29.10.20
Пленки из оксида индия и олова (ITO) активно используют в качестве прозрачных электродов сенсорных экранов, дисплеев и солнечных батарей, но ученые из ИОНХ РАН, РХТУ им. Д.И. Менделеева и других институтов показали, что линейку применений ITO можно расширить еще больше. Они напечатали тонкие и однородные пленки ITO с помощью перьевого плоттера и продемонстрировали, что с помощью них можно селективно регистрировать содержание угарного газа в концентрациях даже на порядок меньше предельных допустимых. Результаты работы опубликованы в журнале Talanta.
Мониторинг атмосферного воздуха позволяет контролировать содержание в нем различных газов и вовремя детектировать неблагоприятные изменения. Для этих целей хорошо подходят резистивные газовые сенсоры, работающие на основе материалов, электрофизические характеристики которых (прежде всего электрическое сопротивление) зависит от концентрации тех или иных газов в окружающей среде.
Перспективный кандидат для таких рецепторных компонентов — это смешанный оксид индия и олова ITO (In 2 O 3 -10%SnO 2 ). Пленки ITO обладают хорошей электропроводностью, а также их можно наносить на самые разные, в том числе гибкие, поверхности, и поэтому ITO сейчас активно используют в качестве прозрачных электродов для электронных устройств (сенсорных экранов, дисплеев, солнечных батареях и т.д.). При этом в работах 80-ых годов было показано, что ITO, как и другие полупроводники, может реагировать на концентрации различных газов однако техника создания ITO покрытий еще не была достаточно развита, и поэтому для создания резистивных газовых сенсоров их всерьез никто не рассматривал.
В новой же работе российские химики показали, что тонкие рецепторные покрытия из ITO можно получить с помощью удобной техники перьевой плоттерной печати. При этом в качестве чернил они использовали не коллоидные взвеси наночастиц, из которых часто получают ITO, а истинные растворы двух комплексных соединений с индием и оловом в составе — так было гораздо легче контролировать морфологию и однородность получающихся поверхностей. Чернила смешивали в пере плоттера и подавали на чип из Al 2 O 3 с нанесенными платиновыми электродами. Перо равномерно перемещалось по поверхности, и после нанесения каждого слоя пленка высушивалась в течении десяти минут, а потом процедура повторялась вновь. Всего было нанесено двадцать слоев, при этом после первых десяти пленку дополнительно отжигали при температуре 250 °С. В результате получилась пленка ITO толщиной 600 нм с однородной поверхностью — максимальный перепад высот составлял не более 8 нм.
Схема проведения эксперимента. Исходное изображение: Talanta/Elsevier.
После ученые испытали сенсорные свойства новой ITO-пленки. Они вносили ее в атмосферу различных газов (CO, CO 2 , CH 4 , H 2 и NH 3 ) и фиксировали как изменяется ее сопротивление. Самый заметный сенсорный отклик ITO показал на угарный газ: в присутствии молекул CO концентрацией 100 миллионных долей ее сопротивление упало почти в 9 раз. В присутствии других газов таких заметных эффектов не наблюдалось. При этом было показано, что ITO пленка может детектировать концентрации CO даже на уровне 2 миллионных долей, что почти на порядок меньше предельной допустимой концентрации угарного газа в воздухе (от 20 до 35 миллионных долей).
Таким образом, ученые показали, что с помощью напечатанной планарной ITO-пленки можно селективно детектировать в окружающей атмосфере токсичный угарный газ, который не обладает ни цветом, ни запахом, ни вкусом (оптимальная рабочая температура полученного датчика составила 200°С). Кроме того, показанная в работе технология позволит научном сообществу продвинуться в создании тонкоплёночных прозрачных электродов ITO и для других целей.
Исследование проведено группой ученых из лаборатории химии лёгких элементов и кластеров ИОНХ РАН в сотрудничестве с коллегами из СПбГУ, МГУ имени М.В. Ломоносова и РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Пресс-служба РХТУ им. Д.И. Менделеева
Нет комментариев