Registration Number
0826U004379, PhD dissertation
Status
Доктор філософії
Date
01-09-2026
popup.evolution
o
Title
Synthesis of sensitive layers based on ZnO via the polymer precursors method and their properties
Author
Mykhail V. Tereshkov,
popup.head Tetiana A. Dontsova
popup.opponent Oleksandr L. Kukla
popup.opponent Volodymyr G. Khomenko
popup.review Oleksii V. Myroniuk
popup.review Oleksii V. Kosohin
popup.rada
National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
Description
Дисертаційна робота присвячена одержанню чутливих шарів на основі цинк (IІ) оксиду, а також композиту на основі цинк (IІ) оксиду та стануму (IV) оксиду, цинк (IІ) оксиду модифікованого платиною та цинк (IІ) оксиду допованого алюмінієм, дослідженню їх фізико-хімічних, електричних властивостей і чутливості до газів NO2, H2, CO, SO2 під дією ультрафіолетового випромінювання за кімнатної температури.
Для синтезу усіх порошків та чутливих шарів використовувався метод полімерних прекурсорів. Розглянуто процес термічного розкладу полімерних прекурсорів за допомогою термогравіметрії, а також вплив використання нітратної та хлоридної кислот в складі полімерних прекурсорів на процес термічного їх розкладання, встановлено фазовий склад та оптичні властивості синтезованих таким чином порошків і проаналізовано морфологію поверхні чутливих шарів. Проведено дослідження щодо їх електричних характеристик при постійній та змінній напрузі, фоточутливості та газової чутливості до NO2, H2, CO, SO2.
Було встановлено, що температура повного розкладання полімерних прекурсорів становить 520°C для зразків на основі цинк (IІ) оксиду, а також цинк (IІ) оксиду модифікованого платиною та цинк (IІ) оксиду допованого алюмінієм, та 650°C для композиту на основі цинк (IІ) оксиду та стануму (IV) оксиду. Обрана температура синтезу становила 400°C з подовженим часом нагрівання для збереження функціональності металічних електродів.
Ренгенофазовий і рентгеноструктурний аналіз показав формування кристалічної фази гексагонального вюрциту (цинкіту) у всіх зразках. Композит зі станум (IV) оксидом продемонстрував значно обмежений ріст кристалів з найменшими розмірами кристалітів (10,9 нм ZnO та 5,7 нм SnO2) в порівнянні з рештою зразків, для яких розмір кристалітів знаходився в діапазоні 35,3-45,3 нм.
Вимірювання спектрів відбиття в УФ- та видимому спектрі дозволило розрахувати оптичну ширину забороненою зони, яка для зразків на основі немодифікованого цинк (IІ) оксиду, а також зразку модифікованому платиною знаходились в діапазоні 3,26-3,28 еВ, а допування цинк (ІІ) оксиду алюмінієм призвело до зменшення ширини забороненої зони до 3,24 еВ. Композит на основі цинк (IІ) оксиду та станум (IV) оксиду продемонстрував значне розширення забороненої зони до 3,97 еВ, що пов’язано з більшою шириною забороненої зони станум (IV) оксиду та найменшим розміром його кристалітів.
За допомогою скануючої електронної мікроскопії визначено, що синтезовані методом полімерних прекурсорів чутливі шари мали товщину 800-900 нм. Порівняння зразків, синтезованих з використанням нітратної та хлоридної кислот показало, що використання нітратної кислоти призводить до значного розтріскування шарів цинк (IІ) оксиду, а використання хлоридної кислоти призводить до формування більш однорідних плівок та утворення частинок цинк (IІ) оксиду з розмірами до 100 нм на поверхні синтезованих чутливих шарів внаслідок часткового порушення механізму хелатування іонів цинку.
Хроноамперометрія при УФ-опроміненні з довжиною хвилі 270 нм показала, що композит цинк (IІ) оксиду та станум (IV) оксиду та цинк (IІ) оксид допований алюмінієм демонструють значно вищу фоточутливість порівняно з немодифікованим цинк (IІ) оксидом. Спектральна чутливість становила 42,699 мА/Вт та 50,053 мА/Вт для зразків з станумом (IV) оксидом та алюмінієм відповідно, проти 0,576 мА/Вт для немодифікованого цинк (IІ) оксиду. Вимірювання за допомогою електрохімічної імпедансної спектроскопії в темряві та за умов УФ-опромінення підтвердили запропоновані у роботі механізми фоточутливості.
Визначено, що всі модифіковані чутливі шари продемонстрували переважну селективність до NO2 порівняно з іншими газами (H2, CO та SO2), з коефіцієнтами селективності 1462,7 для зразка, модифікованого платиною та 1647,5 для зразка, допованого алюмінієм. Для всіх зразків, крім немодифікованого ZnO, спостерігалася аномальна реакція на CO, що полягала у падінні струму замість очікуваного зростання. Зразок, модифікований платиною виявився найбільш чутливим загалом до всіх чотирьох газів (зокрема, чутливість 2,94∙10-2 ppm-1 для NO2 та 2,01∙10-5 до H2) за рахунок механізмів електронної та хімічної сенсибілізації. Композит цинк (IІ) оксиду та станум (IV) оксиду показав підвищену чутливість до NO2 у порівнянні з немодифікованим ZnO, але мав високі рівні електронного шуму, що призвело до найгірших значень LOD серед модифікованих зразків. Зразок, допований алюмінієм, продемонстрував високі значення чутливості та селективності до всіх газів, близькі до зразка з платиною, досягнувши найнижчих меж виявлення: 1,6 ppm для NO2, 83,4 ppm для CO та 28,7 ppm для SO2, що з економічної точки зору робить його найкращим кандидатом для створення газових сенсорів на його основі.
Registration Date
2026-08-06
popup.nrat_date
2026-08-06 / 2026-09-22
