Наноматериалы на основе полупроводниковых оксидов металлов для газовых сенсоров контроля качества воздуха: принципы работы, характеристики и методы синтеза

Для мониторинга качества воздуха необходимы сенсоры, способные измерять концентрацию газообразных загрязнителей вплоть до уровней ppb и ppt и при этом обладающие высокой чувствительностью и селективностью, а также коротким временем отклика и восстановления. Среди различных типов сенсоров большой потенциал имеют сенсоры на основе полупроводниковых оксидов металлов (MOS): их можно изготавливать простыми и недорогими методами и настраивать для измерения концентрации широкого спектра целевых газов. Работа MOS-сенсоров основана на адсорбции молекул целевого газа на поверхности чувствительного материала и последующем захвате электронов из зоны проводимости, что влияет на его электропроводность. Несмотря на простоту конструкции и изготовления, такие сенсоры ограничены высоким пределом обнаружения (обычно на уровне ppm), а также низкими чувствительностью и селективностью. Теоретически снизить предел обнаружения и повысить чувствительность можно за счёт наноструктурирования MOS, увеличивающего пористость и отношение площади поверхности к объёму; селективность можно настраивать изменением химического состава. В этой статье представлен критический обзор доступных методов наноструктурирования MOS-материалов для хеморезистивных сенсоров и обсуждается, как с их помощью можно придавать сенсорам требуемые свойства. Сначала описаны принципы работы хеморезистивных сенсоров и ключевые свойства материалов, определяющие их характеристики. Основная часть статьи посвящена доступным методам синтеза наноструктурированных MOS для газовых сенсоров. В заключение рассмотрены актуальные потребности и перспективы повышения характеристик сенсоров с учётом требований к мониторингу качества воздуха.