Возрастающий уровень требований к эффективности контроля окружающей среды, сертификации продуктов питания и потребительских товаров, необходимость в быстром обнаружении взрывчатых веществ и наркотических препаратов ставит перед аналитиками задачу разработки методов оценки обобщенных качественных и количественных показателей анализируемых объектов, обычно представляющих собой сложные системы из большого числа компонентов [1]. Здесь весьма перспективным является метод оперативной диагностики и контроля, базирующийся на системе полупроводниковых сенсоров-датчиков [2]. Создание последних предусматривает получение новых материалов, изучение их кислотно-основной, адсорбционно-зарядовой чувствительности к детектируемым частицам, кинетических особенностей формирования соответствующих сенсорных откликов.
По сравнению с достаточно хорошо изученными оксидами, особого внимания заслуживают соединения АIIIВV, АIIВVI и более сложные системы на их основе, представители которых уже зарекомендовали себя в качестве чувствительных элементов газовых сенсоров [2]. В работе анализируются результаты получения и исследования в указанном плане новых полупроводниковых систем - твердых растворов GaAs-CdSe, GaSb-CdTe, InSb-CdSe, InSb-CdS, InР-CdS при сравнении с бинарными соединениями и расширении арсенала тестовых адсорбатов. В качестве таковых были взяты кислород, оксид и диоксид углерода, диоксид азота, аммиак, ацетон и др., молекулы которых отличаются значениями донорных и акцепторных чисел, дипольного момента и общей поляризуемостью.
Порошки твердых растворов получали методом изотермической диффузии в областях взаимной растворимости бинарных компонентов [3], пленки - дискретным напылением в вакууме (Тконд = 298 К, Р = 1,33·10-3 Па) на электродные площадки пьезокварцевых резонаторов с последующим отжигом в парах сырьевого материала [4]. Кислотно-основные свойства поверхности изучали методами гидролитической адсорбции, механохимии, неводного кондуктометрического титрования, ИК-спектроскопии (спектрофотометр Specord IR-75), лазерной масс-спектрометрии (лазерный энергомасс-спектрометр ЭМАЛ-2) [5]. Адсорбционные измерения осуществляли методом пьезокварцевого микровзвешивания (чувствительность 1,23∙10-11 г/(см2 Гц) ) в интервалах температур 253-393 К и давлений 1-11 Па [2].
Определены сила, природа, концентрация кислотных центров, изменение последней при экспонировании в газах и изменении состава систем. Сделано предварительное заключение о поведении их поверхностей по отношению к выбранным адсорбатам.
Величины адсорбции изученных газов составляют 10-3-10-5 моль/м2. На основе кривых температурной зависимости адсорбции aр = f (Т), термодинамических и кинетических характеристик установлены области обратимой химической адсорбции, т.е. области воспроизводимой работы адсорбентов как первичных преобразователей сенсоров-датчиков. С помощью построенных диаграмм состояния «величина адсорбции - состав», «кислотно-основная характеристика - состав» (рис. 1, 2) удалось выявить адсорбенты, наиболее избирательно чувствительные по отношению к определенному газу.
Рис. 1. Зависимости величин адсорбции СО (1), концентрации кислотных центров (2), значений рН-изоэлектрического состояния (3) поверхности от состава системы
Рис. 2. Зависимости значений рН-изоэлектрического состояния поверхности (1), величин адсорбции СО при Рн = 19,93Па, Т = 323К (2) от состава системы
Так, по отношению к аммиаку и ацетону ими оказались твердые растворы (GaSb)x(CdTe)1-x , по отношению к оксиду и диоксиду углерода - GaAs и InP соответственно, к диоксиду азота - InSb, к кислороду - CdS. Проведена также работа по обеспечению одновременного контроля формы импульса адсорбата и сигнала сенсора-датчика.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- Каттрал Р.В. Химические сенсоры. М.: Научный мир, 2000. -144 с.
- Кировская И.А. Поверхностные явления. Омск: ОмГТУ, 2001.-175 с.
- Кировская И.А. Поверхностные свойства алмазоподорбных полупроводников. Твердые растворы. Томск: ТГУ, 1984. -160 с.
- Кировская И.А., Азарова О.П., Шубенкова Е.Г., Дубина О.Н. Синтез и оптическое поглощение твердых растворов систем InSb-AIIBVI // Неорган. материалы, 2002. Т. 38, № 2. С. 135-138.
- Кировская И.А. Поверхностные свойства алмазоподобных полупроводников. Химический состав поверхности. Катализ. Иркутск: Изд-во ИГУ, 1995. - 300 с.
Работа представлена на VIII научную международную конференцию «Современные наукоемкие технологии», Хургада (Египет), 22-29 февраля 2008 г. Поступила в редакцию 18.12.2008.