Сотрудники кафедры неорганической химии химического факультета МГУ с коллегами с факультета наук о материалах МГУ и Института кристаллографии РАН усовершенствовали конструкцию микронагревателей, которые используются в миниатюрных сенсорах для детектирования горючих газов в воздухе. Цель ученых – разработать сенсор, который легко бы интегрировался в смартфон и работал сопоставимое с ним время. Исследование поддержано грантом Минобрнауки России. Результаты работы опубликованы в издании Nanomaterials.

«Люди давно научились использовать природный газ для своих нужд, но работа с ним сопряжена с опасностью. Каждый месяц мы слышим, что где-то взорвался бытовой газ, что привело к гибели людей и разрушению зданий, – рассказывает соавтор статьи, в.н.с. химического факультета МГУ Кирилл Напольский. – Для своевременного обнаружения утечек газа используются сенсоры».

Неотъемлемая часть таких сенсоров – нагревательный элемент, который чаще всего изготавливают в виде катушки из металлической проволоки с диаметром несколько десятков микрон. У них есть ряд недостатков, поэтому по всему миру разрабатываются планарные микронагреватели, которые более компактны, потребляют меньшее количество электроэнергии, быстрее разогреваются, а их производство может быть сравнительно легко автоматизировано. Планарные микронагреватели уже нашли применение в термокаталитических и полупроводниковых газовых сенсорах, термометрах сопротивления и чипах для микрофлюидики.

Чаще всего материалом для изготовления проводящей части нагревателя выступает платина – химически инертный металл с высокой температурой плавления, в широком интервале температур сохраняющий постоянное значение температурного коэффициента сопротивления.

Проблема в том, что прямое нанесение слоя платины на оксидную подложку заканчивается её отслоением при повышении температуры. Поэтому необходимо использовать адгезионные слои между электропроводящим и непроводящим материалами. В качестве такого промежуточного звена может выступать слой из металла с высоким сродством к кислороду, который создаёт и прочные химические связи с оксидной подложкой, и связи металл-металл с платиной. Однако круг элементов, которые пригодны для такой цели, весьма ограничен. Материал адгезионного слоя не должен вступать в химическую реакцию с платиной при высокой температуре. Например, традиционно используемые материалы адгезионных слоёв, такие как титан или хром, при продолжительном отжиге диффундируют в слой платины.

Одним из перспективных кандидатов на роль адгезионного слоя стал тантал. Химики МГУ решили создать двухслойную систему тантал-платина и охарактеризовать ее структурные и электрические свойства. В качестве подложки для микронагревателей был выбран пористый анодный оксид алюминия.

С помощью фотолитографии и магнетронного напыления ученые нанесли на подложку сначала слой тантала толщиной 10 нм, а затем – 90 нм платины.

«Вместо проволоки большого диаметра в планарных нагревательных элементах мы используем тонкие слои, которые должны быть сконфигурированы так, чтобы обеспечить равномерный нагрев активной зоны. Поэтому мы выбрали форму меандра, – поясняет Кирилл Напольский. – Широкие части имеют малое сопротивление, поэтому они не греются при протекании тока, а вот более узкая часть, наоборот, разогревается».

Толщина плёнки нагревателя составляет около 100 нм, а настолько тонкие слои металла разительно отличаются по свойствам от массивного материала из того же вещества.

Для работы сенсора необходимо, чтобы в сенсоре поддерживалась температура около 500 °С. Но при такой температуре обычно в тонких пленках уже начинается рекристаллизация – увеличение размеров кристаллов, создававших поликристаллический, но непрерывный слой. Учёные выяснили, что при использовании двухслойной системы тантал-платина даже при температуре 800 °С платина не превращается в несвязанные кристаллиты, как это бывает при использовании этого металла в чистом виде, а представляет собой единую, хоть и сетчатую, структуру, способную проводить ток.

Также выяснилось, что тантал в системе присутствует между пористым материалом и платиной в основном в виде оксида Ta₂O₅, но в то же время присутствуют включения неокисленного тантала в платиновом слое.

«По-видимому, при перекристаллизации платины небольшая часть тантала увлекается внутрь платинового слоя, где сохраняется в исходном металлическом виде», – говорит Кирилл Напольский.

Химикам удалось установить условия формирования, при которых микронагреватели оказываются стабильны при 500 °С, увеличивая сопротивление всего лишь на 3 % в месяц при постоянной работе.

«Необходимо, чтобы такие устройства работали не меньше хотя бы года, потому что менять их каждую неделю или месяц никто не будет. Сопротивление нашего микронагревателя увеличится на треть за год, то есть не очень критично».

В настоящее время исследовательская группа готовится представить на основе предложенной нагревательной системы полноценный сенсор.

Источник: МГУ им. М. В. Ломоносова.