radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2025-28-4-86-98radioelectronics-1054Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКАMICRO- AND NANOELECTRONICSГидротермальный синтез и сенсорные свойства гидроксостанната цинкаHydrothermal Synthesis and Gas Sensing Properties of Zinc Hydroxostannatehttps://orcid.org/0000-0003-0195-8870МаксимовА. И.MaximovA. I.

Максимов Александр Иванович – кандидат физико-математических наук (2005), доцент (2008), доцент кафедры микро- и наноэлектроники 

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Alexander I. Maximov, Cand. Sci. (Phys.-Math.) (2005), Associate Professor (2008), Associate Professor ofthe Department of Micro- and Nanoelectronics

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

aimaximov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3065-3961НалимоваС. С.NalimovaS. S.

Налимова Светлана Сергеевна – кандидат физико-математических наук (2013), доцент (2024), доцент кафедры микро- и наноэлектроники

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Svetlana S. Nalimova, Cand. Sci. (Phys.-Math.) (2013), Associate Professor (2024), Associate Professor of theDepartment of Micro- and Nanoelectronics

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

sskarpova@list.ruЛевкевичЕ. А.LevkevichE. A.

Левкевич Екатерина Алексеевна – магистр по направлению "Электроника и наноэлектроника" (2020, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)), инженер кафедры микро- и наноэлектроники

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Ekaterina A. Levkevich, Master in Electronics and Nanoelectronics (2020, Saint Petersburg ElectrotechnicalUniversity). Engineer of the Department of Micro- and Nanoelectronics

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

levek26@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-5738-2626ШомаховЗ. В.ShomakhovZ. V.

Шомахов Замир Валериевич – кандидат физико-математических наук (2012), доцент (2022), директор Института электроники, робототехники и искусственного интеллекта

ул. Чернышевского, д. 173, Нальчик, 360004

Zamir V. Shomakhov, Cand. Sci. (Phys.-Math.) (2012), Associate Professor (2022), Director of the Institute of Electronics, Robotics and Artificial Intelligence

173, Chernyshevsky St., Nalchik 360004

shozamir@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7912-6033КирилловаС. А.KirillovaS. A.

Кириллова Светлана Анатольевна – магистр по направлению "Химическая технология и биотехнология" (Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет), 2004), старший преподаватель кафедры физической химии

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Svetlana A. Kirillova, Master in Chemical Engineering and Biotechnology (Saint Petersburg State Technological Institute (Technical University), 2004), Senior Lecturer of the Department of Physical Chemistry

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

refractory-sveta@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6500-5492МошниковВ. А.MoshnikovV. A.

Мошников Вячеслав Алексеевич – доктор физико-математических наук (1997), профессор (1999), профессор кафедры микро- и наноэлектроники

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Vyacheslav A. Moshnikov, Dr Sci. (Phys.-Math.) (1997), Professor (1999), Professor of the Department ofMicro- and Nanoelectronics

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

vamoshnikov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6721-4159СоломоновА. В.SolomonovA. V.

Соломонов Александр Васильевич − доктор физико-математических наук (2000), профессор (2002), профессор кафедры микро- и наноэлектроники

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Alexander V. Solomonov, Dr Sci. (Phys.-Math.) (2000), Professor (2002), Professor of Department of Microand Nanoelectronics

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

alexander.v.solomonov@gmail.comСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian FederationКабардино-Балкарский государственный университет им. Х. М. БербековаРоссияKabardino-Balkarian State University n. a. H. M. BerbekovRussian Federation20250910202528486–98Copyright © Максимов А.И., Налимова С.С., Левкевич Е.А., Шомахов З.В., Кириллова С.А., Мошников В.А., Соломонов А.В., 20252025Максимов А.И., Налимова С.С., Левкевич Е.А., Шомахов З.В., Кириллова С.А., Мошников В.А., Соломонов А.В.Maximov A.I., Nalimova S.S., Levkevich E.A., Shomakhov Z.V., Kirillova S.A., Moshnikov V.A., Solomonov A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/1054

Введение. В настоящее время актуальной задачей в области газовой сенсорики является улучшение характеристик (сенсорный отклик и быстродействие), а также снижение рабочих температур. Для этих целей исследуются многокомпонентные оксидные системы. Одними из наиболее перспективных материалов являются различные модификации системы Zn–Sn–O.Цель работы. Разработка методик гидротермального синтеза наночастиц гидроксостанната цинка, отличающихся используемыми прекурсорами. На основе синтезированных наночастиц сформированы и протестированы активные слои газовых сенсоров.Материалы и методы. Наночастицы гидроксостанната цинка получены гидротермальным синтезом в течение 6 часов при 90 °С. Были выбраны две методики с использованием различных прекурсоров. Полученные образцы проанализированы с помощью растровой электронной микроскопии, рентгеновского фазового анализа, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. По результатам спектрофотометрии определена ширина запрещенной зоны образцов. Газочувствительные свойства исследованы при различных условиях (целевой газ, температура, дополнительное воздействие УФ-излучения).Результаты. Комплексное исследование синтезированных структур показало, что в зависимости от используемой методики получения характер их взаимодействия с целевыми газами является принципиально разным. Так, образцы ZnSn(OH)6_1 проявляют отклик при комнатной температуре и обладают высоким быстродействием. Это связано с тем, что на их поверхности преобладают ионы цинка. Для образцов ZnSn(OH)6_2, на поверхности которых преобладают ионы олова, окруженные ОН-группами, отклик при комнатной температуре возможен только с дополнительной активацией УФ-излучением. При этом время отклика и время восстановления составляют порядка сотен секунд.Заключение. В статье продемонстрированы возможности использования наночастиц гидроксостанната цинка, полученных гидротермальным методом, для газовых сенсоров, работающих при комнатной температуре. При этом решающим фактором является выбор методики синтеза.

Introduction. Currently in gas sensing there is an urgent need to improve performance, including sensor response and speed, as well as to reduce operating temperatures. To achieve these goals, multicomponent oxide systems are being studied. Various modifications of Zn–Sn–O system are among the most promising materials.Aim. To develop techniques for the hydrothermal preparation of zinc hydroxostannate nanoparticles using different precursors. Active layers for gas sensors were created and tested using these synthesized nanoparticles.Materials and methods. Zinc hydroxostannate nanoparticles were synthesized using hydrothermal methods for 6 hours at a temperature of 90 °C. Two techniques using different precursors were used to obtain the samples. The samples were then analyzed using scanning electron microscopy, X-ray diffraction, and X-ray photoelectron spectroscopy. Based on the optical spectroscopy results, the band gap of zinc hydroxostannate was determined. Gas sensing properties of the nanoparticles were investigated under different conditions, including target gases, temperatures, and exposure to UV radiation.Results. A comprehensive study of the synthesized structures has shown that the nature of their interaction with target gases is different depending on the synthesis technique. Specifically, ZnSn(OH)6_1 samples demonstrate a response at room temperature and are highly rapid. This is attributed to the predominance of zinc ions on their surface. In contrast, ZnSn(OH)6_2 samples, with a surface rich in tin ions surrounded by OH groups, require additional activation by UV radiation to achieve a response at room temperature. At the same time, the response and recovery times are in the order of hundreds of seconds.Conclusion. The paper explores the potential of using zinc hydroxostannate nanoparticles created through the hydrothermal process for room temperature gas sensors. The key factor in this study is the selection of the synthesis technique.

гидроксостаннат цинкананочастицыгазовые сенсорыгидротермальный синтезрентгеновская фотоэлектронная спектроскопияzinc hydroxostannatenanoparticlesgas sensorshydrothermal synthesisX-ray photoelectron spectroscopyReferencesGas sensors and factors influencing sensing mechanism with a special focus on MOS sensors / D. Y. Nadargi, A. Umar, J. D. Nadargi, S. A. Lokare, S. Akbar, I. S. Mulla, S. S. Suryavanshi, N. L. Bhandari, M. G. Chaskar // J. of Materials Science. 2023. Vol. 58, № 2. P. 559–582. doi: 10.1007/s10853-022-08072-0Nadargi D. Y., Umar A., Nadargi J. D., Lokare S. A., Akbar S., Mulla I. S., Suryavanshi S. S., Bhandari N. L., Chaskar M. G. Gas Sensors and Factors Influencing Sensing Mechanism with a Special Focus on MOS Sensors. J. of Materials Science. 2023, vol. 58, no. 2, pp. 559–582. doi: 10.1007/s10853-022-08072-0Metal Oxide Gas Sensors: Sensitivity and Influencing Factors / C. Wang, L. Yin, L. Zhang, D. Xiang, R. Gao // Sensors. 2010. Vol. 10, № 3. P. 2088−2106. doi: 10.3390/s100302088Wang C., Yin L., Zhang L., Xiang D., Gao R. Metal Oxide Gas Sensors: Sensitivity and Influencing Factors. Sensors. 2010, vol. 10, no. 3, pp. 2088−2106. doi: 10.3390/s100302088Dey A. Semiconductor metal oxide gas sensors: A review // Materials Science and Engineering: B. 2018. Vol. 229. P. 206−217. doi: 10.1016/j.mseb.2017.12.036Dey A. Semiconductor Metal Oxide Gas Sensors: A Review. Materials Science and Engineering: B. 2018, vol. 229, pp. 206−217. doi: 10.1016/j.mseb.2017.12.036Das S., Jayaraman V. SnO2: A comprehensive review on structures and gas sensors // Progress in Materials Science. 2014. Vol. 66. P. 112−255. doi: 10.1016/j.pmatsci.2014.06.003Das S., Jayaraman V. SnO2: A Comprehensive Review on Structures and Gas Sensors. Progress in Materials Science. 2014, vol. 66, pp. 112−255. doi: 10.1016/j.pmatsci.2014.06.003Zhu L., Zeng W. Room-temperature gas sensing of ZnO-based gas sensor: A review // Sensors and Actuators A: Physical. 2017. Vol. 267. P. 242−261. doi: 10.1016/j.sna.2017.10.021Zhu L., Zeng W. Room-Temperature Gas Sensing of ZnO-Based Gas Sensor: A Review. Sensors and Actuators A: Physical. 2017, vol. 267, pp. 242−261. doi: 10.1016/j.sna.2017.10.021Архитектоника покрытий из наностержней оксида цинка для адсорбционных газовых сенсоров / А. А. Рябко, С. С. Налимова, Н. В. Пермяков, А. А. Бобков, А. И. Максимов, В. М. Кондратьев, К. П. Котляр, М. К. Овезов, А. С. Комолов, Э. Ф. Лазнева, В. А. Мошников, А. Н. Алешин // Журн. техн. физики. 2023. Т. 93, № 10. С. 1494−1502. doi: 10.61011/JTF.2023.10.56288.148-23Ryabko A. A., Nalimova S. S., Permyakov N. V., Bobkov A. A., Maksimov A. I., Kondratev V. M., Kotlyar K. P., Ovezov M. K., Komolov A. S., Lazneva E. F., Moshnikov V. A., Aleshin A. N. Architectonics of Zinc Oxide Nanorod Coatings for Adsorption Gas Sensors. Technical Physics. 2023, vol. 68, no. 10, pp. 1390−1397. doi: 10.61011/TP.2023.10.57456.148-23Газовые сенсоры на основе наноструктур двойных и тройных оксидных систем / С. С. Налимова, В. А. Мошников, З. В. Шомахов, В. М. Кондратьев // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2024. Т. 27, № 2. С. 105−118. doi: 10.32603/1993-8985-2024-27-2-105-118Nalimova S. S., Moshnikov V. A., Shomakhov Z. V., Kondratev V. M. Gas Sensors Based on Nanostructures of Binary and Ternary Oxide Systems. J. of the Russian Universities. Radioelectronics. 2024, vol. 27, no. 2, pp. 105–118. doi: 10.32603/1993-8985-2024-27-2-105-118Улучшение сенсорных характеристик бинарных и тройных оксидных наносистем / З. В. Шомахов, С. С. Налимова, А. А. Рыбина, С. С. Бузовкин, З. Х. Калажоков, В. А. Мошников // Физикохимические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2023. № 15. С. 879−887. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.879Shomakhov Z. V., Nalimova S. S., Rybina A. A., Buzovkin S. S., Kalazhokov Z. H., Moshnikov V. A. Improving the Sensor Characteristics of Binary and Ternary Oxide Nanosystems. Physical and Chemical Aspects of the Study of Custers, Nanostructures and Nanomaterials. 2023, iss. 15, pp. 879–887. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.879Nalimova S., Shomakhov Z. V., Moshnikov V. A. Binary and Ternary Oxide Nanostructured Multisystems for Gas Sensors // Engineering Proceedings. 2023. Vol. 48, iss. 1. Art. № 47. doi: 10.3390/CSAC2023-14880Nalimova S., Shomakhov Z. V., Moshnikov V. A. Binary and Ternary Oxide Nanostructured Multisystems for Gas Sensors. Engineering Proceedings. 2023, vol. 48, iss. 1, art. no. 47. doi: 10.3390/CSAC2023-14880Газочувствительность наноструктурированных покрытий на основе наностержней оксида цинка при комбинированной активации / А. А. Рябко, А. А. Бобков, С. С. Налимова, А. И. Максимов, В. С. Левицкий, В. А. Мошников, Е. И. Теруков // Журн. техн. физики. 2022. Т. 92, № 5. С. 758−764. doi: 10.21883/JTF.2022.05.52382.314-21Ryabko A. A., Bobkov А. А., Nalimova S. S., Maksimov A. I., Levitskii V. S., Moshnikov V. A., Terukov E. I. Gas Sensitivity of Nanostructured Coatings Based on Zinc Oxide Nanorods under Combined Activation. Technical Physics. 2022, vol. 67, no. 5, pp. 644–649. doi: 10.21883/tp.2022.05.53683.314-21Cовременное состояние исследований в области синтеза и применения станната цинка / С. С. Налимова, А. И. Максимов, Л. Б. Матюшкин, В. А. Мошников // Физика и химия стекла. 2019. Т. 45, № 4. С. 311−325. doi: 10.1134/S0132665119040097Nalimova S. S., Maksimov A. I., Matyushkin L. B., Moshnikov V. A. Current State of Studies on Synthesis and Application of Zinc Stannate (Review). Glass Physics and Chemistry. 2019, vol. 45, no. 4, pp. 251–260. doi: 10.1134/ S1087659619040096Continuously improved gas-sensing performance of Zn2SnO4 porous octahedrons by structure evolution and further ZnSnO3 nanosheets decoration / Z. Li, Y. Xiong, D. Bi, Q. Liu, C. Yang, J. Zhang // J. of Alloys and Compounds. 2022. Vol. 901. Art. № 163744. doi: 10.1016/j.jallcom.2022.163744Li Z., Xiong Y., Bi D., Liu Q., Yang C., Zhang J. Continuously Improved Gas-Sensing Performance of Zn2SnO4 Porous Octahedrons by Structure Evolution And Further ZnSnO3 Nanosheets Decoration. J. of Alloys and Compounds. 2022, vol. 901, art. no. 163744. doi: 10.1016/j.jallcom.2022.163744Application of ZnSn(OH)6-based nanomaterials in environmental photocatalysis / B. Chen, P. Ouyang, Y. Li, Y. Duan, F. Dong // Chemical Industry and Engineering Progress. 2023. Vol. 42, iss. 2. P. 756−764. doi: 10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0646Chen B., Ouyang P., Li Y., Duan Y., Dong F. Application of ZnSn(OH)6-Based Nanomaterials in Environmental Photocatalysis. Chemical Industry and Engineering Progress. 2023, vol. 42, iss. 2, pp. 756−764. doi: 10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0646Enhanced photocatalytic activity of cubic ZnSn(OH)6 by in-situ partial phase transformation via rapid thermal annealing / J. S. Kim, N. Kumar, U. Jung, J. Park, Mu. Naushad // Chemosphere. 2023. Vol. 331. Art. № 138780. doi: 10.1016/j.chemosphere.2023.138780Kim J. S., Kumar N., Jung U., Park J., Naushad Mu. Enhanced Photocatalytic Activity of Cubic ZnSn(OH)6 by In-Situ Partial Phase Transformation Via Rapid Thermal Annealing. Chemosphere. 2023, vol. 331, art. no. 138780. doi: 10.1016/j.chemosphere.2023.138780Paul S., Barman S., Datta A. Zn-based oxide perovskite nanocomposites for energy and sensing applications // J. of Materials Science. 2024. Vol. 59. P. 17968–17990. doi: 10.1007/s10853-024-09765-4Paul S., Barman S., Datta A. Zn-Based Oxide Perovskite Nanocomposites for Energy and Sensing Applications. J. of Materials Science. 2024, vol. 59, pp. 17968–17990. doi: 10.1007/s10853-024-09765-4Comprehensive review of micro/nanostructured ZnSnO3: characteristics, synthesis, and diverse applications / M. Rahman, M. S. Bashar, Md. L. Rahman, F. I. Chowdhury // RSC Advances. 2023. Vol. 13. P. 30798−30837. doi: 10.1039/d3ra05481kRahman M., Bashar M. S., Rahman Md. L., Chowdhury F. I. Comprehensive Review of Micro/Nanostructured ZnSnO3: Characteristics, Synthesis, and Diverse Applications. RSC Advances. 2023, vol. 13, pp. 30798−30837. doi: 10.1039/d3ra05481kSun S., Liang S. Morphological zinc stannate: synthesis, fundamental properties and applications // J. of Materials Chemistry A. 2017. Vol. 5, iss. 39. P. 20534−20560. doi: 10.1039/C7TA06221DSun S., Liang S. Morphological Zinc Stannate: Synthesis, Fundamental Properties and Applications. J. of Materials Chemistry A. 2017, vol. 5, iss. 39, pp. 20534−20560. doi: 10.1039/C7TA06221DРид Р. Г., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия, 1982. 592 c.Reid R. G., Prausnitz J., Sherwood Т. The Properties of Gases and Liquids. New York, McGrawHill, 1977, 688 p.Спиваковский В. Б. Аналитическая химия олова. М.: Наука, 1975. 252 с.Spivakovskij V. B. Analilicheskaya himiya olova [Analytical Chemistry of Tin]. Мoscow, Nauka, 1975, 252 p. (In Russ.)Hydroxide ZnSn(OH)6: a promising new photocatalyst for benzene degradation / X. Fu, X. Wang, Z. Ding, D. Y. C. Leung, Z. Zhang, J. Long, W. Zhang, Z. Li, X. Fu // Appl. Catalysis B: Environmental. 2009. Vol. 91, № 1. P. 67−72. doi: 10.1016/j.apcatb.2009.05.007Fu X., Wang X., Ding Z., Leung D. Y. C., Zhang Z., Long J., Zhang W., Li Z., Fu X. Hydroxide ZnSn(OH)6: a Promising New Photocatalyst for Benzene Degradation. Appl. Catalysis B: Environmental. 2009, vol. 91, no. 1, pp. 67−72. doi: 10.1016/j.apcatb.2009.05.007Effects of pH value and hydrothermal treatment on the microstructure and natural-sunlight photocatalytic performance of ZnSn(OH)6 photocatalyst / S. Dong, L. Xia, F. Zhang, F. Li, Y. Wang, L. Cui, J. Feng, J. Sun // J. of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 810. Art. № 151955. doi: 10.1016/j.jallcom.2019.151955Dong S., Xia L., Zhang F., Li F., Wang Y., Cui L., Feng J., Sun J. Effects of pH Value and Hydrothermal Treatment on the Microstructure and Natural-Sunlight Photocatalytic Performance of ZnSn(OH)6 Photocatalyst. J. of Alloys and Compounds. 2019, vol. 810, art. no. 151955. doi: 10.1016/j.jallcom.2019.151955Structural inheritance and change from ZnSn(OH)6 to ZnSnO3 compounds used for ethanol sensors: Effects of oxygen vacancies, temperature and UV on gas-sensing properties / X. Wang, X. Zhu, T. Tao, B. Leng, W. Xu, L. Mao // J. of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 829. Art. № 154445. doi: 10.1016/j.jallcom.2020.154445Structural inheritance and change from ZnSn(OH)6 to ZnSnO3 compounds used for ethanol sensors: Effects of oxygen vacancies, temperature and UV on gas-sensing properties / X. Wang, X. Zhu, T. Tao, B. Leng, W. Xu, L. Mao // J. of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 829. Art. № 154445. doi: 10.1016/j.jallcom.2020.154445ZnSn(OH)6 Photocatalyst for Methylene Blue Degradation: Electrolyte-Dependent Morphology and Performance / Z. Ren, D. Zhou, L. Zhang, M. Yu, Z. Wang, Y. Fan, D. Zhang, Q. Zhang, J. Xie // ChemistrySelect. 2018. Vol. 3, iss. 39. P. 10849–10856. doi: 10.1002/slct.201802195ZnSn(OH)6 Photocatalyst for Methylene Blue Degradation: Electrolyte-Dependent Morphology and Performance / Z. Ren, D. Zhou, L. Zhang, M. Yu, Z. Wang, Y. Fan, D. Zhang, Q. Zhang, J. Xie // ChemistrySelect. 2018. Vol. 3, iss. 39. P. 10849–10856. doi: 10.1002/slct.201802195Revealing DeNOx and DeVOC Reactions via the Study of the Surface and Bandstructure of ZnSn(OH)6 Photocatalysts / M.-T. Pham, H.-H. Tran, T.-M. T. Nguyen, D.-P. Bui, Y. Huang, J. Cao, S.-J. You, P. V. Viet, V. H. Nam, Y.-F. Wang // Acta Materialia. 2021. Vol. 215, № 4. Art. № 117068. doi: 10.1016/j.actamat.2021.117068Revealing DeNOx and DeVOC Reactions via the Study of the Surface and Bandstructure of ZnSn(OH)6 Photocatalysts / M.-T. Pham, H.-H. Tran, T.-M. T. Nguyen, D.-P. Bui, Y. Huang, J. Cao, S.-J. You, P. V. Viet, V. H. Nam, Y.-F. Wang // Acta Materialia. 2021. Vol. 215, № 4. Art. № 117068. doi: 10.1016/j.actamat.2021.117068

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