Оксид галлия (Ga2O3) устойчив к нагреву и химическим реакциям, поэтому считается одним из самых перспективных материалов для высокотемпературной электроники. В частности, он полезен в выхлопных системах — в качестве лямбда-зондов или датчиков контроля горения.
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)
Самый простой и дешевый способ нанесения тонких пленок — магнетронное распыление, но с его помощью сложно точно дозировать количество оксида олова в смеси.
Как сообщила порталу Наука Mail пресс-служба Минобрнауки РФ, чтобы решить эту проблему, ученые сделали «слоеный пирог»: сначала слой оксида галлия, потом тонкий слой оксида олова и сверху снова оксида галлия. После нагрева слои проникли друг в друга, и получился устойчивый материал с нужными электрическими свойствами.
Однако в ходе последующих испытаний нового материала мы увидели еще одну проблему. 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 еще больше увеличивается и проявляется нестабильность характеристик в процессе эксплуатации.
Чтобы защитить чувствительный слой от вредного влияния алюминия, ученые добавили под него барьер из диоксида кремния — он остановил ненужные атомы и сохранил стабильность датчика. Другой слой диоксида кремния сверху помог точнее распознавать нужные газы среди других, повысив селективность. В итоге получилась надежная многослойная структура, которая хорошо работает при высоких температурах и определяет метан, пропан, бутан и другие газы.
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.
Метод представлен в научной статье, опубликованной в Materials Science & Engineering B (Q1). Исследования проводились на базе Центра «Перспективные технологии в микроэлектронике» ТГУ.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что найдена новая причина образования смога в городах.