Прототипы высокотемпературных сенсоров кислорода для автомобильных датчиков, измеряющих уровень O₂ в выхлопных газах (лямбда-зондов), которые могут стать альтернативой импортным приборам, разработали сотрудники лаборатории металлооксидных полупроводников Томского государственного университета (ТГУ), сообщает 3 июня пресс-служба вуза.

Для этих сенсоров учеными в рамках проекта «Газовые сенсоры на основе полиморфных структур оксида галлия» был синтезирован новый материал — пленки микрокристаллов бета-фазы оксида галлия (β-Ga₂O₃), который оказался более чувствительным к кислороду, чем материалы в современных лямбда-зондах.

Задачей лямбда-зонда (λ-зонд), который устанавливается в выхлопной системе автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), анализировать по уровню кислорода в выхлопных газах состав продуктов сгорания ДВС. Эти данные позволяют оценивать эффективность сжигания топлива и обеспечивать правильную работу двигателя.

Чтобы успешно решать такую задачу, эти датчики должны иметь чувствительность к кислороду в диапазоне 0–10%, а также сохранять стабильность характеристик при температуре 600–900 °C и изменении концентрации составляющих в анализируемой ими смеси газов.

Внимание ученых ТГУ привлек оксид галлия, который при высокой химической и термической стабильности также высокотехнологичен. Датчики на его основе стабильно работают при высоких температурах, обладают воспроизводимостью характеристик и высоким быстродействием.

В лаборатории металлооксидных полупроводников Центра исследований и разработок «Перспективные технологии в микроэлектронике» ТГУ шесть лет ведутся исследования свойств полиморфных структур оксида галлия и на их основе разрабатываются приборы сенсорной и силовой электроники. Ее сотрудниками по этой теме опубликовано уже более 40 статей.

Проведенные исследования разных полиморфных фаз оксида галлия позволили ученым ТГУ сделать вывод, что лучшими характеристиками обладают пленки кристаллов с двумя полиморфами в структуре по сравнению с однофазными пленками. Поэтому для сенсоров λ-зонда решено было использовать пленки на основе двух фаз.

Чтобы получить такой материал, исследователи провели отжиг пленки каппа-фазы оксида галлия при температуре 1000 °C. По разным оценкам, в этом случае должна была образоваться смесь бета- и каппа-фазы, которая должна была иметь необходимые для датчиков характеристики.

Заведующий лабораторией металлооксидных полупроводников Алексей Алмаев рассказал: «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».

Результаты экспериментов для оценки эффективности материала, проведенных в условиях, близких к работе лямбда-зонда, показали, что чувствительность сенсоров кислорода на основе микрокристаллов β-Ga₂O₃ оказалась выше, чем у исходных полиморфов.

При этом образец нового материала продемонстрировал большую чувствительность к O₂ и расширенный диапазон рабочих температур по сравнению с существующими лямбда-зондами и материалами, которые считаются перспективными для их разработки.

Для проверки быстродействия образцов сенсоров, созданных на основе микрокристаллов β-Ga₂O₃, ученые изготовили измерительный стенд, в котором параметры исследуемых образцов сравнивались с таковыми у λ-зонда LSU 4.9 фирмы Bosch. Результаты тестирования показали, что эти сенсоры ТГУ могут использоваться как лямбда-зонды.

На следующем этапе проекта исследователи собираются модифицировать полученный материал, используя альтернативные методы выращивания пленок оксида галлия, чтобы получить оптимальные для сенсоров характеристики, а также добиться воспроизводимости технологии и других нюансов, важных в промышленном производстве.