ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ГАЗА НА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ МАССИВА НАНОСТЕРЖНЕЙ ОКСИДА ЦИНКА
Аннотация
Известно, что наноструктурированные материалы на основе оксидных полупроводников
имеют большой потенциал для практического применения. В частности, наноструктуры на
основе оксида цинка (ZnO) используются для изготовления чувствительных элементов газовых
датчиков, фото- и пьезопреобразователей и харвестеров энергии. Оксидные полупроводники
обладают значительной температурной зависимостью сопротивления. В связи с этим была
проведена экспериментальная и теоретическая оценка влияния скорости потока газа на со-
противление сенсорного элемента на основе массива ZnO наностержней. Было показано, что
чувствительный элемент на основе массива ZnO наностержней может быть использован для
измерения малых скоростей потока газа. Массивы ZnO наностержней были выращены на
стеклянной подложке с применением химических технологий и имели преимущественно верти-
кальную ориентацию с высотой 590–660 нм и средний поперечный размер около 30–40 нм. По-
верх наностержней наносилась контактная металлизация V-Cu-Ni толщиной 0,2–0,3 мкм.
В дальнейшем, были измерены зависимости электрического сопротивления сформированного
чувствительного элемента от температуры и от скорости потока воздуха. Было показано,
что при подаче потока воздуха со скоростью от 0 до 12,5 см3/с на нагретый до 200 0С чувст-
вительный элемент, его сопротивление линейно растет в пределах до 20%. Расчеты, проведен-
ные на основе температурной зависимости сопротивления показали, что такое увеличение
сопротивления чувствительного элемента соответствует снижению температуры ZnO на-
ностержней на 4 градуса. Проведенные теоретические оценки показали, что причиной увеличе-
ния сопротивления является снижение на несколько градусов температуры свободных концов
ZnO наностержней при их обдуве потоком воздуха.
Литература
apparatura [Measurements in industry: Ref., ed. in 3 book. Book 2. Measurement methods and
equipment]: trans. from german. 2nd ed., revised and supplemented. Moscow: Izd-vo
«Metallurgiya», 1990, 384 p.
2. Ash Zh. i dr. Datchiki izmeritel'nykh system [Sensors of measuring systems]: In 2 book. Book
2: transl. from аrench. Mщысщц: Mir, 1992б 480 з.
3. Bredshou P. Vvedenie v turbulentnost' i ee izmerenie [Introduction to turbulence and its measurement].
Moscow: Mir, 1974, 278 p.
4. Zori A.A., Kuznetsov D.N. Metody i programmno-apparatnye sredstva avtomatizirovannoy
sistemy graduirovki pervichnykh izmeritel'nykh preobrazovateley termoanemometrov [Methods
and software and hardware of an automated graduation system of primary measuring
transducers of hot-wire anemometers], Izvestiya TRTU [Izvestiya TSURE], 2002, No. 2,
pp. 148-150.
5. Kuznetsov D.N., Zori A.A., Kochin A.E. Izmeritel'nye mikroprotsessornye sistemy skorosti i
temperatury potokov gaza i zhidkosti [Semiconductor sensors for physical and chemical research].
Donetsk: GVUZ «DonNTU», 2012, 226 p.
6. Myasnikov I.A. Sukharev V.Ya., Kupriyanov L.Yu., Zav'yalov S.A. Poluprovodnikovye sensory
dlya fiziko-khimicheskikh issledovaniy [Semiconductor sensors for physical and chemical research].
Moscow: Nauka, 1991, 327 p.
7. Samsonov G.V., Borisova A.L., Zhidkova T.G. i dr. Fiziko-khimicheskie svoystva okislov.
Spravochnik [Physical and chemical properties of oxides. Directory]. Moscow: Metallurgiya,
1978, 472 p.
8. Pan Z.W., Dai Z.R., Wang Z.L. Nanobelts of semiconducting oxides, Science, 2001, Vol. 291,
pp. 1947-1949.
9. Kołodziejczak-Radzimska A. and Jesionowski T. Zinc Oxide - From synthesis to application:
A review. Materials, Vol. 7, pp. 2833-2881.
10. Wang Z.L. and Song J. Piezoelectric Nanogenerators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays,
Science, 2006, Vol. 312, pp. 242-246.
11. Kumar R., Al-Dossary O., Kumar G. and Umar A. Zinc Oxide Nanostructures for NO2 Gas–
Sensor Applications, A Review Nano-Micro Letter, 2015, Vol. 7, pp. 97-120.
12. Nikolaev A.L., Kamencev A.S., Lyanguzov N.V., Petrov V.V. and Kaidashev E.M. Design and
Study of a High Performance CO Sensor Based on ZnO Nanowires, Proc. Int. Conf. on Physics,
Mechanics of New Materials and Their Applications (Jabalpur: Nova Science Publishers,
Inc), 2017, pp. 441-446.
13. Abdullin Kh.A., Bakranov N.B., Ismailov D.V., Kalkozova J.K., Kumekov S.E., Podrezova L.V.
and Cicero G. Composite Materials Based on Nanostructured Zinc Oxide Semiconductors,
Semiconductors, 2014, Vol. 48, No. 4, pp. 471-475.
14. Gritsenko L.V., Abdullin Kh.A., Gabdullin M.T., Kalkozova Zh.K., Kumekov S.E., Mukash
Zh.O., Sazonov A.Yu. and Terukov E.I. Effect of thermal annealing on properties of polycrystalline
ZnO thin films, J. Cryst. Growth., 2017, Vol. 457, No. 1, pp. 164-170.
15. Petrov V.V., Starnikova A.P., Abdullin Kh.A. and Makarenko D.P. Features of the mechanism
of gas sensitivity of the zinc oxide nanorods arrays to carbon monoxide, J. Phys. Conf. Ser.,
2018, Vol. 1124, pp. 022017.
16. Petrov V.V., Kamentsev A.S., Chetverikov S.Е. Automated Stand for Gas Mixture Formed and
Gas Sensors Calibration, Abstracts & Schedule 2018 International Conference on “Physics
and Mechanics of New Materials and Their Applications” (PHENMA 2017 August 9 – 11th,
2018. Republic of Korea. Busan, pp. 183-184.
17. Shalimova K.V. Fizika poluprovodnikov [Physics of Semiconductors]. Moscow: Energiya,
1976, 416 p.
18. Takata M., Tsubone D. and Yanagida H.J. Am. Ceram. Soc., 1976, Vol. 59, No. 1–2, pp. 4-8.
19. Roy T.K., Sanyal D., Bhowmick D. and Chakrabarti A. Temperature dependent resistivity
study on zinc oxide and the role of defects, Mater. Sci. Semicond. Process., 2013, No. 16,
pp. 332-336.
20. Yanpol'skiy A.R. Giperbolicheskie funktsii [Hyperbolic functions]. Moscow: Fizmatgiz, 1960,
195 p.
