Trường Tổng hợp quốc gia nghiên cứu hạt nhân MEPhI. Ảnh: mephi.ru |
Bài báo về nghiên cứu này được Bộ Giáo dục và Khoa học Liên bang Nga công nhận và đã được đăng trên tạp chí "Technical Physics Letters".
Hydro trong một hỗn hợp với không khí được chuyển hóa thành một chất khí - hỗn hợp nổ. Do đó, các nhà khoa học đã chế tạo các cảm biến hydrogen khác nhau có thể hoạt động trong những điều kiện khó khăn (ví dụ nhiệt độ cao hoặc nồng độ khí dày đặc).
Trong các thiết bị truyền thống để phát hiện hydro trong không khí, các cảm biến nhiệt hoá được sử dụng. Chúng "làm việc" dựa trên việc có thể xảy ra phản ứng đánh lửa hydro làm nóng bề mặt platin trong hỗn hợp không khí và hydro, và các cảm biến ghi lại quá trình gia nhiệt, "phát hiện" sự có mặt của hydro và số lượng trong không khí.
Tuy nhiên, kích thước lớn của các cảm biến nhiệt gây khó khăn khi chế tạo cảm biến đa chức năng trên một con chip duy nhất. Vì vậy, các nhà khoa học quan tâm tới việc sử dụng trữ lượng "nội bộ" của các cấu trúc màng mỏng được tạo ra trên nền các chất đơn tinh thể silicon carbide. Đó là, làm thế nào có thể hoạt động mà không cần nguồn điện từ bên ngoài, sử dụng phản ứng thay đổi trong lòng vật chất, mà có thể đo được.
Các nhà khoa học MEPhI quyết định kiểm tra các thuộc tính cấu trúc MOSiC (kim loại oxit silic cacbua) thay đổi thế nào, tùy thuộc vào lượng hydro trong không khí xung quanh. Nghiên cứu áp dụng với các tấm silicon carbide (kích thước 15 × 15 mm, độ dày 400 micron) hai lớp màng : "làm việc", nhạy cảm với lớp màng hydro vonfram oxit (dày 200 nanomet) và bạch kim (10 nm), cần để thúc đẩy nhanh các phản ứng hóa học. Ở mặt sau tấm này, một tiếp điểm đã được tạo ra để loại bỏ dòng điện.
Mẫu thử nghiệm đã được đặt trên một máy sưởi đặc biệt cung cấp sự ổn định nhiệt độ. Việc nung mẫu mô phỏng các điều kiện hoạt động của cảm biến trong các hệ thống thực. Một sự ổn định nhiệt độ bảo đảm sự tách biệt nghiêm ngặt của các hiệu ứng trong cảm biến, do sự thay đổi và sự tiếp xúc với hydro. Giữa lò sưởi và mẫu đã được đặt một tấm sapphire với một lớp vàng được sử dụng để cô lập các tiếp xúc phía sau từ ảnh hưởng từ bên ngoài. Bộ phận làm nóng với mẫu thử được đặt trong buồng bằng thép không rỉ, nơi có thể tạo ra hỗn hợp không khí - hydro với nồng độ hydro được kiểm soát.
Để ghi nhận hydro, người ta đo tín hiệu điện giữa hai mặt của mẫu thử: mặt nhạy cảm với khí (từ oxit vonfram) và mặt phía sau. Việc gia tăng hydro vào môi trường không khí tới nồng độ 2% đã gây ra một sự gia tăng tín hiệu 15 lần - cao hơn đáng kể so với phản ứng của hệ thống như vậy ghi lại theo cách thức truyền thống. Sau đó là việc đo dòng điện chạy qua cấu trúc hiện tại khi điện áp bên ngoài thay đổi. Trong phương pháp mới, đo cường độ dòng điện chạy qua từ mặt trước ra mặt sau mà không có điện áp bên ngoài. Như vậy hình thành cấu trúc MOSiC hoạt động mà không áp dụng lớp xúc tác chất bạch kim đắt tiền, và cường độ tín hiệu của phản ứng với hydro là đủ để đưa vào sử dụng mà không cần nguồn điện bổ sung.
"Tốc độ và cường độ của các phản ứng với hydro cho thấy khả năng của việc sử dụng trong thực tế kết quả phát hiện hydro ở nhiệt độ cao trên silicon carbide. Kết cấu, tính chất hóa học và điện học mà những lớp màng thu được sau những thay đổi đáng chú ý khi tiếp xúc với các phân tử hydro, đặc biệt là tại nhiệt độ cao (500°C). Sự biến đổi đa dạng trong màng oxit kim loại dưới ảnh hưởng của hydro được biểu hiện trong quá trình tạo ra một xung điện được ghi nhận giữa mặt khí nhạy và mặt sau của silicon carbide "- một trong những tác giả, trưởng nhóm nghiên cứu tại Viện LaPlaz thuộc MEPhI, giáo sư Vyacheslav Fominsky cho biết.
Việc phát hiện hydro cùng các khí dễ cháy khác trong các điều kiện phức tạp của nhiệt độ và chất khí nồng độ cao là một vấn đề thực tế đối với khoa học và nhiều ngành công nghiệp. Theo các nhà nghiên cứu, nghiên cứu mới sẽ cho phép chế tạo ra các máy dò hiệu quả không chỉ áp dụng với hydro mà còn với các loại khí gây nổ khác.