сенсоров на основе нанокомпозитов MO/SiC на микроэлектронных чипах и проведение их испытаний в лабораторных условиях при детектировании основных компонентов дымовых газов. Научное значение проекта связано с созданием теоретических основ и разработкой практических методов направленного синтеза композиционных материалов на основе карбида кремния и широкозонных полупроводниковых оксидов для высокотемпературных газовых сенсоров. Систематические исследования композиционных материалов и процессов их взаимодействия с газовой фазой позволят определить составы, обеспечивающие стабильность параметров микроструктуры в условиях высокой температуры измерений, установить основные закономерности формирования сенсорного сигнала, определить условия достижения высокой селективной чувствительности к основным компонентам дымовых газов.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---