mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2018-4-216-226mateltech-404Research ArticleНаноматериалы и нанотехнологииNANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGYОсаждение легированных никелем наночастиц ZnO с повышенной чувствительностью к этанолу при низких температурахPrecipitated nickel doped ZnO nanoparticles with enhanced low temperature ethanol sensing propertiesГодавартиУ.GodavartiU.

Медчел, Хайдарабад 501401:

Латур 413512

Medchel, Hyderabad 501401, Telangana;

Latur 413512, Maharashtra

Umadevi Godavarti

МотеВ. Д.MoteV. D.

Латур 413512

Latur 413512, Maharashtra

V. D. Mote

ДасариМ.DasariM.

Висакхапатнам 530045

Visakhapatnam 530045, Andhra Pradesh

Madhavaprasad Dasari

Технический кампус CMR; Научный колледж ДаянандаИндияDepartment of Physics, CMR Technical Campus; Thin Films and Materials Research Laboratory, Department of Physics, Dayanand Science CollegeIndiaНаучный колледж ДаянандаИндияThin Films and Materials Research Laboratory, Department of Physics, Dayanand Science CollegeIndiaУниверситет GITAMИндияDepartment of Physics, GITAM Institute of Technology, GITAM UniversityIndia201825012021214216226Copyright © Годаварти У., Моте В.Д., Дасари М., 20192019Годаварти У., Моте В.Д., Дасари М.Godavarti U., Mote V.D., Dasari M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/404

В настоящее время особое значение приобретает развитие технологии сенсоров летучих и токсичных газов для контроля загрязнения окружающей среды, в промышленной технике безопасности и в повседневной жизни. ZnO – перспективный материал для создания газовых сенсоров благодаря его электрохимической устойчивости, нетоксичности, возможности легирования и низкой себестоимости. метод осаждения может стать простой и экономичной альтернативой. Наночастицы Zn1-xNixO синтезированы с использованием нового метода совместного осаждения. Полученные наночастицы исследовали методами рентгеновской дифрактометрии, сканирующей электронной микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии и фотолюминесценции. Подтверждено наличие гексагональной структуры типа вюрцита без вторых фаз в образцах ZnO с замещением Ni. Исследования методом фотолюминесценции показали наличие во всех образцах максимума в диапазоне 380–390 нм, относящегося к кислородным вакансиям. Испытания газочувствительности показали, что сенсоры на основе ZnO, легированного Ni, обладает значительно более высокой чувствительностью по сравнению с чистым ZnO при оптимальной температуре 100 °С. Сенсор определяет наличие газообразного этанола в широком диапазоне концентраций и отличается быстродействием, малым временем восстановления, высокой селективностью и воспроизводимостью результатов. Обсужден возможный механизм формирования газочувствительности. Быстродействие сенсоров на основе наночастиц ZnO объясняется большой контактной площадью поверхности для электронов, кислорода, молекул определяемого газа и наличием большого числа каналов диффузии газа. Высокая эффективность сенсоров говорит о том, что ZnO, легированный Ni, является перспективным наноматериалом для создания газовых сенсоров. При температуре 100 °С время отклика и восстановления нелегированного ZnO составляет 75 и 60 с соответственно, в то время как при легировании 0,25 % (ат.) Ni – 60 и 45 с.

The Zn1-xNixO nanoparticles have been synthesized by novel co-precipitation method and systematically characterized by XRD, SEM, TEM and photo luminescence. The XRD patterns confirm the hexagonal wurzite structure without secondary phases in Ni substituted ZnO samples. SEM and TEM are used for the estimation of particle shape and size. In PL study there is a peak in the range of 380—390 nm in all samples that is attributed to the oxygen vacancies. Gas sensing tests reveal that Ni doped ZnO sensor has remarkably enhanced performance compared to pure ZnO detected at an optimum temperature 100 °C. It could detect ethanol gas in a wide concentration range with very high response, fast response–recovery time, good selectivity and stable repeatability. The possible sensing mechanism is discussed. The high response of ZnO Nanoparticles was attributed to large contacting surface area for electrons, oxygen, target gas molecule, and abundant channels for gas diffusion. The superior sensing features indicate the present Ni doped ZnO as a promising nanomaterial for gas sensors. The response time and recovery time of undoped is 75 s and 60 s and 0.25 at.% Ni are found to be 60 s and 45 s at 100 °C respectively.

ZnOнаночастицырентгеновская дифракцияселективностьповышенная чувствительностьZnOnanoparticlesXRDselectivitysuperior sensingReferencesMitsubayashi K., Amagai H., Watanabe H., Nakayama Y. Bioelectronic sniffer with a diaphragm flow-cell for acetaldehyde vapor // Sens. Actuators B: Chem. 2003. V. 95, N 1–3. P. 303—308. DOI: 10.1016/S0925-4005(03)00428-3Mitsubayashi K., Amagai H., Watanabe H., Nakayama Y. Bioelectronic sniffer with a diaphragm flow-cell for acetaldehyde vapor. Sens. Actuators B: Chem., 2003, vol. 95, no. 1–3, pp. 303—308. DOI: 10.1016/S0925-4005(03)00428-3Comini E., Baratto C., Concina I., Faglia G., Falasconi M., Ferroni M., Galstyan V., Gobbi E., Ponzoni A., Vomiero A., Zappa D., Sberveglieri V., Sberveglieri G. Metal oxide nanoscience and nanotechnology for chemical sensors // Sens. Actuators B: Chem. 2013. V. 179. P. 3—20. DOI: 10.1016/j.snb.2012.10.027Comini E., Baratto C., Concina I., Faglia G., Falasconi M., Ferroni M., Galstyan V., Gobbi E., Ponzoni A., Vomiero A., Zappa D., Sberveglieri V., Sberveglieri G. Metal oxide nanoscience and nanotechnology for chemical sensors. Sens. Actuators B: Chem., 2013, vol. 179, pp. 3—20. DOI: 10.1016/j.snb.2012.10.027Wetchakun K., Samerjai T., Tamaekong N., Liewhiran C., Siriwong C., Kruefu V., Wisitsoraat A., Tuantranont A., Phanichphant S. Semiconducting metal oxides as sensors for environmentally hazardous gases // Sens. Actuators B: Chem. 2011. V. 160, N 1. P. 580—591. DOI: 10.1016/j.snb.2011.08.032Wetchakun K., Samerjai T., Tamaekong N., Liewhiran C., Siriwong C., Kruefu V., Wisitsoraat A., Tuantranont A., Phanichphant S. Semiconducting metal oxides as sensors for environmentally hazardous gases. Sens. Actuators B: Chem., 2011, vol. 160, no. 1, pp. 580—591. DOI: 10.1016/j.snb.2011.08.032Rai P., Song H.-M., Kim Y.-S., Song M.-K., Oh P.-R., Yoon J.-M., Yu Y.-T. Microwave assisted hydrothermal synthesis of single crystalline ZnO nanorods for gas sensor application // Mater. Lett. 2012. V. 68. P. 90—93. DOI: 10.1016/j.matlet.2011.10.029Rai P., Song H.-M., Kim Y.-S., Song M.-K., Oh P.-R., Yoon J.-M., Yu Y.-T. Microwave assisted hydrothermal synthesis of single crystalline ZnO nanorods for gas sensor application. Mater. Lett., 2012, vol. 68, pp. 90—93. DOI: 10.1016/j.matlet.2011.10.029Zhang S. L., Lim J. O., Huh J. S., Noh J. S., Lee W. Two-step fabrication of ZnO nanosheets for high-performance VOCs gas sensor // Curr. Appl. Phys. 2013. V. 13. Sup. 2. P. S156—S161. DOI: 10.1016/j.cap.2012.12.021Zhang S. L., Lim J. O., Huh J. S., Noh J. S., Lee W. Two-step fabrication of ZnO nanosheets for high-performance VOCs gas sensor. Curr. Appl. Phys., 2013, vol. 13, sup. 2, pp. S156—S161. DOI: 10.1016/j.cap.2012.12.021Xinchang Wang, Minggang Zhao, Fang Liu, Jianfeng Jia, Xinjian Li, Liangliang Cao. C2H2 gas sensor based on Ni-doped ZnO electrospun nanofibers // Ceram. Int. 2013. V. 39, N 3. P. 2883—2887. DOI: 10.1016/j.ceramint.2012.09.062Xinchang Wang, Minggang Zhao, Fang Liu, Jianfeng Jia, Xinjian Li, Liangliang Cao. C2H2 gas sensor based on Ni-doped ZnO electrospun nanofibers. Ceram. Int., 2013, vol. 39, no. 3, pp. 2883—2887. DOI: 10.1016/j.ceramint.2012.09.062Rambu A. P., Ursu L., Iftimie N., Nica V., Dobromir M., Iacomi F. Study on Ni-doped ZnO films as gas sensors // Appl. Surf. Sci. 2013. V. 280. P. 598—604. DOI: 10.1016/j.apsusc.2013.05.033Rambu A. P., Ursu L., Iftimie N., Nica V., Dobromir M., Iacomi F. Study on Ni-doped ZnO films as gas sensors. Appl. Surf. Sci., 2013, vol. 280, pp. 598—604. DOI: 10.1016/j.apsusc.2013.05.033Vander Wal R. L., Hunter G. W., Xu J. C., Kulis M. J., Berger G. M., Ticich T. M. Metal-oxide nanostructure and gas-sensing performance // Sens. Actuators B: Chem. 2009. V. 138, N 1. P. 113—119. DOI: 10.1016/j.snb.2009.02.020Vander Wal R. L., Hunter G. W., Xu J. C., Kulis M. J., Berger G. M., Ticich T. M. Metal-oxide nanostructure and gas-sensing performance. Sens. Actuators B: Chem., 2009, vol. 138, no. 1, pp. 113—119. DOI: 10.1016/j.snb.2009.02.020Bappaditya Pal, Soumen Dhara, Giri P. K., Sarkar D. Evolution of room temperature ferromagnetism with increasing 1D growth in Ni-doped ZnO nanostructures // J. Alloy. Compd. 2015. V. 647. P. 558—565. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.05.218Bappaditya Pal, Soumen Dhara, Giri P. K., Sarkar D. Evolution of room temperature ferromagnetism with increasing 1D growth in Ni-doped ZnO nanostructures. J. Alloy. Compd., 2015, vol. 647, pp. 558—565. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.05.218Vijayaprasath G., Murugan R., Asaithambi S., Anandha Babu G., Sakthivel P., Mahalingam T., Hayakawa Y., Ravi G. Structural characterization and magnetic properties of Co co-doped Ni/ZnO nanoparticles // Appl. Phys. A. 2016. V. 122. P. 122. DOI: 10.1007/s00339-016-9655-0Vijayaprasath G., Murugan R., Asaithambi S., Anandha Babu G., Sakthivel P., Mahalingam T., Hayakawa Y., Ravi G. Structural characterization and magnetic propertiesof Co co-doped Ni/ZnO nanoparticles. Appl. Phys. A, 2016, vol. 122, p. 122. DOI: 10.1007/s00339-016-9655-0Sun Y., Fuge G. M., Fox N. A., Riley D. J., Ashfold M. N. R. Synthesis of aligned arrays of ultrathin ZnO nanotubes on a Si wafer coated with a thin ZnO film // Adv. Mater. 2005. V. 17, N 2. P. 2477—2481. DOI: 10.1002/adma.200500726Sun Y., Fuge G. M., Fox N. A., Riley D. J., Ashfold M. N. R. Synthesis of aligned arrays of ultrathin ZnO nanotubes on a Si wafer coated with a thin ZnO film. Adv. Mater., 2005, vol. 17, no. 2, pp. 2477—2481. DOI: 10.1002/adma.200500726Djurišić A. B., Leung Y. H., Tam K. H., Hsu Y. F., Ding L., Ge W. K., Zhong Y. C., Wong K. S., Chan W. K., Tam H. L., Cheah K. W., Kwok W. M., Phillips D. L. Defect emissions in ZnO nanostructures // Nanotechnology. 2007. V. 18, N 9. P. 095702—095710. DOI: 10.1088/0957-4484/18/9/095702Djurišić A. B., Leung Y. H., Tam K. H., Hsu Y. F., Ding L., Ge W. K., Zhong Y. C., Wong K. S., Chan W. K., Tam H. L., Cheah K. W., Kwok W. M., Phillips D. L. Defect emissions in ZnO nanostructures. Nanotechnology, 2007, vol. 18, no. 9, pp. 095702—095710. DOI: 10.1088/0957-4484/18/9/095702Darvishnejad M. H., Firooz A. A., Beheshtian J., Khodadadi A. A. Highly sensitive and selective ethanol and acetone gas sensors by adding some dopants (Mn, Fe, Co, Ni) on hexagonal ZnO plates // RSC Advances. 2016. V. 6, N 10. P. 7838—7845. DOI: 10.1039/C5RA24169CDarvishnejad M. H., Firooz A. A., Beheshtian J., Khodadadi A. A. Highly sensitive and selective ethanol and acetone gas sensors by adding some dopants (Mn, Fe, Co, Ni) on hexagonal ZnO plates. RSC Advances, 2016, vol. 6, no. 10, pp. 7838—7845. DOI: 10.1039/C5RA24169CMotaung D. E., Kortidis I., Mhlongo G. H., Duvenhage M.-M., Swart H. C., Kiriakidisc G., Raya S. S. Correlating the magnetism and gas sensing properties of Mn-doped ZnO films enhanced by UV irradiation // RSC Advances. 2016. V. 6, N 31. P. 26227—26238. DOI: 10.1039/C5RA27154AMotaung D. E., Kortidis I., Mhlongo G. H., Duvenhage M.-M., Swart H. C., Kiriakidisc G., Raya S. S. Correlating the magnetism and gas sensing properties of Mn-doped ZnO films enhanced by UV irradiation. RSC Advances, 2016, vol. 6, no. 31, pp. 26227—26238. DOI: 10.1039/C5RA27154ADonato N., Latino M., Neri G. Novel carbon nanotubes-based hybrid composites for sensing applications. S. Bianco (Ed.) / In: Carbon Nanotubes-From Research to Applications. IntechOpen, 2011. DOI: 10.5772/18855Donato N., Latino M., Neri G. Novel carbon nanotubes-based hybrid composites for sensing applications. S. Bianco (Ed.). In: Carbon Nanotubes-From Research to Applications. IntechOpen, 2011. DOI: 10.5772/18855Sahay P. P., Nath R. K. Al-doped ZnO thin films as methanol sensors // Sens. Actuators B: Chem. 2008. V. 134, N 2. P. 654—659. DOI: 10.1016/j.snb.2008.06.006Sahay P. P., Nath R. K. Al-doped ZnO thin films as methanol sensors. Sens. Actuators B: Chem., 2008, vol. 134, no. 2, pp. 654—659. DOI: 10.1016/j.snb.2008.06.006Hongcheng Liu, Qu Zhou, Qingyan Zhang, Changxiang Hong, Lingna Xu, Lingfeng Jin, Weigen Chen. Synthesis, characterization and enhanced sensing properties of a NiO/ZnO p-n junctions sensor for the SF6 decomposition byproducts SO2, SO2F2, and SOF2 // Sensors. 2017. V. 17, N 4. P. 913. DOI: 10.3390/s17040913Hongcheng Liu, Qu Zhou, Qingyan Zhang, Changxiang Hong, Lingna Xu, Lingfeng Jin, Weigen Chen. Synthesis, characterization and enhanced sensing properties of a NiO/ZnO p-n junctions sensor for the SF6 decomposition byproducts SO2, SO2F2, and SOF2. Sensors, 2017, vol. 17, no. 4, p. 913. DOI: 10.3390/s17040913Ya-Bin Zhang, Jing Yin, Ling Li, Le-Xi Zhang, Li-Jian Bie. Enhanced ethanol gas-sensing properties of flower-like p-CuO/n-ZnO heterojunction nanorods // Sens. Actuators B: Chem. 2014. V. 202. P. 500—507. DOI: 10.1016/j.snb.2014.05.111Ya-Bin Zhang, Jing Yin, Ling Li, Le-Xi Zhang, Li-Jian Bie. Enhanced ethanol gas-sensing properties of flower-like p-CuO/n-ZnO heterojunction nanorods. Sens. Actuators B: Chem., 2014, vol. 202, pp. 500—507. DOI: 10.1016/j.snb.2014.05.111Prabhakar Rai, Rizwan Khan, Rafiq Ahmad, Yoon-Bong Hahn, In-Hwan Lee, Yeon-Tae Yu. Gas sensing properties of single crystalline ZnO nanowires grown by thermal evaporation technique // Curr. Appl. Phys. 2013. V. 13, N 8. P. 1769—1773. DOI: 10.1016/j.cap.2013.06.005Prabhakar Rai, Rizwan Khan, Rafiq Ahmad, Yoon-Bong Hahn, In-Hwan Lee, Yeon-Tae Yu. Gas sensing properties of single crystalline ZnO nanowires grown by thermal evaporation technique. Curr. Appl. Phys., 2013, vol. 13, no. 8, pp. 1769—1773. DOI: 10.1016/j.cap.2013.06.005

The authors declare that there are no conflicts of interest present.