Сотрудники химического факультета и факультета наук о материалах МГУ предложили использовать двухстадийную программу отжига для повышения высокотемпературной устойчивости тонкоплёночных микронагревателей для газовых сенсоров. Распределение диоксида циркония по границам зёрен платины позволяет замедлить процесс ее рекристаллизации и подавить деградацию плёнки.

Работа выполнена в рамках национального проекта «Наука и университеты», который призван поддерживать и развивать научную деятельность и образование в России. Исследование профинансировано Министерством науки и высшего образования Российской Федерации, проект № 075-15-2021-1353. Результат опубликован в журнале Micromachines.

Высокое энергопотребление стало одной из основных проблем использования термокаталитических сенсоров для детектирования горючих газов. Миниатюризация данных устройств, в ходе которой нагревательный элемент сенсора из толстой платиновой проволоки заменяется тонкоплёночным платиновым микронагревателем, — очень актуальная задача. Но существенным недостатком такой технологии становится рекристаллизация платиновой плёнки, происходящая при рабочих температурах сенсоров. В процессе рекристаллизации зёрна платины спекаются, что приводит к изменению характеристик сенсора и даже может вывести его из строя.

«Деградация платиновых плёнок существенно ограничивает применение планарной технологии для масштабного производства термокаталитических газовых сенсоров, — рассказал аспирант факультета наук о материалах МГУ Иван Калинин. — Для подавления рекристаллизации можно, например, вместо чистой платины использовать ее сплав с родием. Он обладает более высокой температурой плавления, но этого оказывается недостаточно для обеспечения долговременной стабильности плёнки при высоких температурах. Мы продемонстрировали, как еще можно повысить высокотемпературную устойчивость плёнок. Мы не только использовали платинородиевый сплав, но и сделали структуру многослойной, включив в её состав тонкие слои циркония».

Авторы также предложили использовать двухстадийную программу отжига для получения стабильных микронагревателей. Первая низкотемпературная стадия необходима для распределения циркония по границам зерен платины и его полного окисления в толще металлической пленки. На следующем этапе плёнки отжигают при температурах, существенно превышающих температуры работы газовых сенсоров. Полученные таким способом плёнки обладают гораздо большей термической стабильностью и отлично подходят для создания планарных термокаталитических сенсоров горючих газов.

«Слои оксида циркония распределяются в процессе отжига по границам зёрен платины и, таким образом, останавливают их спекание, — пояснил Иван Калинин. — Использование такого подхода позволяет зафиксировать тонкопленочную платину в однородном, мелкокристаллическом виде, что чрезвычайно важно для создания стабильных устройств».

В будущем авторы планируют использовать разработанные в рамках данной работы подходы к повышению термической стабильности пленок на основе платины для создания планарных энергоэффективных термокаталитических сенсоров с высокой долговременной стабильностью работы, незаменимых в промышленности и быту для обеспечения безопасности при работе с горючими газами.

«Использованные в статье подходы масштабируемы и могут применяться для создания различных тонкопленочных устройств, в которых важна стабильность характеристик при высоких температурах, включая нагреватели, газовые сенсоры различных типов, регуляторы расхода газов, мембраны», — прокомментировал руководитель группы электрохимического наноструктурирования, в.н.с. химического факультета МГУ Кирилл Напольский.

Источник: МГУ.