В ТГУ разработан датчик-«сэндвич» для анализа выхлопных газов двигателей и печей

Метод представлен в научной статье, опубликованной в Materials Science & Engineering B (Q1). Исследования проводились на базе Центра «Перспективные технологии в микроэлектронике» ТГУ.

– Оксид галлия (Ga2O3) считается одним из самых перспективных материалов для высокотемпературной электроники. Он обладает высокой термической и химической стабильностью, что делает его отличным кандидатом для работы в выхлопных системах – в качестве лямбда-зондов или датчиков контроля горения, – объясняет один из авторов статьи, заведующий лабораторией металлооксидных полупроводников ТГУ Алексей Алмаев. – Однако у чистого оксида галлия есть серьезный недостаток: крайне высокое электрическое сопротивление при невысокой чувствительности. Регистрировать полезный сигнал с такого материала чрезвычайно сложно. Чтобы повысить проводимость и сделать материал чувствительным к газам, в его структуру нужно ввести добавку – например, оксид олова (SnO2).

Но при этом возникает технологический барьер. Самый доступный и экономичный метод производства тонких пленок в микроэлектронике – магнетронное распыление, оно позволяет легко наносить покрытия на большие площади. Но точно контролировать концентрацию оксида олова при прямом напылении сложной смеси крайне трудно.

Ученый РФФ ТГУ Дмитрий Алмаев (слева) и аспирант Никита Яковлев

Чтобы обойти это ограничение, исследователи сформировали последовательную структуру: сначала нанесли слой оксида галлия, затем тонкий слой оксида олова, а сверху – еще один слой оксида галлия. После этого всю заготовку подвергли высокотемпературному отжигу. В процессе нагрева атомы олова и галлия начали взаимно перемешиваться, образовав стабильный композит с нужным уровнем проводимости.

– Однако в ходе последующих испытаний нового материала мы увидели ещё одну проблему, – говорит Алексей Алмаев. – Напыление мы наносим на сапфировую подложку. Она высокотемпературная, стабильная при химическом воздействии, довольно демократичная по цене и производится в России. Но при отжиге из-за высокой температуры атомы алюминия диффундируют (проникают) в оксид галлия. В результате изменяется сопротивление, оно ещё больше увеличивается и проявляется нестабильность характеристик в процессе эксплуатации.

Для защиты чувствительного слоя от алюминия ученые добавили нижний барьерный слой из диоксида кремния (SiO2). Он заблокировал перемещение атомов из подложки и сохранил стабильные свойства датчика. Наряду с этим ученые смогли повысить селективность – способность прибора распознавать конкретный газ в сложной смеси. Для этого еще один слой диоксида кремния нанесли на поверхность структуры. В результате получилась законченная многослойная архитектура.

Разработанный датчик продемонстрировал высокий отклик и стабильность в условиях высокотемпературного нагрева. При этом он может регистрировать не только метан, но также пропан, бутан и ряд другие газов.

Новые датчики могут применяться в автомобилестроении – для оптимизации работы двигателей и контроль состава выхлопов, в энергетике – для мониторинга полноты сгорания топлива в котлах ТЭЦ и промышленных установках и в промышленности – для анализа газовых смесей в доменных печах и мусоросжигательных комплексах.

Источник: Новости ТГУ