Рук-ль: Иким М.И., аспирант ИХФ им. Н.Н. Семёнова РАН
Разработка и исследование свойств сенсорных материалов, применяемых в качестве чувствительных элементов в современных датчиках микроконцентраций различных веществ, загрязняющих окружающую среду, является одним из основных направлений развития современных нанотехнологий. В результате совместных многолетних исследований, выполненных в ОАО «НИФХИ им. Л.Я. Карпова» и в ИХФ им. Н.Н. Семёнова РАН были созданы сенсоры на основе металлоксидных наноматериалов, обладающие рекордными характеристиками (чувствительность, время отклика и проч.). Разработчики сенсоров решили следующие проблемы: повышение максимальной чувствительности сенсора Smax (отношение сопротивления сенсора в чистом воздухе к сопротивлению в воздухе с определённой концентрацией анализируемого вещества) в стационарных условиях, снижение времени отклика и увеличение селективности сенсора (отношение отклика на выбранный газ к отклику на другие газы в анализируемой смеси).
Установление природы сенсорного эффекта, проявляемого оксидными плёнками на основе церия, олова и индия, вызывает необходимость изучения нано-/микроструктуры рассматриваемых сенсорных материалов в зависимости от содержания оксидов металлов в смеси. Оптимизация соотношения «структура поверхности — свойство» является перспективным подходом для повышения чувствительности сенсоров, улучшения технологии изготовления рассматриваемых материалов.
Однако механизм действия этих сенсоров до сих пор требует изучения. Изучение взаимосвязи между нано-/ микроструктурой и характеристиками сенсоров является одним из перспективных подходов для дальнейшего улучшения свойств рассматриваемого класса функциональных наноматериалов. Исследование сенсорных плёнок из металлоксидных наночастиц размером менее 2LD позволит выяснить зависимость кондуктометрического сенсорного отклика наноструктурированной плёнки от состава и структуры чувствительного слоя и характера взаимодействия наночастиц между собой, что очень важно для решения существующих проблем полупроводниковых металлоксидных сенсоров, связанных с их применением для детектирования газов в окружающей среде. Другой важной задачей исследований в области нанотехнологий следует считать разработку новых методов анализа данных, которые могут быть получены при изучении нано-/микроструктуры поверхности сенсоров методами растровой и атомно-силовой микроскопии (РЭМ и АСМ, соответственно). Полученная информация может быть далее обработана в рамках подходов, разрабатываемых в настоящее время в ОАО «НИФХИ им. Л.Я. Карпова», в рамках стохастической параметризации нано-/микро-шероховатых поверхностей различной природы, в т.ч., для сенсоров. Таким образом, изучение нано-/микроструктуры поверхности сенсорных материалов, используемых в современных датчиках микроконцентраций загрязняющих веществ в окружающей среде, является актуальным как с точки зрения дальнейшей оптимизации характеристик сенсоров, так и с точки зрения применения методов компьютерного анализа РЭМ- и АСМ-изображений и проведения стохастической параметризации нано-/микро-шероховатых поверхностей сенсоров, что может позволить установить природу сенсорного эффекта.
Цель настоящей работы заключается в проведении компьютерного анализа АСМ-изображений поверхности нано-/микро-структурированных смешанных металлоксидных сенсорных материалов в зависимости от концентрации компонентов и в проведении параметризации изученных шероховатых поверхностей методом фликкер-шумовой спектроскопии.
Для успешного достижения цели необходимо решить следующие задачи:
а) изучить основы метода атомно-силовой микроскопии (АСМ);
б) изучить современные достижения в области разработки сенсоров на основе смешанных металлоксидных наноматериалов;
в) изучить современные методы компьютерного анализа АСМ-изображений;
г) выполнить компьютерный анализ АСМ-изображений поверхности металлоксидных сенсоров с применением пакета прикладных программ Gwyddion 2.37;
д) установить наличие взаимосвязи между нано-/микроструктурными изменениями шероховатости поверхности и концентрацией компонентов смеси.