Способ определения свойств газочувствительности пленок нанокомпозитных оксидных материалов к газам
METHOD FOR DETERMINING GAS SENSITIVITY PROPERTIES OF FILMS OF NANOCOMPOSITE OXIDE MATERIALS TO GASES

Изобретение относится к области физики и химии поверхности и может быть использовано для анализа физико-химических свойств поверхности тонких пленок нанокомпозитных оксидных материалов и создания на их основе сенсоров газов с высокой газочувствительностью.
Известен способ исследования структуры трубных сталей [Пат. 2449055 РФ, МПК C23F 1/28, G01N 1/32, G01N 33/20. Способ исследования структуры трубных сталей / Казаков А.А., Казакова Е.И., Киселев Д.В., Курочкина О.В. - Заявл. 18.10.2010; Опубл. 27.04.2012]. Сущность способа состоит в количественном определении параметров выявленных областей бейнита реечной морфологии в изображениях образцов трубной стали, полученных после взаимодействия с водным раствором сульфосолей с помощью поляризованного света оптического микроскопа. Существенными признаками аналога являются: взаимодействие образца материала с водным раствором сульфосолей, последующая промывка и просушка образца материала; анализ морфологии поверхности материала посредством оптического микроскопа; фиксирование изображения поверхности материала; количественное определение параметров участков поверхности.
Существенными признаками, общими с заявляемым способом являются: анализ морфологии поверхности материала; фиксирование изображения поверхности материала; количественное определение параметров участков поверхности.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является то, что способ предназначен для исследования морфологии поверхности стали посредством оптического микроскопа, разрешение которого является недостаточным для исследования тонких пленок нанокомпозитных оксидных материалов.
Другим аналогом является способ исследования сорбционных свойств углей. [Пат. 2590981 РФ, МПК G01N 15/08, G01N 7/04. Способ исследования сорбционных свойств углей / Натура В.Г., Сиротский Р.Г., Ожогина Т.В. - Заявл. 10.03.2015; Опубл. 10.07.2016]. Способ определения сорбционной газоемкости углей включает закачивание в исследуемую систему измеренного объема метана, насыщение угля метаном для количественного определения изменения параметров адсорбирующего материала. Существенными признаками данного аналога являются: закачивание в исследуемую систему измеренного объема газа; проведение исследований при различных температурах и давлениях; количественное определение изменения параметров адсорбирующего материала.
Существенным признаком, общим с существенными признаками заявленного способа является: количественное определение изменения параметров адсорбирующего материала.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является то, что способ предназначен для исследования сорбционной газоемкости порошкового материала (угля) и не предполагает исследование морфологии поверхности материала, а также закачивание в исследуемую систему измеренного объема газа.
Наиболее близким к заявляемому является способ оценки влияния адсорбирующихся газов на поверхность материалов [Пат. 2 712 766 РФ, МПК G01N 13/00, B82Y 35/00. Способ оценки влияния адсорбирующихся газов на поверхность материалов / Авилова М. М., Марьева Е. А., Попова О. В. – Заявл. 17.04.2019; Опубл. 31.01.2020]. Сущность способа состоит в оценке влияния адсорбирующихся газов на поверхность материалов, включающий получение изображения исследуемой поверхности методом атомно-силовой микроскопии, получение распределения величины средней взаимной информации методом ее расчета, классификацию исследуемой поверхности по величине энтропии и степени упорядоченности, оценку морфологии поверхности материала по изменению величины средней взаимной информации, отличающийся тем, что анализ поверхности материалов методом атомно-силовой микроскопии проводят в процессе подачи газа, оценивают влияние различных подаваемых концентраций газов и устанавливают величину критической концентрации адсорбирующегося газа-загрязнителя.
Существенными признаками прототипа являются получение изображения исследуемой поверхности методом атомно-силовой микроскопии, получение распределения величины средней взаимной информации методом ее расчета, классификацию исследуемой поверхности по величине энтропии и степени упорядоченности, оценку морфологии поверхности материала по изменению величины средней взаимной информации, отличающийся тем, что анализ поверхности материалов методом атомно-силовой микроскопии проводят в процессе подачи газа, оценивают влияние различных подаваемых концентраций газов и устанавливают величину критической концентрации адсорбирующегося газа-загрязнителя.
Существенными признаками, общими с заявляемым способом является получение изображения исследуемой поверхности методом атомно-силовой микроскопии.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является то, что способ предназначен для получения распределения величины средней взаимной информации методом ее расчета, классификации исследуемой поверхности по величине энтропии и степени упорядоченности, оценки морфологии поверхности материала по изменению величины СВИ, при этом анализ поверхности материалов методом атомно-силовой микроскопии проводят в процессе подачи газа, оценивают влияние различных подаваемых концентраций газов и устанавливают величину критической концентрации адсорбирующегося газа-загрязнителя.
Техническим результатом данного изобретения является быстрое определение свойства высокой газочувствительности тонких пленок нанокомпозитных оксидных материалов к газам.
Технический результат достигается тем, что для определения свойства высокой газочувствительности тонких пленок нанокомпозитных оксидных материалов к газам производят прямое измерение методом Кельвин зондовой силовой микроскопии (КЗСМ) величины поверхностного потенциала указанных тонких пленок нанокомпозитных оксидных материалов и определение материала с более высоким значением поверхностного потенциала, который будет иметь наибольший коэффициент газочувствительности к газам.
Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 представлен алгоритм определения пленок газочувствительного материала с высокой газочувствительностью к газам при измерении методом КЗСМ.
2
На фиг.2 показан график зависимости максимальных величин поверхностного потенциала (φ) ZnO-SnO пленок с мольным соотношением олова и цинка Sn:Zn 95:5, 99:1, 99.5:0.5, 100:0 мол.%, полученный при измерении методом КЗСМ.
2
2
2
На фиг. 3 показана зависимость нормированного отклика ZnO-SnO пленок  от содержания SnO  в пленке для трех концентраций NO: 5 ppm (1), 10 ppm (2), 50 ppm (3) при рабочей температуре 200 °C.
2
2
2
На фиг. 4 показана зависимость нормированного отклика ZnO-SnO пленок  от содержания SnO  в пленке для трех концентраций NO: 5 ppm (1), 10 ppm (2), 50 ppm (3) при рабочей температуре 250 °C.
Работа способа осуществляется следующим образом: пленка газочувствительного материала исследуется методами атомно-силовой микроскопии (АСМ) и Кельвин зондовой силовой микроскопии. Сперва выбирается участок поверхности пленки газочувствительного материала, затем производится сканирование участка её поверхности методом АСМ. После этого на основе полученных АСМ изображений проводится измерения поверхностного потенциала методом КЗСМ. Проанализировав полученные изображения, выбирается материал с максимальным поверхностным потенциалом.
Осуществление изобретения приведено на следующем примере.
Пример. Определение тонких пленок смешанных оксидов цинка и олова (IV) с высокой газочувствительностью к диоксиду азота.
2
Изучалась морфология поверхности и производилось измерение поверхностного потенциала ZnO-SnO пленок с мольным соотношением Sn:Zn равным 95:5, 99:1, 99.5:0.5 и 100:0 мол.%.  Для этого образцы пленок сначала исследовали методом атомно-силовой микроскопии, а затем для определения величины поверхностного потенциала применялась Кельвин-зондовая силовая микроскопия.
2
На фиг.2 показано, что ZnO-SnO пленка с мольным соотношением Sn:Zn равным 99.5:0.5 обладает самыми высокими значениями поверхностного потенциала.
2
2
2
0
g
Далее осуществлялись эксперименты по измерению газочувствительности ZnO-SnO пленок к диоксиду азота (NO) с концентрацией 5, 10 и 50 ppm в воздухе при рабочих температурах 200 и 250°C. Для этого поверх ZnO-SnO пленки наносились два металлических контакта и формировался газочувствительный сенсорный элемент, который помещался на нагревательный столик и осуществлялась поочередная подача воздуха без газа и воздуха с газом какой-либо концентрации. В момент времени, когда производилась подача воздуха без газа, измерялось сопротивление сенсорной структуры R.В момент времени, когда производилась подача воздуха с газом какой-либо концентрации, измерялось сопротивление сенсорной структуры R. Коэффициент газочувствительности определялся по формуле
g
0
S= R/R.
2
Результаты исследований, представленные на фиг.3 и фиг.4 показали, что ZnO-SnO пленки с мольным соотношением Sn:Zn равным 99.5:0.5 обладают самым высоким коэффициентом газочувствительности.
Отличительными от прототипа признаками являются: - оценка влияния концентрации материалов в составе на изменения морфологии и поверхностного потенциала; - возможность рассчитать среднюю величину поверхностного потенциала во время измерений на оптическом микроскопе.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет проводить прямые измерения поверхностного потенциала тонких пленок нанокомпозитных оксидных материалов методом Кельвин-зондовой силовой микроскопии и быстрое определение материала с наибольшим значением поверхностного потенциала, а значит с более высоким значением коэффициента газочувствительности.