Определение модифицирующей добавки кремния в полупроводниковых газовых сенсорах на основе β-Ga₂O₃ методом рентгенофлуоресцентного анализа с полным внешним отражением

Создание химических сенсоров актуально для решения экологических задач контроля атмосферы городов и промышленных зон. Перспективным типом химических газовых сенсоров являются полупроводниковые сенсоры на основе оксидов металлов за счет их высокой чувствительности, низкой стоимости, миниатюрности и малого энергопотребления. Первые попытки опытной эксплуатации систем контроля атмосферного воздуха на основе подобных сенсоров показали недостаточную стабильность их отклика. Легирование данного материала кремнием может позволить решить проблему. При этом данные о количестве добавки и ее распределении в материале необходимы для установления связи «условия синтеза — состав — свойства». Мы предлагаем подход к установлению состава новых полупроводниковых материалов на основе β-Ga₂O₃ с содержанием добавки кремния от 0,5 до 2 % ат. Подход включает измельчение образцов с помощью планетарной мельницы и приготовление суспензий в этиленгликоле с последующим определением аналитов методом РФА ПВО на сапфировых подложках методом абсолютных содержаний (Si) c S_r 0,08 и методом внешнего стандарта (Ga) c S_r 0,04. Рентгенофлуоресцентный анализ образцов проводили с использованием спектрометра S2 PICOFOX (Bruker Nano GmbH, Германия). Для возбуждения рентгеновской флуоресценции использовали излучение MoKα. Время набора спектра — 250 с. Показано, что с помощью анализа суспензий можно оценить однородность распределения добавки в материале. Исследуемые материалы демонстрируют невоспроизводимый сенсорный отклик, что мы связали с установленной неоднородностью распределения кремния по поверхности β-Ga₂O₃.

1. Spirjakin D., Baranov A. M., Somov A., Sleptsov V. Investigation of heating profiles and optimization of power consumption of gas sensors for wireless sensor networks / Sens. Actuators A. 2016. Vol. 247. P. 247 – 253. DOI: 10.1016/j.sna.2016.05.049

2. Collier-Oxandale A., Casey J. G., Piedrahita R., et al. Assessing a low-cost methane sensor quantification system for use in complex rural and urban environments / Atmos. Meas. Tech. 2018. Vol. 11. P. 3569 – 3594. DOI: 10.5194/amt-11-3569-2018

3. Snyder E. G., Watkins T. H., Solomon P. A., et al. The changing paradigm of air pollution monitoring / Environ. Sci. Technol. 2013. Vol. 47. P. 11369 – 11377. DOI: 10.1021/es4022602

4. Krivetskiy V., Efitorov A., Arkhipenk, A., et al. Selective detection of individual gases and CO/H-2 mixture at low concentrations in air by single semiconductor metal oxide sensors working in dynamic temperature mode / Sens. Actuators B. 2018. Vol. 254. P. 502 – 513. DOI: 10.1016/j.snb.2017.07.100

5. Solorzano A., Rodriguez-Perez R., Padilla M., et al. Multi-unit calibration rejects inherent device variability of chemical sensor arrays / Sens. Actuators B. 2018. Vol. 265. P. 142 – 154. DOI: 10.1016/j.snb.2018.02.188

6. Pandeeswari R., Jeyaprakash B. High sensing response of β-Ga2O3 thin film towards ammonia vapours: Influencing factors at room temperature / Sens. Actuators B. 2014. Vol. 195. P. 206 – 214. DOI: 10.1016/j.snb.2014.01.025

7. Raphael R., Anila E. I. Investigation of photoluminescence emission from β-Ga2O3: Ce thin films deposited by spray pyrolysis technique / J. Alloys Compd. 2021. Vol. 872. 159590. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.159590

8. Yan X., He J., Evans D. G., et al. Preparation, characterization and photocatalytic activity of Si-doped and rare earth-doped TiO2 from mesoporous precursors / Appl. Catal. B. 2005. Vol. 55. N 4. P. 243 – 252. DOI: 10.1016/j.apcatb.2004.08.014

9. Niu F., Shao Z. -W., Gao H., et al. Si-doped graphene nanosheets for NOx gas sensing / Sens. Actuators B. 2020. 129005. DOI: 10.1016/j.snb.2020.129005

10. Jang J., Yim H., Choi J. Exploration of Si-doped SnO2 composition and properties of oxide/Ag/oxide multilayers prepared using continuous composition spread by sputtering / Thin Solid Films. 2018. Vol. 660. P. 606 – 612. DOI: 10.1016/j.tsf.2018.05.010

11. Yuan H. Structural, electrical and optical properties of Si doped ZnO films grown by atomic layer deposition / J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2012. Vol. 23. N 11. P. 2075 – 2081. DOI: 10.1007/s10854-012-0713-x

12. Brundle C. R., Evans Ch. A., Jr., and Wilson S., Eds. Encyclopedia of Materials Characterization: Surfaces, Interfaces Thin Films. — Greenwich: Manning Publications Co., 1992. — 800 p.

13. Bohlen A. von, Fernández-Ruiz R. Experimental evidence of matrix effects in total-reflection X-ray fluorescence analysis: Coke case / Talanta. 2020. Vol. 209. 120562. DOI: 10.1016/j.talanta.2019.120562

14. De La Calle I., Cabaleiro N., Romero V., et al. Sample pretreatment strategies for total reflection X-ray fluorescence analysis: A tutorial review / Spectrochim. Acta Part B. 2013. Vol. 90. P. 23 – 54. DOI: 10.1016/j.sab.2013.10.001

15. Bonizzoni L., Galli A., Gondola M., Martini M. Comparison between XRF, TXRF, and PXRF analyses for provenance classification of archaeological bricks / X-Ray Spectrom. 2013. Vol. 42. N 4. P. 262 – 267. DOI: 10.1002/xrs.2465

16. Theisen M., Niessner R. Sapphire sample carriers for silicon determination by total-reflection X-ray fluorescence analysis / Spectrochim. Acta Part B. 1999. Vol. 54. N 13. P. 1839 – 1848. DOI: 10.1016/S0584-8547(99)00125-1

17. Klockenkämper R., von Bohlen A. Total-Reflection X-Ray Fluorescence Analysis and Related Methods. 2nd Edition. — Wiley, 2015. — 552 p. DOI: 10.1002/9781118985953

18. Pashkova G. V., Revenko A. G. Determination of elements in water using a total reflection X-ray fluorescence spectrometer / Analit. Kontrol. 2013. Vol. 17. N 2. P. 122 – 140 [in Russian]. DOI: 10.15826/analitika.2013.17.2.001

19. Stepanov S. I., Nikolaev V. I., Bougrov V. E., Romanov A. E. Gallium oxide: properties and applications — A review / Rev. Adv. Mater. Sci. 2016. Vol. 44. N 1. P. 63 – 86.