Интерес к твердотельным датчикам газа обусловлен их многочисленными преимуществами, такими как малые габариты, высокая чувствительность при обнаружении очень низких концентраций широкого спектра газообразных химических соединений, возможность оперативной работы и, благодаря возможному серийному производству, низкая стоимость. 

Твердотельные датчики газов на основе оксидов металлов широко исследовались в течение последних 20 лет. Однако такие датчики обычно демонстрируют слабую избирательность по измеряемым видам газа, высокую чувствительность к влажности и нестабильность.

Указанный недостаток может быть устранен применением мультисенсорных систем. Эти устройства формируются на основе набора датчиков газа, генерирующих первичный сигнал и техник распознавания образов, обрабатывающих совокупный мультисенсорный сигнал.

Чувствительность и селективность датчиков могут быть улучшены, например, получением композиционных материалов или внедрением примесей благородных металлов – легированием. В последнее время алмазоподобные углеродные материалы (DLC) привлекают значительное внимание в качестве материала для датчиков газов, так как обладают уникальным сочетанием физических и химических характеристик.

По словам ученых, эти материалы представляют собой аморфные сети, состоящие в основном из связанных атомов углерода. Основным недостатком их применения в области электроники является низкая проводимость. Такие материалы имеют слабое сцепление с подложкой и функционируют в ограниченном диапазоне рабочих температур (200 °С). К тому же они химически реактивны, что ограничивает применение этих материалов в производстве сенсоров газов.

«Свойства алмазоподобных углеродных материалов могут быть улучшены при введении в их структуру атомов кремния и формировании кремний-углеродной пленки. Она обладает высокой твердостью и прочностью, химической и термической (не менее 300 °С) стабильностью, низким коэффициентом трения», – поделилась доцент кафедры техносферной безопасности и химии Института нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ, к. т. н. Татьяна Мясоедова.

Учеными Южного федерального университета были предприняты попытки увеличения проводимости пленок. Включив в структуру пленки оксид меди, специалисты разработали микросхемы датчиков газов, пригодные для газочувствительной кремний-углеродной пленки.

В ходе исследования стало ясно, что электроды суперконденсаторов на основе кремний-углеродных пленок, в том числе и модифицированные атомами металлов, являются перспективными и даже превосходят по характеристикам известные.

Полученные данные подтверждают высокую перспективность применения кремний-углеродных пленок для создания функциональных элементов электроники, а именно сенсоров газов и электрохимических конденсаторов.

Выполненные исследования в области индустрии функциональных материалов будут способствовать значительному развитию технологий микро- и наноэлектроники, созданию датчиков газов, в том числе портативных, применяемых для мониторинга газовых сред, а также энергоэффективных устройств накопления энергии на основе кремний-углеродных пленок.

Исследование проведено в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы», и его результаты опубликованы в журналах Chemosensors и Nanomaterials.