Газочувствительные элементы на основе органо-неорганических нанокомпозитов

Проблематика. На сьогоднішній день існує висока потреба в дешевих портативних газових сенсорах для оперативного моніторингу навколишнього середовища та атмосфери житлових приміщень, а також, у різних галузях промисловості. Останнім часом гібридні наносистеми на основі провідних полімерів, легованих напівпровідниковими наночастинками різної природи знаходяться в центрі підвищеної уваги як матеріали для сенсорних елементів. Мета досліджень. Створення сенсорних елементів на основі композитних плівок полі-3,4-етилендіоксітіофену в поєднанні з нанокристалами поруватого кремнію та оксиду цинку і вивчення відгуку їх електричного опору на адсорбцію молекул газів різної природи. Методика реалізації. Структура наночастинок ZnO та порошку поруватого кремнію була досліджена методом рентгенівської дифракції. Характеристики органо-неорганічних композитних плівок були визначені за допомогою скануючої електронної мікроскопії та ІЧ Фур'є-спектроскопії. Для оцінки сенсорних властивостей був досліджений електричний відгук отриманих композиційних плівок на адсорбцію молекул аміаку та етанолу. Результати досліджень. Експериментальні дослідження виявили взаємодію між органічними і неорганічними компонентами нанокомпозиту і утворення монолітної гібридної плівки. Зареєстровано збільшення електричного опору сенсорних елементів внаслідок адсорбції молекул аміаку і етанолу. Встановлено, що максимальна чутливість гібридних плівок знаходиться при низьких концентраціях досліджуваних речовин. Кінетика відклику резистивних сенсорних елементів на основі гібридних композитів на зміну концентрації газів є достатньо швидкою для мікроелектронних хімічних сенсорів. Висновки. Поєднання наночастинок поруватого кремнію та оксиду цинку забезпечує збільшення площі робочої поверхні сенсорів на основі плівок органо-неорганічних композитів, їх високу чутливість і селективність до молекул аміаку та етанолу.Background. For today there is high need of cheap portable gas sensors for operational monitoring of the environment and the atmosphere in different areas of life and industry. Recently, hybrid nanosystems based on conductive polymers reinforced with semiconductor nanoparticles of different nature are in the focus of increased attention as materials for sensor elements. Objective. Creating sensitive elements based on composite films of poly-3,4-ethylenedioxythiophene combined with nanocrystals of porous silicon and zinc oxide and studying the electrical response to the absorption of gas molecules. Methods. The structure of ZnO nanoparticles and porous silicon powder was examined with X-ray diffraction. Organic-inorganic hybrid films were characterized by scanning electron microscopy and Fourier transform infrared spectroscopy. To evaluate the sensor properties, electrical response of obtained composite films due to adsorption of ammonia and ethanol molecules were studied. Results. Our studies suggest some interaction between organic and inorganic components in the formed hybrid monolithic film. Increasing of nanocomposite electrical resistance due to adsorption of ammonia and ethanol molecules was registered. It was established that the maximum sensitivity of the hybrid films is observed at low concentration ranges. The kinetics of the response of the hybrid composites to the changing concentration of gas molecules is fast enough to be employed in various microelectronic chemical sensors. Conclusions. The combination of the porous silicon and zinc oxide nanoparticles provides an increasing of surface area of the sensors based on organic-inorganic composites and their high sensitivity and selectivity to ethanol and ammonia molecules.Проблематика. На сегодняшний день существует высокая потребность в дешевых портативных газовых сенсорах для оперативного мониторинга окружающей среды и атмосферы жилых помещений, а также в различных отраслях промышленности. В последнее время гибридные наносистемы на основе проводящих полимеров, легированных полупроводниковыми наночастицами различной природы находятся в центре повышенного внимания как материалы для сенсорных элементов. Цель исследований. Создание сенсорных элементов на основе композитных пленок поли-3,4-этилендиокситиофена в сочетании с нанокристаллами пористого кремния и оксида цинка и изучение отклика их сопротивления на адсорбцию молекул газов разной природы. Методика реализации. Структура наночастиц ZnO и порошка пористого кремния исследована методом рентгеновской дифракции. Характеристики гибридных органо-неорганических пленок определены при помощи сканирующей электронной микроскопии и ИК Фурье-спектроскопии. Для оценки сенсорных свойств исследован электрический отклик полученных композиционных пленок на адсорбцию молекул аммиака и этанола. Результаты исследований. Экспериментальные исследования обнаружили взаимодействие между органическими и неорганическими компонентами нанокомпозита и образование монолитной гибридной пленки. Зарегистрировано увеличение сопротивления сенсорных элементов в результате адсорбции молекул аммиака и этанола. Установлено, что максимальная чувствительность гибридных пленок наблюдается при низких концентрациях исследуемых молекул. Кинетика отзыва резистивных сенсорных элементов на основе гибридных композитов на изменение концентрации молекул газов является достаточно быстрой для микроэлектронных химических сенсоров. Выводы. Сочетание наночастиц пористого кремния и оксида цинка обеспечивает увеличение площади рабочей поверхности сенсоров на основе пленок органо-неорганических композитов, их высокую чувствительность и селективность к молекулам аммиака и этанола

Electrical and Photoelectrical Properties of Reduced Graphene Oxide—Porous Silicon Nanostructures

Abstract In this work, the hybrid structures were created by electrochemical etching of silicon wafer and deposition of reduced graphene oxide (RGO) on the porous silicon (PS) layer. With the help of SEM and AFM, the formation of hybrid PS–RGO structure was confirmed. By means of current–voltage characteristic analysis and impedance spectroscopy, we studied electrical characteristics of PS–RGO structures. The formation of photosensitive electrical barriers in hybrid structures was revealed. Temporal parameters and spectral characteristics of photoresponse in the 400–1100-nm wavelength range were investigated. The widening of spectral range of photosensitivity of the hybrid structures in short-wavelength range in comparison with single-crystal silicon was revealed. The obtained results broaden the prospects of application of the PS–RGO structures in photoelectronics