Структура и газочувствительные свойства оксидных композиций WO3—In2O3 и WO3—Co3O4

Создание оксидных композиций является одним из перспективных способов увеличения чувствительности и селективности полупроводниковых газовых сенсоров на основе SnO₂, In₂O₃, WO₃ и других оксидов. Исследовали нанокристаллические оксид вольфрама (WO₃), оксид индия (In₂O₃), оксид кобальта (Co₃O₄) и смешанные композиты с различными соотношениями WO₃—In₂O₃ и WO₃—Co₃O₄, полученные золь-гель методом после прокаливания ксерогелей при 400—600 °C. Морфологию, фазовый состав и особенности структуры полученных материалов изучали методами рентгеновской дифракции, инфракрасной спектроскопии, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии. Установлена возможность получения стабильной микроструктуры в наногетерогенных композициях WO₃—In₂O₃, WO₃—Со₃O₄.
Рост размера зерен WO₃ и In₂O₃, WO₃ и Co₃O₄ при термической обработке в смешанных композициях замедляется по сравнению с индивидуальными оксидами. Рост газовой чувствительности композиций по сравнению с исходными оксидами может быть объяснен снижением размеров кристаллитов и увеличением удельной поверхности, а также зависимостью поверхностного состояния зерен от состава композиции. Наиболее высокий сенсорный отклик к диоксиду азота в обеих композициях лежит в интервале 130—150 °С, к оксиду углерода — выше 230 °С. Изготовлены маломощные планарные сенсоры диоксида азота с чувствительностью << 1 ppm и потребляемой мощностью ≤ 85 мВт.

оксид вольфрама, оксид индия, оксид кобальта, полупроводниковый газовый сенсор

1. Barsan N., Koziej D., Weimar U. Metal oxide-based gas sensor research: How to? // Sensors and Actuators B: Chemical. 2007. V. 121, Iss. 1. P. 18—35. DOI: 10.1016/j.snb.2006.09.047

2. Гайдук Ю. С., Ломоносов В. А., Савицкий А. А. Физико-химические свойства газочувствительной оксидной композиции WO3—In2O3, полученной золь-гель методом // Вестник БГУ. Серия 2. 2016. № 3. C. 36—44.

3. Гайдук Ю. С., Ломоносов В. А., Савицкий А. А. Физико-химические свойства оксидной композиции WO3-Co3O4, полученной золь-гель методом // Известия НАНБ. Серия хим. наук. 2015. № 2. С. 9—13.

4. Гайдук Ю. С., Савицкий А. А., Реутская О. Г., Таратын И. А. Полупроводниковые газовые датчики на основе композиции оксида вольфрама и оксида индия // Нано- и микросистемная техника. 2018. № 4. С. 232—242.

5. Haiduk Yu. S., Khort A. A., Lapchuk N. M., Savitsky A. A. Study of WO3—In2O3 nanocomposites for highly sensitive CO and NO2 gas sensors // J. Solid State Chemistry. 2019. V. 273. P. 25—31. DOI: 10.1016/j.jssc.2019.02.023

6. Иверонова В. И., Ревкевич Г. П. Теория рассеяния рентгеновских лучей. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1978. C. 136—139.

7. Клячко-Гурвич А. Л. Упрощенный метод определения поверхности по адсорбции воздуха // Изв. АН СССР. Сер. хим. наук. 1961. № 10. С. 1884—1886.

8. Кричмар С. И., Безпальченко В. М., Мишекин А. А. Простой метод получения калибровочных газовых смесей // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2008. Т. 74, № 1. С. 21—22.

9. Kang S.-J. L. Sintering: densification, grain growth and microstructure. Butterworth-Heinemann, 2005. 279 p.

10. Kumar V. Bh., Mochanta D. Formation of nanoscale tungsten oxide structures and colouration characteristics // Bull. Mater. Sci. 2011. V. 34. Iss. 3. P. 435—442. DOI: 10.1007/s12034-011-0117-1

11. Noguera H., Cavalerio A., Rocha J., Trindade T., Pedrosa J. J. Synthesis and characterization of tungsten trioxide powders prepared from tungstic acids // Mater. Res. Bull. 2004. V. 39. P. 683—693. DOI: 10.1016/j.materresbull.2003.11.004

12. Shi J., Hu G., Cong R., Bua H., Dai N. Controllable synthesis of WO3·nH2O microcrystals with various morphologies by a facile inorganic route and their photocatalytic activities // New J. Chem. 2013. V. 37, Iss. 5. P. 1538—1544. DOI: 10.1039/C3NJ41159A

13. Ştefan M., Bica E., Muresan L., Grecu R., Indrea E., M. Trif, Popovici E. J. Synthesis and characterisation of tungsten trioxide powder prepared by sol-gel route // J. Optoelectronics and Advanced Materials - Symposia. 2010. V. 2, N 1. P. 115—118.

14. Nogueira H. I. S., Cavaleiro A. M. V., Rocha J., Trindade T., Pedrosa de Jesus J. D. Synthesis and characterization of tungsten trioxide powders prepared from tungstic acids // Materials Research Bulletin. 2004. V. 39, Iss. 4-5. P. 683—693. DOI: 10.1016/j.materresbull.2003.11.004

15. Shimizu Y., Matsunaga N., Hyodo T., Egashira M. Improvement of SO2 sensing properties of WO3 by noble metal loading // Sens. and Actuators B: Chem. 2001. V. 77. P. 35—45. DOI: 10.1016/S0925-4005(01)00669-4

16. Sobotta H., Neumann H., Kühn G., Riede V. Infrared lattice vibrations of In2O3 // Crystal Research and Technology. 1990. V. 25, Iss. 1. P. 61—64. DOI: 10.1002/crat.2170250112

17. Liu G. Synthesis, characterization of In2O3 nanocrystals and their photoluminescence property // Int. J. Electrochem. Sci. 2011. V. 6, Iss. 6. P. 2162—2170.

18. Salavati-Niasari M., Mir N., Davar F. Synthesis and characterization of Co3O4 nanorods by thermal decomposition of cobalt oxalate // J. Phys. Chem. Solids. 2009. V. 70, Iss. 5. P. 847—852. DOI: 10.1016/j.ica.2009.07.023

19. Sharifi S. L., Shakur H. R., Mirzaei A., Hosseini M. H. Characterization of cobalt oxide Co3O4 nanoparticles prepared by various methods: effect of calcination temperatures on size, dimension and catalytic decomposition of hydrogen peroxide // Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 2013. V. 9, N 1. Р. 51—58. URL: http://www.ijnnonline.net/article_3880_cf0693bb7ba98dbdd64b6cb4ae3c88de.pdf

20. Wöllenstain J., Burgmair M., Plescher G., Sulima T., Hildenbrand J., Böttner H., Eisele I. Cobalt oxide based gas sensor on silicon substrate for operation at low temperatures // Sens. Actuators B: Chem. 2003. V. 93, Iss. 1–3. P. 442—448. DOI: 10.1016/S0925-4005(03)00168-0

21. Devadatha D., Raveendran R. Structural and dielectric characterization of nickel-cobalt oxide nanocomposite // J. Material Sci. Eng. 2013. V. S11. P. 003. DOI: 10.4172/2169-0022.S11-003

22. Tang Ch.-W., Wang Ch.-B., Chien Sh.-H. Characterization of cobalt oxides studied by FT-IR, Raman, TPR and TG-MS // Thermochimica Acta. 2008. V. 473, Iss. 1-2. P. 68—73. DOI: 10.1016/j.tca.2008.04.015

23. Khatko V., Llobet E., Vilanova X., Brezmes J., Hubalek J., Malysz K., Correig X. Gas sensing properties of nanoparticle indium-doped WO3 thick films // Sens. Actuators B: Chem. 2005. V. 111-112. P. 45—51. DOI: 10.1016/j.snb.2005.06.060

24. Pierson R. H., Fletcher A. N., Clair Gantz E. St. Catalog of infrared spectra for qualitative analysis of gases // Analythical Chemistry. 1956. V. 28, Iss. 8. P. 1218—1239. DOI: 10.1021/ac60116a002

25. Choi J.-S., Sakai Go, Shimano K., Yamazoe N. Sensing properties of SnO2‑Co3O4 composites to CO and H2 // Sens. Actuators B: Chem. 2004. V. 98. P. 166—173. DOI: 10.1016/j.snb.2003.09.033

26. Гайдук Ю.С., Таратын И. А. Сенсор диоксида азота: заяв. на изобр. Респ. Беларусь, МПК G01N 27/407; № а 20140371; заявл. 08.07.2014; опубл. 28.02.2016 // Афiцыйны бюл. Нац. цэнтр iнтэлектуал. уласнасцi. 2016. № 1. С. 44.