zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2022-88-8-5-9zldm-1717Research ArticleАНАЛИЗ ВЕЩЕСТВАSUBSTANCES ANALYSISОпределение модифицирующей добавки кремния в полупроводниковых газовых сенсорах на основе β-Ga2O3 методом рентгенофлуоресцентного анализа с полным внешним отражениемQuantification of Si dopant in β-Ga2O3-based semiconductor gas sensors by total reflection X-ray fluorescence spectroscopy (TXRF)ФилатоваД. Г.FilatovaD. G.

Дарья Геннадьевна Филатова

119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3;

119334, Москва, Ленинский пр-т, д. 49

Daria G. Filatova

1-3, Leninskiye Gory, Moscow, 119991;

49, Leninsky prosp., Moscow, 119334

gak1.analyt@gmail.comБогдановаА. П.BogdanovaA. P.

Александра Павловна Богданова

119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3

Alexandra P. Bogdanova

1-3, Leninskiye Gory, Moscow, 119991

КривецкийВ. В.KrivetskiyV. V.

Валерий Владимирович Кривецкий

119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3

Valeriy V. Krivetskiy

1-3, Leninskiye Gory, Moscow, 119991

ПенкинаТ. Н.PenkinaT. N.

Татьяна Николаевна Пенкина

119334, Москва, Ленинский пр-т, д. 49

Tatiana N. Penkina

49, Leninsky prosp., Moscow, 119334

РумянцеваМ. Н.RumyantsevaM. N.

Марина Николаевна Румянцева

119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3

Marina N. Rumyantseva

1-3, Leninskiye Gory, Moscow, 119991

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова; Институт металлургии и материаловедения имени А. А. Байкова Российской академии наукРоссияLomonosov Moscow State University; Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of SciencesRussian FederationМосковский государственный университет имени М. В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian FederationИнститут металлургии и материаловедения имени А. А. Байкова Российской академии наукРоссияBaikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of SciencesRussian Federation20222108202288859Copyright © Филатова Д.Г., Богданова А.П., Кривецкий В.В., Пенкина Т.Н., Румянцева М.Н., 20222022Филатова Д.Г., Богданова А.П., Кривецкий В.В., Пенкина Т.Н., Румянцева М.Н.Filatova D.G., Bogdanova A.P., Krivetskiy V.V., Penkina T.N., Rumyantseva M.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1717

Создание химических сенсоров актуально для решения экологических задач контроля атмосферы городов и промышленных зон. Перспективным типом химических газовых сенсоров являются полупроводниковые сенсоры на основе оксидов металлов за счет их высокой чувствительности, низкой стоимости, миниатюрности и малого энергопотребления. Первые попытки опытной эксплуатации систем контроля атмосферного воздуха на основе подобных сенсоров показали недостаточную стабильность их отклика. Легирование данного материала кремнием может позволить решить проблему. При этом данные о количестве добавки и ее распределении в материале необходимы для установления связи «условия синтеза — состав — свойства». Мы предлагаем подход к установлению состава новых полупроводниковых материалов на основе β-Ga2O3 с содержанием добавки кремния от 0,5 до 2 % ат. Подход включает измельчение образцов с помощью планетарной мельницы и приготовление суспензий в этиленгликоле с последующим определением аналитов методом РФА ПВО на сапфировых подложках методом абсолютных содержаний (Si) c Sr 0,08 и методом внешнего стандарта (Ga) c Sr 0,04. Рентгенофлуоресцентный анализ образцов проводили с использованием спектрометра S2 PICOFOX (Bruker Nano GmbH, Германия). Для возбуждения рентгеновской флуоресценции использовали излучение MoKα. Время набора спектра — 250 с. Показано, что с помощью анализа суспензий можно оценить однородность распределения добавки в материале. Исследуемые материалы демонстрируют невоспроизводимый сенсорный отклик, что мы связали с установленной неоднородностью распределения кремния по поверхности β-Ga2O3.

Developing of chemical sensors is relevant for solving environmental problems of monitoring the atmosphere of cities and industrial zones. Semiconductor sensors based on metal oxides are a promising type of chemical gas sensors due to their high sensitivity, low cost, small size, and low energy consumption. First attempts of pilot operation of atmospheric air monitoring systems based on such sensors revealed an insufficient stability of their response. Doping silicon in the basic material can solve the problem. At the same time, data on the amount and distribution of the dopant in the material are necessary to determine the relationship «synthesis conditions – composition – properties». We propose an approach to the determination of the composition of novel semiconductor materials based on β-Ga2O3 with a silicon dopant content from 0.5 to 2 %at. The approach included grinding of samples using a planetary mill and preparation of suspensions in ethylene glycol, followed by TXRF determination of the analytes on sapphire substrates using the method of absolute contents (Si) with Sr 0.08 and the method of external standard (Ga) with Sr 0.04. X-ray fluorescence analysis of the samples was performed on a S2 PICOFOX spectrometer (Bruker Nano GmbH, Germany). MoKα radiation was used to excite X-ray fluorescence. The spectrum acquisition time is 250 sec. It is shown that the homogeneity of the dopant distribution in the material can be estimated using the suspension analysis. The studied materials demonstrate an irreproducible sensory response which we associated with the revealed inhomogeneity of the silicon distribution over the surface of β-Ga2O3.

рентгеновская флуоресценция с полным внешним отражениемопределение кремния методом РФА ПВОβ-Ga2O3total reflection X-ray fluorescence spectroscopy (TXRF)silicon determination by TXRFβ-Ga2O3Использование РФА ПВО спектрометра S2 PICOFOX поддержано программой развития Московского государственного университета имени М. В. ЛомоносоваReferencesSpirjakin D., Baranov A. M., Somov A., Sleptsov V. Investigation of heating profiles and optimization of power consumption of gas sensors for wireless sensor networks / Sens. Actuators A. 2016. Vol. 247. P. 247 – 253. DOI: 10.1016/j.sna.2016.05.049Spirjakin D., Baranov A. M., Somov A., Sleptsov V. Investigation of heating profiles and optimization of power consumption of gas sensors for wireless sensor networks / Sens. Actuators A. 2016. Vol. 247. P. 247 – 253. DOI: 10.1016/j.sna.2016.05.049Collier-Oxandale A., Casey J. G., Piedrahita R., et al. Assessing a low-cost methane sensor quantification system for use in complex rural and urban environments / Atmos. Meas. Tech. 2018. Vol. 11. P. 3569 – 3594. DOI: 10.5194/amt-11-3569-2018Collier-Oxandale A., Casey J. G., Piedrahita R., et al. Assessing a low-cost methane sensor quantification system for use in complex rural and urban environments / Atmos. Meas. Tech. 2018. Vol. 11. P. 3569 – 3594. DOI: 10.5194/amt-11-3569-2018Snyder E. G., Watkins T. H., Solomon P. A., et al. The changing paradigm of air pollution monitoring / Environ. Sci. Technol. 2013. Vol. 47. P. 11369 – 11377. DOI: 10.1021/es4022602Snyder E. G., Watkins T. H., Solomon P. A., et al. The changing paradigm of air pollution monitoring / Environ. Sci. Technol. 2013. Vol. 47. P. 11369 – 11377. DOI: 10.1021/es4022602Krivetskiy V., Efitorov A., Arkhipenk, A., et al. Selective detection of individual gases and CO/H-2 mixture at low concentrations in air by single semiconductor metal oxide sensors working in dynamic temperature mode / Sens. Actuators B. 2018. Vol. 254. P. 502 – 513. DOI: 10.1016/j.snb.2017.07.100Krivetskiy V., Efitorov A., Arkhipenk, A., et al. Selective detection of individual gases and CO/H-2 mixture at low concentrations in air by single semiconductor metal oxide sensors working in dynamic temperature mode / Sens. Actuators B. 2018. Vol. 254. P. 502 – 513. DOI: 10.1016/j.snb.2017.07.100Solorzano A., Rodriguez-Perez R., Padilla M., et al. Multi-unit calibration rejects inherent device variability of chemical sensor arrays / Sens. Actuators B. 2018. Vol. 265. P. 142 – 154. DOI: 10.1016/j.snb.2018.02.188Solorzano A., Rodriguez-Perez R., Padilla M., et al. Multi-unit calibration rejects inherent device variability of chemical sensor arrays / Sens. Actuators B. 2018. Vol. 265. P. 142 – 154. DOI: 10.1016/j.snb.2018.02.188Pandeeswari R., Jeyaprakash B. High sensing response of β-Ga2O3 thin film towards ammonia vapours: Influencing factors at room temperature / Sens. Actuators B. 2014. Vol. 195. P. 206 – 214. DOI: 10.1016/j.snb.2014.01.025Pandeeswari R., Jeyaprakash B. High sensing response of β-Ga2O3 thin film towards ammonia vapours: Influencing factors at room temperature / Sens. Actuators B. 2014. Vol. 195. P. 206 – 214. DOI: 10.1016/j.snb.2014.01.025Raphael R., Anila E. I. Investigation of photoluminescence emission from β-Ga2O3: Ce thin films deposited by spray pyrolysis technique / J. Alloys Compd. 2021. Vol. 872. 159590. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.159590Raphael R., Anila E. I. Investigation of photoluminescence emission from β-Ga2O3: Ce thin films deposited by spray pyrolysis technique / J. Alloys Compd. 2021. Vol. 872. 159590. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.159590Yan X., He J., Evans D. G., et al. Preparation, characterization and photocatalytic activity of Si-doped and rare earth-doped TiO2 from mesoporous precursors / Appl. Catal. B. 2005. Vol. 55. N 4. P. 243 – 252. DOI: 10.1016/j.apcatb.2004.08.014Yan X., He J., Evans D. G., et al. Preparation, characterization and photocatalytic activity of Si-doped and rare earth-doped TiO2 from mesoporous precursors / Appl. Catal. B. 2005. Vol. 55. N 4. P. 243 – 252. DOI: 10.1016/j.apcatb.2004.08.014Niu F., Shao Z. -W., Gao H., et al. Si-doped graphene nanosheets for NOx gas sensing / Sens. Actuators B. 2020. 129005. DOI: 10.1016/j.snb.2020.129005Niu F., Shao Z. -W., Gao H., et al. Si-doped graphene nanosheets for NOx gas sensing / Sens. Actuators B. 2020. 129005. DOI: 10.1016/j.snb.2020.129005Jang J., Yim H., Choi J. Exploration of Si-doped SnO2 composition and properties of oxide/Ag/oxide multilayers prepared using continuous composition spread by sputtering / Thin Solid Films. 2018. Vol. 660. P. 606 – 612. DOI: 10.1016/j.tsf.2018.05.010Jang J., Yim H., Choi J. Exploration of Si-doped SnO2 composition and properties of oxide/Ag/oxide multilayers prepared using continuous composition spread by sputtering / Thin Solid Films. 2018. Vol. 660. P. 606 – 612. DOI: 10.1016/j.tsf.2018.05.010Yuan H. Structural, electrical and optical properties of Si doped ZnO films grown by atomic layer deposition / J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2012. Vol. 23. N 11. P. 2075 – 2081. DOI: 10.1007/s10854-012-0713-xYuan H. Structural, electrical and optical properties of Si doped ZnO films grown by atomic layer deposition / J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2012. Vol. 23. N 11. P. 2075 – 2081. DOI: 10.1007/s10854-012-0713-xBrundle C. R., Evans Ch. A., Jr., and Wilson S., Eds. Encyclopedia of Materials Characterization: Surfaces, Interfaces Thin Films. — Greenwich: Manning Publications Co., 1992. — 800 p.Brundle C. R., Evans Ch. A., Jr., and Wilson S., Eds. Encyclopedia of Materials Characterization: Surfaces, Interfaces Thin Films. — Greenwich: Manning Publications Co., 1992. — 800 p.Bohlen A. von, Fernández-Ruiz R. Experimental evidence of matrix effects in total-reflection X-ray fluorescence analysis: Coke case / Talanta. 2020. Vol. 209. 120562. DOI: 10.1016/j.talanta.2019.120562Bohlen A. von, Fernández-Ruiz R. Experimental evidence of matrix effects in total-reflection X-ray fluorescence analysis: Coke case / Talanta. 2020. Vol. 209. 120562. DOI: 10.1016/j.talanta.2019.120562De La Calle I., Cabaleiro N., Romero V., et al. Sample pretreatment strategies for total reflection X-ray fluorescence analysis: A tutorial review / Spectrochim. Acta Part B. 2013. Vol. 90. P. 23 – 54. DOI: 10.1016/j.sab.2013.10.001De La Calle I., Cabaleiro N., Romero V., et al. Sample pretreatment strategies for total reflection X-ray fluorescence analysis: A tutorial review / Spectrochim. Acta Part B. 2013. Vol. 90. P. 23 – 54. DOI: 10.1016/j.sab.2013.10.001Bonizzoni L., Galli A., Gondola M., Martini M. Comparison between XRF, TXRF, and PXRF analyses for provenance classification of archaeological bricks / X-Ray Spectrom. 2013. Vol. 42. N 4. P. 262 – 267. DOI: 10.1002/xrs.2465Bonizzoni L., Galli A., Gondola M., Martini M. Comparison between XRF, TXRF, and PXRF analyses for provenance classification of archaeological bricks / X-Ray Spectrom. 2013. Vol. 42. N 4. P. 262 – 267. DOI: 10.1002/xrs.2465Theisen M., Niessner R. Sapphire sample carriers for silicon determination by total-reflection X-ray fluorescence analysis / Spectrochim. Acta Part B. 1999. Vol. 54. N 13. P. 1839 – 1848. DOI: 10.1016/S0584-8547(99)00125-1Theisen M., Niessner R. Sapphire sample carriers for silicon determination by total-reflection X-ray fluorescence analysis / Spectrochim. Acta Part B. 1999. Vol. 54. N 13. P. 1839 – 1848. DOI: 10.1016/S0584-8547(99)00125-1Klockenkämper R., von Bohlen A. Total-Reflection X-Ray Fluorescence Analysis and Related Methods. 2nd Edition. — Wiley, 2015. — 552 p. DOI: 10.1002/9781118985953Klockenkämper R., von Bohlen A. Total-Reflection X-Ray Fluorescence Analysis and Related Methods. 2nd Edition. — Wiley, 2015. — 552 p. DOI: 10.1002/9781118985953Pashkova G. V., Revenko A. G. Determination of elements in water using a total reflection X-ray fluorescence spectrometer / Analit. Kontrol. 2013. Vol. 17. N 2. P. 122 – 140 [in Russian]. DOI: 10.15826/analitika.2013.17.2.001Pashkova G. V., Revenko A. G. Determination of elements in water using a total reflection X-ray fluorescence spectrometer / Analit. Kontrol. 2013. Vol. 17. N 2. P. 122 – 140 [in Russian]. DOI: 10.15826/analitika.2013.17.2.001Stepanov S. I., Nikolaev V. I., Bougrov V. E., Romanov A. E. Gallium oxide: properties and applications — A review / Rev. Adv. Mater. Sci. 2016. Vol. 44. N 1. P. 63 – 86.Stepanov S. I., Nikolaev V. I., Bougrov V. E., Romanov A. E. Gallium oxide: properties and applications — A review / Rev. Adv. Mater. Sci. 2016. Vol. 44. N 1. P. 63 – 86.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.