Сотрудники лаборатории металлооксидных полупроводников Томского государственного университета создали прототипы сенсоров кислорода для автомобильных лямбда-зондов — датчиков, измеряющих уровень O2 в выхлопных газах. Это новый материал на основе микрокристаллов бета-фазы оксида галлия (β-Ga2O3), ученые получили его путем высокотемпературного отжига эпитаксиальных пленок каппа-фазы оксида галлия. Микрокристаллы β-Ga2O3 оказались более чувствительными к кислороду, чем материалы, которые используются в современных резистивных лямбда-зондах, это позволяет рассматривать их как альтернативу импортным приборам.
Лямбда-зонд (λ-зонд) — это датчик, который устанавливается в выхлопной системе автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Измеряя уровень кислорода в выхлопных газах, λ-зонд анализирует состав продуктов сгорания, что позволяет отслеживать эффективность сжигания топлива и обеспечивать правильную работу двигателя. Такие датчики должны обладать чувствительностью к O2 в диапазоне от условного нуля до десяти процентов, а также сохранять стабильность характеристик при температуре 600-900°C и при изменении концентрации составляющих смеси газов.
Оксид галлия привлекает внимание исследователей своими фундаментальными свойствами, высокой технологичностью, химической и термической стабильностью, что делает его перспективным для изготовления газочувствительных сенсоров. Датчики на основе оксида галлия обладают чрезвычайно высокими рабочими температурами, воспроизводимостью характеристик и быстродействием.
Лаборатория металлооксидных полупроводников Центра исследований и разработок «Перспективные технологии в микроэлектронике» ТГУ исследует свойства полиморфных структур оксида галлия и разрабатывает приборы сенсорной и силовой электроники на их основе уже шесть лет. Ученые ТГУ — одни из немногих, кто работает не только с наиболее исследованной и привлекательной для создания газовых сенсоров бета-фазой оксида галлия, но и с метастабильными полиморфами, такими как каппа-фаза (κ-Ga2O3). Сейчас в России пленки второго типа полиморфа выращивает только петербургская лаборатория физики профилированных кристаллов ФТИ имени А.Ф. Иоффе РАН, с которой сотрудничают томские ученые.
В ходе исследований разных полиморфных фаз оксида галлия ученые ТГУ пришли к выводу, что пленки кристаллов, имеющие в структуре два полиморфа, обладают лучшими характеристиками, чем пленки с одной фазой. Так коллективу пришла идея о создании датчика кислорода для λ-зонда на основе двух фаз, который будет обладать наибольшей чувствительностью к O2.
— Мы подвергли пленку каппа-фазы оксида галлия отжигу при температуре 1000°C, при которой, по разным оценкам, должна была образоваться смесь наиболее интересных для газовых датчиков бета- и каппа-фазы, — говорит заведующий лабораторией металлооксидных полупроводников ТГУ Алексей Алмаев. — В результате каппа-фаза трансформировалась в бета-фазу, но при этом эпитаксиальная пленка превратилась в массив микрокристаллов, отличающийся развитой поверхностью и высокой чувствительностью к кислороду. Такой материал впервые был получен этим методом.
Для оценки эффективности материала на первых этапах исследования ученые ТГУ создали условия, близкие к работе лямбда-зонда. Концентрация кислорода измерялась в смеси газов, подобной по составу выхлопной системе автомобиля, при температуре 600-900°C. Результаты экспериментов показали, что чувствительность сенсоров кислорода, разработанных на основе микрокристаллов β-Ga2O3, оказалась выше, чем у исходных полиморфов по отдельности. Кроме того, образец показал большую чувствительность к O2 и диапазон рабочих температур, чем современные лямбда-зонды и материалы, считающиеся перспективными для их разработки.
— Структуры при начальной толщине пленки ĸ-Ga2O3 4,4 микрометра характеризуются высокими откликами на кислород и способностью реагировать на изменение O2 в выхлопной смеси газов. При температуре 650ºС отклик составил 11,33 относительные единицы при 5% содержания кислорода, — добавил Алексей Алмаев. — Также была выявлена зависимость чувствительности микрокристаллов β-Ga2O3 от толщины исходной пленки κ-Ga2O3. Эта зависимость имеет максимум при времени роста исходной пленки в 45 минут. В этом случае отклик на 5% содержания O2 достигает 95 относительных единиц.
Чтобы проверить быстродействие образцов сенсоров на основе микрокристаллов β-Ga2O3, ученые собрали измерительный стенд, состоящий из четырехтактного двигателя внутреннего сгорания Lifan 168 F-2 (6,5 л.с.) и контрольного лямбда-зонда LSU 4.9 фирмы Bosсh. Результаты показали, что разработанные в ТГУ сенсоры могут применяться в качестве лямбда-зонда. Также было проведено сравнение быстродействия образца с прибором Bosch, результаты эксперимента лягут в основу докторской диссертации Алексея Алмаева.
Теперь ученым предстоит модифицировать материал с привлечением альтернативных методов выращивания пленок оксида галлия, чтобы максимально оптимизировать свойства сенсоров и обеспечить воспроизводимость технологий, характеристик и других нюансов для промышленного производства.
Добавим, что работа была выполнена в рамках проекта «Газовые сенсоры на основе полиморфных структур оксида галлия» (проекты № 20-79-10043 и № 20-79-10043-П), поддержанного Российским научным фондом. Ученые лаборатории металлооксидных полупроводников ТГУ опубликовали по этой теме более 40 статей.