Регистрация / Вход
Прислать материал

Моделирование сенсорных процессов и пространственного и энергетического распределения зарядов в полупроводниковых наночастицах

Номер контракта: 14.604.21.0006

Руководитель: Трахтенберг Леонид Израйлевич

Должность: Заведующий лабораторией

Организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической физики им. Н.Н.Семенова Российской академии наук
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической физики им. Н.Н.Семенова Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:

Цель проекта:
Построение математической модели влияния состава, структурных и адсорбционных характеристик наноструктурированных металлоксидных материалов на их электропроводность и сенсорные свойства. Проверка соответствия разработанной модели с экспериментальными результатами по эффективности сенсоров.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Создание математической модели электронной структуры полупроводниковых наночастиц различного размера с электронными ловушками на поверхности для разных объёмных плотностей электронов, различной природы и плотности поверхностных электронных ловушек и различных температур.
2. Разработка компьютерной программы расчёта электронных свойств полупроводниковых наночастиц.
3. Создание математической модели проводимости и сенсорных процессов, протекающих в полупроводниковых кондуктометрических сенсорах, с учётом электронной проводимости, адсорбции газов, поверхностных химических реакций и электронных процессов для наноструктурированных оксидов с малой и высокой плотностью электронов.
4. Разработка проекта технического задания на проведение ОКР по теме: "Разработка высокоэффективных сенсорных материалов на основе результатов моделирования структурных характеристик и сенсорных свойств полупроводниковых оксидов".

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Созданы математические модели электронной структуры полупроводниковых наночастиц, а так же проводимости и сенсорных процессов, протекающих в полупроводниковых кондуктометрических сенсорах, с учётом электронной проводимости, адсорбции газов, поверхностных химических реакций и электронных процессов для наноструктурированных оксидов с малой и высокой плотностью электронов. Разработанные математические модели хорошо согласуются с экспериментальными данными. Эти результаты позволили разработать компьютерную программу, позволяющая проводить расчёт распределения плотности электронов проводимости, плотности положительно заряженных доноров и плотности поверхностных зарядов для различных температур и радиусов наночастицы, а также явились основой для составления технического задания на проведение ОКР по теме: "Разработка высокоэффективных сенсорных материалов на основе результатов моделирования структурных характеристик и сенсорных свойств полупроводниковых оксидов". Разработанная программа является универсальной, так как она позволяет получать адекватные результаты при произвольных параметрах наносистем: энергии донорных уровней, эффективной массе электронов, диэлектрической проницаемости материала, энергии поверхностных электронных ловушек, температуры и размера наночастицы.
Полученные результаты являются оригинальными и определяют мировой уровень науки в области создания высокоэффективных сенсорных материалов для детектирования различных газов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Сенсорные материалы, получаемые с помощью разрабатываемой в данном проекте математической модели (компьютерной программы), найдут широкое применение в приборах для мониторинга окружающей среды на предприятиях пищевой, угольной, космической и химической промышленности, МЧС, министерства здравоохранения, министерства обороны, а также предприятиях автомобильного и железнодорожного транспорта.
Применение разрабатываемой математической модели (компьютерной программы) позволит найти пути получения сенсорных материалов, обладающих оптимальными эксплуатационными характеристиками в конкретных условиях их применения.

Текущие результаты проекта:
1. Проведен анализ научно-технической литературы по теме проекта.
2. Проведены патентные исследования согласно ГОСТ Р 15.011 - 96 по вопросу электронной структуры и сенсорных свойств наноматериалов. Результаты этого исследования дают основание полагать, что наноструктурированные металлоксидные композитные материалы, состоящие из бинарных смесей металлоксидов различной природы, состав которых определяется разрабатываемой в данном проекте математической программой, будут обладать целым рядом преимуществ перед имеющимися в настоящее время материалами в части их быстродействия, эффективности при детектировании малых концентраций восстановительных газов и рабочей температуры и таким образом явятся патентоспособными
3. Произведен выбор возможных путей решения поставленных задач: а) для того, чтобы найти пространственное и энергетическое распределение зарядов и потенциала в полупроводниковых наночастицах следует минимизировать ее свободную энергию; б) зная плотности электронов у поверхности наночастиц, можно найти проводимость сенсора при различных составах газов около него, т.е. рассчитать сенсорную чувствительность; в) для проверки соответствия теоретических и экспериментальных результатов, должны быть получены образцы сенсоров и изучены их сенсорные свойства, а также исследованы их морфологические и структурные характеристики.
4.Разработана математическая модель зависимости чувствительности на водород от концентрации водорода, температуры и среднего размера наночастиц для наноструктурированных оксидов металлов с низкой плотностью электронов проводимости (на примере диоксида олова).
5. Изготовлены образцы сенсоров SnO2 , пригодные для измерений.
6. Исследованы структурные характеристики сенсоров – распределение частиц по размерам и чувствительность к водороду образцов сенсоров SnO2, зависимость чувствительности от температуры, давления водорода и среднего размера наночастиц. Показано, что исследованный образец в основном состоит из частиц диаметром около 100 нм и менее. Толщина пленок достигает 1 – 2 мкм. Повышение температуры и уменьшение среднего размера наночастиц SnO2 приводят к увеличению сенсорного отклика, причем максимальный сенсорный эффект достигается при температуре 400-450оС. Сенсорный отклик возрастает также при повышении концентрации водорода в системе, т.е. при увеличении его давления
7. Произведено сравнение теоретических и экспериментальных данных. Оно показало хорошее совпадение этих данных, т.е. пригодность разработанной теории сенсорной чувствительности SnO2.
8. Разработана программа и методики испытаний образцов сенсоров.
9. Разработана математическая модель распределения электронов проводимости внутри полупроводниковой металлоксидной наночастицы с учетом присутствия на ее поверхности ловушек электронов и адсорбированных атомов кислорода в соотвеитствии с п. 3.3 ТЗ. Развита теория распределения зарядов внутри квазисферической наночастицы полупроводника. Часть электронов захватывается ловушками на поверхности частицы, в результате чего, из-за избытка положительного заряда, внутри наночастицы возникает электрическое поле, приводящее к резко неоднородному распределению положительных и отрицательных зарядов. На основе уравнений, которые получаются при минимизации свободной энергии рассматриваемой системы, последовательно решена задача о пространственном и энергетическом распределении зарядов и потенциала в зависимости от радиуса наночастицы и температуры. Кроме того, найдена величина отрицательного заряда на поверхности наночастицы в зависимости от радиуса наночастиц и температуры. Найден также электростатический потенциал внутри частицы. Такое распределение электронов проводимости, заряд на поверхности и электростатический потенциал, спадающий к краям наночастицы, должны оказать заметное влияние на различные электрофизические и физико-химические свойства наноструктурированных плёнок. К ним относятся электропроводность, связанная с переносом электронов между наночастицами, сенсорные свойства, поглощение и рассеяние электромагнитных волн, диэлектрические характеристики и др.
10. Разработана математическая модель влияния температуры на проводимость в системах полупроводниковых металлоксидных наночастиц. Показано, что зависимость проводимости в системе полупроводниковых наночастиц от температуры определяется температурной зависимостью плотности электронов проводимости вблизи поверхности наночастиц. При отсутствии поверхностных ловушек электронов температурная зависимость проводимости системы наночастиц такая же, как у проводимости массивного полупроводника, которая хорошо разработана в литературе, а при заметной плотности поверхностных ловушек эта зависимость совпадает с немонотонной температурной зависимостью плотности электронов вблизи поверхности наночастицы.
11. Разработана «Программная документация на компьютерную программу расчета электронных свойств полупроводниковых наночастиц», позволяющая проводить расчёт распределения плотности электронов проводимости, плотности положительно заряженных доноров и плотности поверхностных зарядов для различных температур и радиусов наночастицы.
12. Изготовлены образцы сенсоров In2O3 в количестве 5 (пяти) штук. и исследованы их структурные характеристики. Показано, что средний размер кристаллов, входящих в состав чувствительных полупроводниковых пленок, практически не отличается от размера нанокристаллического порошка, используемого для получения сенсорных пленок, и составляет 50 – 80 нм. Кристаллы In2O3 относятся к пространственной группе I a3 и имеют кубическую структуру с параметром решетки а = 10,117 Å. Толщина пленок, определенная на сверхвысоковакуумном микроскопе, достигает 1 – 2 мкм.
13. Проведено маркетинговое исследование вероятности коммерциализации результатов интеллектуальной деятельности, полученных в данном проекте. Показано, что металлоксидные сенсоры, разрабатываемые в данном проекте, обладают целым рядом преимуществ и после проведения дополнительных ОКР и ОТР найдут применение в различных областях промышленности.
14. Разработана математическая модель кондуктометрического сенсора на основе наноструктурированной плёнки оксида индия с высокой плотностью электронов.
15. Исследованы сенсорные характеристики наноструктурированных сенсоров на основе оксида индия.
16. Установлено хорошее соответствие разработанной модели с экспериментальными данными.
17. Проведена технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов.
18. Разработан проект ТЗ на ОКР "Разработка высокоэффективных сенсорных материалов на основе результатов моделирования структурных характеристик и сенсорных свойств полупроводниковых оксидов".