vestichИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия химических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Chemical Series1561-83312524-2342The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8331-2018-54-2-146-153vestich-315Research ArticleФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯPHYSICAL CHEMISTRYПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДАТЧИКИ ДИОКСИДА АЗОТА НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИИ In2O3–Ga2O3–WO3NITROGEN DIOXIDE SEMICONDUCTOR SENSORS BASED ON In2O3–Ga2O3–WO3 COMPOSITIONГайдукЮ. С.HaidukYu. S.

Гайдук Юлиан Станиславович – аспирант кафедры физической химии.

ул. Ленинградская, 14, 220030, Минск.

Yulian S. Haiduk – Postgraduate student.

14, Leningradskaya Str., 220030, Minsk.

j_hajduk@bk.ruСавицкийА. А.SavitskyA. A.

Cавицкий Александр Александрович – канд. хим. наук, доцент кафедры физической химии.

ул. Ленинградская, 14, 220030, Минск.

Alexander A. Savitsky – Ph. D. (Chemistry), Associate Professor.

14, Leningradskaya Str., 220030, Minsk.

aasavitsky@yandex.ruЛомоносовВ. А.LomonosovV. A.

Ломоносов Владимир Александрович – канд. хим. наук, зав. лаб. химии конденсированного состояния.

ул. Ленинградская, 14, 220030, Минск.

 

Vladimir A. Lomonosov – Ph. D. (Chemistry), Head of the Laboratory.

14, Leningradskaya Str., 220030, Minsk.

lva_minsk@tut.byБелорусский государственный университет.Belarusian State University.Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению.Belarusian State University.201821062018542146153Copyright © Гайдук Ю.С., Савицкий А.А., Ломоносов В.А., 20182018Гайдук Ю.С., Савицкий А.А., Ломоносов В.А.Haiduk Y.S., Savitsky A.A., Lomonosov V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestichem.belnauka.by/jour/article/view/315

Изучены газочувствительные свойства оксидной композиции In2O3–Ga2O3–WO3, приготовленной золь-гель методом, с содержанием оксидов вольфрама 5 и галлия 4 мас.%. Установлено, что добавление оксида вольфрама приводит к существенному возрастанию чувствительности композиции In2O3–Ga2O3 (4 мас. %) к диоксиду азота. Методами рентгенофазового анализа и спектроскопии комбинационного рассеяния изучены структурные особенности исследованной композиции. Установлено, что совместная термическая обработка золей In2O3, Ga2O3, WO3 приводит к формированию гетерогенного двухфазного материала, содержащего фазы твердого раствора (In, Ga)2O3 и моноклинного WO3. По данным РФА, рост размера зерен WO3 и In2O3 при термической обработке в смешанной композиции In2O3–WO3 замедляется по сравнению с индивидуальными оксидами. Предполагается, что существенное увеличение чувствительности к низким концентрациям диоксида азота композиции, содержащей добавку WO3, может быть связано с наличием многозарядных адсорбционных центров (W4+, W5+, W6+), а также с усложнением (по данным ЭПР) дефектной структуры двойной In2O3–WO3 и тройной In2O3–Ga2O3–WO3 композиции по сравнению с исходными оксидами. Изготовлены одноэлектродные полупроводниковые датчики диоксида азота с низким порогом детектирования (<< 1 ppm) и низким энергопотреблением. Сенсорный отклик газовых датчиков на основе композиции In2O3–Ga2O3 (4 мас. %) – WO3 (5 мас. %) к газовым смесям, содержащим 10 ppm NO2 в воздухе, имеет выраженный максимум при мощностях 80–90 мВт.

The properties of oxide gas sensitive compositions In2O3–Ga2O3–WO3 prepared by sol-gel method, with tungsten oxide 5 % wt., gallium oxide 4 % wt., have been investigated. Tungsten oxide addition was established to lead to significant increase in nitrogen dioxide sensitivity. The composition structural features were studied by X-ray diffraction analysis and Raman spectroscopy. It was found that thermal treatment of mixed sols In2O3, Ga2O3, WO3 leads to the formation of hete- rogeneous two-phase material containing (In, Ga)2O3 solid solution and monoclinic WO3 phases. According to X-ray diffraction data, the growth in size of WO3 and In2O3 grains during heat treatment in the mixed In2O3–WO3 composition decelerates as compared to individual oxides. It is assumed that significant increase in the sensitivity to low concentrations of nitrogen dioxide of the composition containing WO3 additive, as compared to the initial one, may be due to the presence of multiply charged adsorption centers (W4+, W5+, W6+), as well as due to the complication (according to EPR) of the defect structure of the double In2O3–WO3 and a triple In2O3–Ga2O3–WO3 composition as compared to the initial oxides. Single-electrode semiconductor nitrogen dioxide sensors with a low threshold of detection (<< 1 ppm) and low power consumption are fabrica- ted. The response of gas sensors based on the In2O3–Ga2O3 (4 % wt.)–WO3 (5 % wt.) composition to gas mixtures containing 10 ppm of NO2 in air has a pronounced maximum at powers of 80–90 mW.

газовый сенсорзоль-гель методвольфрама оксидиндия оксидоксиды азотаgas sensora sol-gel methodtungsten oxideindium oxidenitrogen oxidesReferencesKorotchenkov, G. Practical aspects in design of one-electrode semiconductorgas sensors: Status report / G. Korotchenkov // Sens. and Actuators B. Сhem. – 2007. – Vol. 121, N. 2. – P. 664–678. DOI: 10.1016/j.snb.2006.04.092Korotchenkov G. Practical aspects in design of one-electrode semiconductor gas sensors: Status report. Sensors and Actuators B: Chemical, 2007, vol. 121, no. 2, pp. 664–678. DOI: 10.1016/j.snb.2006.04.092Williams, D. E. Semiconducting oxides as gas-sensitive resistors / D. E. Williams // Sens. Actuators B. Chem. – 1999. – Vol. 57. – P. 1 –16. DOI: 10.1016/s0925-4005(99)00133-1Williams D. E. Semiconducting oxides as gas-sensitive resistors. Sensors and Actuators B: Chemical, 1999, vol. 57, no. 1-3, pp. 1–16. DOI: 10.1016/s0925-4005(99)00133-1Исаев, Л. Газоанализаторы для контроля атмосферного воздуха и промышленных выбросов / Л. Исаев, В. Челибанов // Электроника: наука, технология, бизнес. – 2008. – № 1. – С. 34 – 39.Isaev L., Chelibanov V. Gas Analyzers for Monitoring Ambient Air and Industrial Emission. Elektronika: nauka, tehnologiya, biznes = Electronics: Science, Technology, Business, 2008, no 1, pp. 34–39 (in Russian)Обвинцева, Л. А. Полупроводниковые металлооксидные сенсоры для определения химически активных газовых примесей в воздушной среде / Л. А. Обвинцева // Рос. хим. журн. – 2008. – Т. LII, № 2. – С. 118–121. DOI: 10.1134/ s1070363208120347Obvintseva L. A. Metal oxide semiconductor sensors to detect chemically active gaseous impurities in air. Russian Journal of General Chemistry, 2008, vol. 78, no 12, pp. 2545–2555. DOI: 10.1134/s1070363208120347Датчик диоксида азота: пат. 1054 Респ. Беларусь, МПК G01N 27/407 / И. А. Таратын, Ю. С. Гайдук, В. Г. Крайко, М. С. Кременевская; дата публ. 30.10.2014.Taratyn I. A., Haiduk Yu. S., Krayko V. G., Kremenevskaya M. S. Sensor of nitrogen dioxide. Patent BY no 1054 (in Russian).Гайдук, Ю. С. Физико-химические свойства газочувствительной оксидной композиции WO3–In2O3, полученной золь-гель методом / Ю. С. Гайдук, В. А. Ломоносов, А. А. Савицкий // Вестник БГУ. Сер. 2. – 2016. – № 3 – C. 36–44.Haiduk Yu.S., Lomonosov V.A., Savitskiy A.A. Physico-chemical properties of oxide composition WO3–In2O3 prepared by the sol-gel method. Vestnik BGU. Seriya 2, Khimiya. Biologiya. Geografiya = Vestnik BSU. Series 2: Chemistry. Biology. Geography, 2016, no 3, pp. 36–44 (in Russian).Кричмар, С. И. Простой способ получения калибровочных газовых смесей / С. И. Кричмар, В. М. Безпальченко, А. А. Мишекин // Зав. лаб. Диагностика материалов. – 2008. – Т. 74, № 1. – С. 21–22.Krichmar S. I., Bezpalchenko V. M., Mishekin A. A. A simple method of preparation of the calibration gas mixtures. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov = Industrial laboratory. Diagnostics of materials, 2008, vol. 74, no 1, pp. 21–22 (in Russian).Одноэлектродные газовые датчики на основе композиции WO3–In2O3 / Ю. С. Гайдук [и др.] // Приборостроение–2016: материалы 9-й Междунар. конф., Минск, 23–25 ноября 2016 г. / Белорус. нац. техн. ун-т; под ред. O. K. Гусева [и др.]. – Минск, 2016. – Т. 1. – С. 44–45.Haiduk Yu. S., Gulyaeva N. M., Savitskiy A. A., Sokolov A. V. Single-electrode gas sensors based on WO3–In2O3 composition. Priborostroenie–2016: materialy 9-i Mezhdunar. konf., Minsk, 23–25 noyabrya 2016 g. [Instrumentation 2016. Materials IX International Scientific and Technical Conference, Minsk, 23–25 november 2016]. Minsk, Belarusian National Technical University, 2016, pp. 44–45 (in Russian).Ross-Medgaarden, E. I. Structural Determination of Bulk and Surface Tungsten Oxides with UV-vis Diffuse Reflectance Spectroscopy and Raman Spectroscopy / E. I. Ross-Medgaarden, I. E. Wachs // J. Phys. Chem. C. – 2007. – Vol. 111, N. 41. – P. 15089–15099. DOI: 10.1021/jp074219cRoss-Medgaarden E. I., Wachs I. E. Structural Determination of Bulk and Surface Tungsten Oxides with UV-vis Diffuse Reflectance Spectroscopy and Raman Spectroscopy. Journal of Physical Chemistry C, 2007, vol. 111, no. 41, pp. 15089–15099. DOI: 10.1021/jp074219cStructure deformation of indium oxide from nanoparticles into nanostructured polycrystalline films by in situ thermal radiation treatment / S. K. Chong [at al.] // Nanoscale Res. Lett. – 2013. – Vol. 8, № 1. – P. 428. DOI:10.1186/1556276X-8-428Chong S. K., Azizan S. N., Chan K. W., Nguyen H. Q., Chiu W. S., Aspanut Z., Dee Ch. F., Rachman S. A. Structure deformation of indium oxide from nanoparticles into nanostructured polycrystalline films by in situ thermal radiation treatment. Nanoscale Research Letters, 2013, vol. 8, no. 1, pp. 428. DOI:10.1186/1556-276X-8-428Влияние добавки Fe2O3 на газочувствительные свойства оксидной композиции In2O3–Ga2O3 / Ю. С. Гайдук [и др.] // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. хім. навук. – 2014. – № 2. – С. 10–14.Haiduk Yu. S., Kremenevskaya M. S., Savitskiy A. A., Taratyin I. A. The effect of Fe2O3 doping on the gas sensitive properties of In2O3–Ga2O3 composition. Vescі Nacyanal’naj akademіі navuk Belarusі. Serya hіmіchnyh navuk = Procee- dings of the National Academy of Sciences of Belarus. Chemical Series, 2014, no 2, pp. 10–14 (in Russian).Химические сенсоры на основе смешанной композиции оксидов индия, галлия и цинка, чувствительные к диоксиду азота / Ю. С. Гайдук [и др.] // Вестник БГУ. Сер. 2. – 2015. – № 3. – С. 8–12.Haiduk Yu. S., Kremenevskaya M. S., Savitskiy A. A., Taratyin I. A. Sensitive toward nitrogen dioxide chemical sensors based on mixed composition of indium, gallium and zinc oxides. Vestnik BGU. Seriya 2, Khimiya. Biologiya. Geografiya = Vestnik BSU. Series 2: Chemistry. Biology. Geography, 2015, no 3, pp. 8–12 (in Russian).Influence of the annealing and operating temperatures on the gas-sensing properties of rf sputtered WO3 thin–film sensors/ M. Stankova [at al.] // Sens. Actuators B: Chem. – 2005. – Vol. 105, N. 2. – P. 271–277. DOI: 10.1016/j.snb.2004.06.009Stankova M., Vilanova X., Llobet E., Correig X. Influence of the annealing and operating temperatures on the gas- sensing properties of rf sputtered WO3 thin-film sensors. Sensors and Actuators B: Chemical, 2005, vol. 105, no. 2, pp. 271–277. DOI: 10.1016/j.snb.2004.06.009Highly sensitive NO2 sensor based on square–like tungsten oxide prepared with hydrothermal treatment / L. You [at al.] // Sens. Actuators B: Chem. – 2011. – Vol. 157, N. 2. – P. 401–407. DOI: 10.1016/j.snb.2011.04.071You L., Sun I. F., Ma J., Guan I., Sun J. M., Du I., Lu G. I. Highly sensitive NO2 sensor based on square-like tung- sten oxide prepared with hydrothermal treatment. Sensors and Actuators B: Chemical, 2011, vol. 157, no. 2, pp. 401–407. DOI: 10.1016/j.snb.2011.04.071Rodriguez, J. A. Chemical properties of bimetallic surfaces: the reaction of O2 and NO2 with Zn on Ru (001) / J. A. Rodriguez // J. Phys. Chem. – 1993. – Vol. 97, № 24. – P. 6509–6517. DOI: 10.1021/j100126a029Rodriguez J. A. Chemical properties of bimetallic surfaces: the reaction of oxygen and nitrogen dioxide with zinc on ruthenium (001). Journal of Physical Chemistry, 1993, vol. 97, no. 24, pp. 6509–6517. DOI: 10.1021/j100126a029

The authors declare that there are no conflicts of interest present.