Российские ученые создали датчик-«сэндвич» для анализа выхлопных газов
Многослойная структура на основе оксида галлия показала высокий отклик и стабильность при высоких температурах и способна регистрировать метан, пропан, бутан и другие газы.
Источник: Фото предоставлено ТГУ. Ученый РФФ ТГУ Дмитрий Алмаев (слева) и аспирант Никита Яковлев
МОСКВА, 26 августа /Новости науки/. Российские ученые разработали многослойный газовый датчик для анализа выхлопных газов двигателей и промышленных установок, статья о разработке опубликована в журнале Materials Science and Engineering B, работы выполнены при поддержке Российского научного фонда (РНФ).
Разработка предназначена для контроля состава газов при высоких температурах и в присутствии агрессивных химических соединений. Такие сенсоры необходимы для оптимизации сжигания топлива и своевременного обнаружения утечек несгоревших углеводородов.
«Оксид галлия (Ga2O3) считается одним из самых перспективных материалов для высокотемпературной электроники. Он обладает высокой термической и химической стабильностью, что делает его отличным кандидатом для работы в выхлопных системах — в качестве лямбда-зондов или датчиков контроля горения», — объяснили российские ученые.
При этом у чистого оксида галлия есть существенный недостаток — крайне высокое электрическое сопротивление при невысокой чувствительности. Чтобы повысить проводимость и чувствительность материала к газам, исследователи использовали оксид олова (SnO2). Сначала они нанесли слой оксида галлия, затем тонкий слой оксида олова, а сверху — еще один слой оксида галлия.
После этого структуру подвергли высокотемпературному отжигу. При нагреве атомы олова и галлия начали взаимно перемешиваться, образовав стабильный композит с нужным уровнем проводимости. Такой подход позволил обойти сложности с точным контролем концентрации оксида олова при прямом напылении сложной смеси методом магнетронного распыления.
Во время дальнейших испытаний исследователи обнаружили еще одну проблему. При отжиге атомы алюминия из сапфировой подложки проникали в оксид галлия, из-за чего увеличивалось сопротивление и возникала нестабильность характеристик. Для защиты чувствительного слоя ученые добавили нижний барьерный слой диоксида кремния (SiO2), который заблокировал перемещение атомов из подложки.
Еще один слой диоксида кремния нанесли на поверхность структуры. Это позволило повысить селективность датчика — его способность распознавать конкретный газ в сложной смеси. В результате исследователи получили законченную многослойную архитектуру.
Разработанный датчик продемонстрировал высокий отклик и стабильность в условиях высокотемпературного нагрева. Он способен регистрировать не только метан, но также пропан, бутан и ряд других газов.
Такие датчики могут применяться в автомобилестроении для оптимизации работы двигателей и контроля состава выхлопов, в энергетике — для мониторинга полноты сгорания топлива в котлах ТЭЦ и промышленных установках, а также в промышленности — для анализа газовых смесей в доменных печах и мусоросжигательных комплексах.
Разработка предназначена для контроля состава газов при высоких температурах и в присутствии агрессивных химических соединений. Такие сенсоры необходимы для оптимизации сжигания топлива и своевременного обнаружения утечек несгоревших углеводородов.
«Оксид галлия (Ga2O3) считается одним из самых перспективных материалов для высокотемпературной электроники. Он обладает высокой термической и химической стабильностью, что делает его отличным кандидатом для работы в выхлопных системах — в качестве лямбда-зондов или датчиков контроля горения», — объяснили российские ученые.
При этом у чистого оксида галлия есть существенный недостаток — крайне высокое электрическое сопротивление при невысокой чувствительности. Чтобы повысить проводимость и чувствительность материала к газам, исследователи использовали оксид олова (SnO2). Сначала они нанесли слой оксида галлия, затем тонкий слой оксида олова, а сверху — еще один слой оксида галлия.
После этого структуру подвергли высокотемпературному отжигу. При нагреве атомы олова и галлия начали взаимно перемешиваться, образовав стабильный композит с нужным уровнем проводимости. Такой подход позволил обойти сложности с точным контролем концентрации оксида олова при прямом напылении сложной смеси методом магнетронного распыления.
Во время дальнейших испытаний исследователи обнаружили еще одну проблему. При отжиге атомы алюминия из сапфировой подложки проникали в оксид галлия, из-за чего увеличивалось сопротивление и возникала нестабильность характеристик. Для защиты чувствительного слоя ученые добавили нижний барьерный слой диоксида кремния (SiO2), который заблокировал перемещение атомов из подложки.
Еще один слой диоксида кремния нанесли на поверхность структуры. Это позволило повысить селективность датчика — его способность распознавать конкретный газ в сложной смеси. В результате исследователи получили законченную многослойную архитектуру.
Разработанный датчик продемонстрировал высокий отклик и стабильность в условиях высокотемпературного нагрева. Он способен регистрировать не только метан, но также пропан, бутан и ряд других газов.
Такие датчики могут применяться в автомобилестроении для оптимизации работы двигателей и контроля состава выхлопов, в энергетике — для мониторинга полноты сгорания топлива в котлах ТЭЦ и промышленных установках, а также в промышленности — для анализа газовых смесей в доменных печах и мусоросжигательных комплексах.
