Российские физики разработали новый способ обнаружения взрывоопасных газов
В НИЯУ "МИФИ" разработали модель устройства, способного обнаруживать водород без помощи термохимических сенсоров. Статья об исследовании, получившем финансовую поддержку Министерства образования и науки Российской Федерации, опубликована в журнале "Technical Physics Letters".
Водород в смеси с воздухом превращается в гремучий газ - взрывоопасную смесь. Поэтому учеными разрабатываются различные сенсоры водорода, которые могут работать в сложных условиях эксплуатации (например, высокая температура или концентрация газа).
В традиционных устройствах для обнаружения водорода в воздушных газовых смесях используются термохимические сенсоры. Они "работают" за счет того, что на поверхности платины в смеси воздуха и водорода возможно протекание реакции возгорания водорода, разогревающее эту поверхность. Сенсор регистрирует данный нагрев, "засекая" наличие водорода и его количество в воздухе. Но большой размер подобных термоэлементов создает проблемы, когда сенсоры встраивают в многофункциональные датчики, изготавливаемые на одном чипе. Поэтому для науки серьезный интерес представляет использование "внутренних" резервов тонкопленочных структур, создаваемых на монокристаллических подложках карбида кремния. То есть, каким образом можно обойтись без внешних источников питания, используя в качестве отклика только изменения свойств материала, которые можно было бы измерить.
Ученые НИЯУ МИФИ решили изучить, каким образом меняются свойства структуры MOSiC (металл-оксид-карбид кремния) в зависимости от содержания водорода в окружающем воздухе. Исследователи нанесли на пластину карбида кремния (размер 15×15 миллиметров, толщина 400 микрометров) две пленки: "рабочую", чувствительную к водороду пленку оксида вольфрама (200 нанометров толщиной) и платиновую (10 нанометров), которая должна ускорять химическую реакцию. На тыловой стороне этой пластины создавался контакт для снятия тока.
Исследуемый образец установили на специальном нагревателе, обеспечивающем стабильность температуры. Нагрев образца имитировал условия эксплуатации сенсора в реальных системах. А стабилизация температуры обеспечивала строгое разделение эффектов в сенсоре, обусловленных ее изменением и воздействием водорода. Между нагревателем и образцом располагалась сапфировая пластина с нанесенным слоем золота для изоляции тылового контакта от внешних электромагнитных воздействий. Нагреватель с исследуемым образцом разместили в объемной камере из нержавеющей стали, где можно было создать воздушно-водородную смесь с контролируемой концентрацией водорода.
Для регистрации водорода измеряли электрический сигнал, возникающий между двумя сторонами образца: газочувствительной (из оксида вольфрама), и тыловой. Подача водорода в воздушную среду до концентрации 2% вызывала 15-кратный рост сигнала - что заметно выше отклика такой же системы, регистрируемого традиционным способом. Последний заключается в измерении протекающего через структуру тока при изменении прикладываемого внешнего напряжения. В новом способе измеряется ток, текущий через пластину от "лицевой" стороны к "тыловой" без приложения внешнего напряжения. При этом созданная структура MOSiC функционировала и без нанесения каталитического слоя из дорогостоящей платины, а интенсивности сигнала отклика на водород оказалось достаточно для того, чтобы применять ее на практике без дополнительных источников питания.
"Скорость и величина отклика на водород указывают на реальную возможность использования выявленного эффекта в высокотемпературных сенсорах водорода на карбиде кремния. Структурные, химические и электрофизические свойства полученных пленок претерпевают заметные изменения при контакте с молекулами водорода, особенно при повышенных (до 500 °С) температурах. Многофакторные изменения в металлооксидной пленке под воздействием водорода проявляются в генерации электрического импульса, регистрируемого между газочувствительной и тыловой поверхностями полупроводниковой пластины карбида кремния," - рассказывает один из авторов, главный научный сотрудник Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ, профессор Вячеслав Фоминский.
Регистрация водорода и других взрывоопасных газов в осложненных условиях высоких температур и концентраций - актуальная как для науки, так и для многих отраслей промышленности проблема. По мнению исследователей, новая разработка позволит изготавливать эффективные детекторы не только водорода, но и других взрывоопасных газов.
