Осаждение легированных никелем наночастиц ZnO с повышенной чувствительностью к этанолу при низких температурах

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 Zn_1-xNi_xO 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.

1. Mitsubayashi 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)00428-3

2. Comini 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.2012.10.027

3. Wetchakun 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.2011.08.032

4. Rai 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.2011.10.029

5. Zhang 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.2012.12.021

6. Xinchang 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.2012.09.062

7. Rambu 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.2013.05.033

8. Vander 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.2009.02.020

9. Bappaditya 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.2015.05.218

10. Vijayaprasath 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/s00339-016-9655-0

11. Sun 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.200500726

12. Djurišić 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: 10.1088/0957-4484/18/9/095702

13. Darvishnejad 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/C5RA24169C

14. Motaung 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/C5RA27154A

15. Donato 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: 10.5772/18855

16. Sahay 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.2008.06.006

17. Hongcheng 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/s17040913

18. Ya-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.2014.05.111

19. Prabhakar 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.2013.06.005