Search academic texts

Registration Number

0825U003290, PhD dissertation

Status

Доктор філософії, 105, Прикладна фізика та наноматеріали

Date

popup.evolution

o

Title

Physical Properties of the Improved SPR Sensor with a Protective Zinc Oxide Layer

Author

Natalia V. Kachur,

popup.head Volodymyr Maslov
popup.opponent Sergiy Voronov
popup.opponent Antonina Naumenko
popup.review Anatoliy Evtukh
popup.review Viktor Dan'ko

Description

Качур Н. В. Фізичні властивості удосконаленого ППР-сенсора з захисним шаром оксиду цинку. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 105 «Прикладна фізика та наноматеріали». – Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2025. Дисертація присвячена удосконаленню оптичного сенсора з метою підвищення чутливості та продовження строку експлуатації оптичного сенсора на основі явища поверхневого плазмонного резонансу (ППР) за рахунок нанесення додаткового шару оксиду цинку та вивченню характеристик такого сенсора. Метою дисертаційної роботи є збільшення чутливості та строку експлуатації сенсора на основі фізичного явища поверхневого плазмонного резонансу. ППР-сенсори широко використовують у медицині, ветеринарії, промисловості та екологічному моніторингу. Найчастіше в якості чутливих шарів ППР-сенсорів використовують золото через його хімічну стійкість та наявність великої кількості вільних носіїв заряду. При тривалому використанні ППР-сенсора чутливе покриття золота деградує і його чутливість зменшується. Тому основними проблемами ППР-сенсорів є збільшення чутливості та тривалості їхньою використання. Одним з основних шляхів вдосконалення ППР-сенсорів є збільшення їхньою чутливості за рахунок нанесення додаткового захисного шару, який дозволяє проводити високотемпературний відпал, зменшити шорсткість та підвищує стійкість золота до деградації. Оксид цинку має температуру плавлення 1975 °С, що більше майже в два рази, ніж для золота — 1064 °С. Коефіцієнт сухого тертя оксиду цинку становить 0,2-0,8. Коефіцієнт сухого тертя золота становить від 0,6 до 2,5, що суттєво більше, ніж для оксиду цинку. Наноплівки оксиду цинку можна наносити за простою золь-гель технологією. Таким чином, оксид цинку є більш міцним матеріалом, ніж золото, і може бути нанесений як захисний наношар за золь-гель технлогією. Розроблено золь-гель технологію, яка дозволяє створювати наноплівкові захисні шари з оксиду цинку. На основі розробленої технології були виготовлені дослідні зразки ППР-сенсорів, які показали покращений відгук на 20%. Експериментально підтверджено, що наношар оксиду цинку, нанесений за золь-гель технологією, захищає чутливий шар золота від відпалу 500 °С та забезпечує стійкість в умовах тертя, в тому числі на підприємствах, де необхідно контролювати однорідність шлікера при виготовленні керамічних виробів. Дослідження показало, що під час одночасного формування оксиду цинку за допомогою золь-гель технології та відпалу при 500 °С протягом 30 хвилин, оксид цинку утворює аморфну плівку товщиною 5 нм. Цей шар ефективно захищає золото від термічного відпалу та знижує рівень мікродеформацій з 1,51% (у початковому стані після вакуумного осадження) до рекордно низького значення 0,005%. Крім того, шорсткість поверхні цієї плівки становить 5 Å, що теж позитивно впливає на показники ППР - вимірювань. Експериментально було показано перспективність використання вдосконаленого ППР-сенсора для контролю суспензій, яка містить непрозорі частки розміром від мікрометрів до нанометрів в промислових умовах. Розроблений ППР-сенсор був використаний для довготривалого дослідження природної води. Було встановлено, що поєднання методу поверхневого плазмонного резонансу та вимірювання провідності дозволяє швидко та об'єктивно характеризувати забруднення природної води. Наукова новизна: 1. Вперше розроблений фізико-технологічний підхід до удосконалення за чутливістю та стійкістю до зносу чутливого золотого покриття ППР-сенсора. 2. Вперше експериментально визначено захисні властивості аморфного золь-гель наношару оксиду цинку на стійкість наношару золота до відпалу. Нанесений наношар оксиду цинку захистив чутливий шар золота при відпалі 400 °С протягом 20 годин. Це дало зменшення внутрішніх напружень до рекордного значення 0,005%, а шорсткості до 5 А. Чутливість розробленого сенсора підвищилась на 20%. 3. Зносостійкість вдосконаленого ППР-сенсора з захисним шаром в умовах сухого тертя бавовняною тканиною при питомому тиску 30 г/см2 підвищилась в 20 разів за рахунок, підвищення механічної міцності, зменшення коефіцієнту тертя та зменшення шорсткості поверхневого шару оксиду цинку в порівнянні з шаром золота. Практичне значення: 1. Розроблено золь-гель технологію нанесення наношарів товщиною 5 нм аморфного оксиду цинку яка ефективно захищає поверхню золотого чутливого шару від структурних змін при відпалі та забезпечує в ньому рекордно низький рівень внутрішніх напружень. 2. Розроблено технологію на прикладі золотого наношару, яка дозволяє мінімізувати поверхневу шорсткість оптичних поверхонь сенсора. 3. Розроблено удосконалений чутливий елемент з підвищеною чутливістю та зносостійкістю, який показав можливість контролю технологічних суспензій та довготривалих досліджень якості природної річкової води.

Registration Date

2025-08-05

popup.nrat_date

2025-08-05