ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ АКУСТОЭЛЕКТРОННОГО СЕНСОРА НА АЛМАЗНОЙ ПОДЛОЖКЕ ДЛЯ АНАЛИЗА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА РАСТВОРОВ И СУСПЕНЗИЙ
Аннотация
Впервые для исследования растворов и суспензий применен акустоэлектронный сенсор на алмазной подложке со структурой "Al/Al0,72Sc0,28N/Mo/(100) алмаз" с продольной объемной акустической волной в качестве операционной моды и с частотами СВЧ диапазона вплоть до 9 ГГц. Конструкция сенсора исключала воздействие исследуемых жидкостей на чувствительный элемент - тонкопленочный пьезоэлектрический преобразователь Al/Al0,72Sc0,28N/Mo. Используя акустические обертоны в окрестности частот 4,8, 5,6 и 9,3 ГГц, было исследовано изменение информативных параметров сенсора (амплитуда, добротность, коэффициент отражения) в результате нанесения водных растворов хлорида натрия (вплоть до концентрации насыщенного раствора) или глицерина (0 - 100 масс.%), а также осажденной суспензии с углеродными нанотрубками (УНТ). Обнаружено монотонное уменьшение информативных параметров сенсора с ростом концентрации растворов, а также при переходе от жидкой фракции суспензии к осушенному состоянию. Нагрузка сенсора образцами водных растворов NaCl и глицерина, или суспензии с УНТ не привела к сильному уменьшению добротности СВЧ сигнала. Для данного типа сенсора реальная точность измерения концентрации растворенного вещества на примере водных растворов хлорида натрия или глицерина составила ~1 масс.%. Минимальная проба исследованных растворов, приводящая к изменению информативных параметров сенсора, для воды оказалась равной ~0,8 мг (~8·10-4 мл). Применение монокристаллического синтетического алмаза IIa типа в качестве подложки сенсора обеспечивает высокую химическую и биологическую инертность рабочей поверхности, стойкость к температурным нагрузкам и абразивному износу и возможность многократного применения.
Для цитирования:
Сорокин Б.П., Яшин Д.В., Асафьев Н.О., Хасков М.А., Лупарев Н.В. Применение СВЧ акустоэлектронного сенсора на алмазной подложке для анализа химического состава растворов и суспензий. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 12. С. 41-50. DOI: 10.6060/ivkkt.20256812.17y.
Литература
Jinesh K.B., Frenken J.W.M. Experimental evidence for ice formation at room temperature. Phys. Rev. Lett. 2008. V. 101. P. 036101. DOI: 10.1103/PhysRevLett.101.036101.
Kringle L., Thornley W.A., Kay B.D., Kimmel G.A. Reversible structural transformations in supercooled liquid wa-ter from 135 to 245 K. Science. 2020. V. 369. P. 1490-1492. DOI: 10.1126/science.abb7542.
Myint P. C., Belof J. Rapid freezing of water under dynamic compression. J. Phys. Condens. Matter. 2018. V. 30. P. 233002. DOI: 10.1088/1361-648X/aac14f.
Pradzynski C.C., Forck R.M., Zeuch T., Slavicek P., Buck U. A fully sizeresolved perspective on the crystalliza-tion of water clusters. Science. 2012. V. 337. P. 1529-1532. DOI: 10.1126/science.1225468.
Chakraborty S., Kahan T.F. Physical characterization of frozen aqueous solutions containing sodium chloride and humic acid at environmentally relevant temperatures. ACS Earth Space Chem. 2020. V. 4. P. 305-310. DOI: 10.1021/acsearthspacechem.9b00319.
Parent P., Laffon C., Mangeney C., Bournel F., Tronc M. Structure of the water ice surface studied by x-ray ab-sorption spectroscopy at the O Kedge. J. Chem. Phys. 2002. V. 117. P. 10842-10851. DOI: 10.1063/1.1519256.
Zhu S., Bulut S., Le Bail A., Ramaswamy H.S. High-pressure differential scanning calorimetry (DCS): Equipment and technique validation using water-ice phase transition data. J. Food Process Eng. 2004. V. 27. P. 359-376. DOI: 10.1111/j.1745-4530.2004.00471.x.
Thirstrup C., Deleebeeck L. Review on electrolytic conductivity sensors. IEEE Trans. Instrumt. Meas. 2021. V. 70. P. 1008222. DOI: 10.1109/TIM.2021.3083562.
Kumar B., Rajita G., Mandal N. A review on capacitivetype sensor for measurement of height of liquid level. Meas. Control. 2014. V. 47. P. 219-224. DOI: 10.1177/0020294014546943.
Ballantine D.S., Jr, White R.M., Martin S.J., Ricco A.J., Zellers E.T., Frye G.C., Wohltjen H. Acoustic wave sensors: theory, design and physico-chemical applications. Else-vier. 1996. DOI: 10.1016/B978-0-12-077460-9.X5000-X.
Zaitsev B.D., Teplykh A.A., Borodina I.A., Kuznetsova I.E., Verona E. Gasoline sensor based on piezoelectric lat-eral electric field excited resonator. Ultrasonics. 2017. V. 80. P. 96-100. DOI: 10.1016/j.ultras.2017.05.003.
Kuznetsova I.E., Zaitsev B.D., Seleznev E.P., Verona E. Gasoline identifier based on SH0 plate acoustic waves. Ultrasonics. 2016. V. 70. P. 34-37. DOI: 10.1016/j.ultras.2016.04.016.
Pu Y.Y., O’Shea N., Hogan S.A., Tobin J.T. Assessment of a solid-state bulk acoustic wave sensor to measure viscosity of Newtonian and Non-Newtonian fluids under static and flow conditions. J. Food Eng. 2020. V. 277. P. 109917. DOI: 10.1016/j.jfoodeng.2020.109917.
Anisimkin V., Kolesov V., Kuznetsova A., Shamsutdinova E., Kuznetsova I. An analysis of the water-to-ice phase transition using acoustic plate waves. Sensors. 2021. V. 21. P. 919. DOI: 10.3390/s21030919.
Anisimkin V.I., Kuznetsova I.E., Shamsutdinova E.S. Specific features of detection of electric characteristics of conductive liquids using normal acoustic waves. J. Commun. Technol. Electron. 2022. V. 67. N 8. P. 1022-1029. DOI: 10.31857/S0033849422080022.
Anisimkin V., Shamsutdinova E., Li P., Wang B., Zhu F., Qian Z., Kuznetsova I. Selective detection of liquid vis-cosity using acoustic plate waves with inplane polarization. Sensors. 2022. V. 22. P. 2727. DOI: 10.3390/s22072727.
Smirnov A., Anisimkin V., Shamsutdinova E., Signore M.A., Francioso L., Zykov K., Baklaushev V., Kuz-netsova I. Acoustic waves in piezoelectric layered structure for selective detection of liquid viscosity. Sensors. 2023. V. 23. P. 7329. DOI: 10.3390/s23177329.
Minakov A.V., Pryazhnikov M.I., Damdinov B.B., Nemtsev I.V. Acoustic spectroscopy study of the bulk vis-cosity of nanosuspensions. Acoust. Phys. 2022. V. 68. N 2. P. 155-161. DOI: 10.31857/S0320791922020058.
Sorokin B., Asafiev N., Yashin D., Luparev N., Golo-vanov A., Kravchuk K. Microwave diamond-based HBAR as a highly sensitive sensor for multiple applications: Acous-tic attenuation in the Mo film. Sensors. 2023. V. 23. P. 4502. DOI: 10.3390/s23094502.
Ates M., Eker A.A., Eker B. Carbon nanotube-based nano-composites and their applications. J. Adhes. Sci. Technol. 2017. V. 31. N 18. P. 1977-1997. DOI: 10.1080/01694243.2017.1295625.
Sundqvist B. Carbon under pressure. Phys. Rep. 2021. V. 909. P. 1-73. DOI: 10.1016/j.physrep.2020.12.007.
Shvyd’ko Yu., Stoupin S., Blank V., Terentyev S. Near-100% Bragg reflectivity of X-rays. Nat. Photonics. 2011. V. 5. P. 539-542. DOI: 10.1038/NPHOTON.2011.197.
Teshigahara A., Hashimoto K.Y., Akiyama M. Scandium aluminum nitride: Highly piezoelectric thin film for RF SAW devices in multi GHz range. Proc. of 2012 IEEE Int. Ultrason. Symp. Dresden, Germany, October 7-10, 2012. P. 1-5. DOI: 10.1109/ULTSYM.2012.0481.
Sorokin B.P., Kvashnin G.M., Telichko A.V., Gordeev G.I., Burkov S.I., Blank V.D. Study of high-overtone bulk acoustic resonators based on the Me1/AlN/Me2/(100) diamond piezoelectric layered structure. Acoust. Phys. 2015. V. 61. N 4. P. 422-433. DOI: 10.7868/S0320791915030168.
Sorokin B.P., Asafiev N.O., Ovsyannikov D.A., Kvashnin G.M., Popov M.Yu., Luparev N.V., Golovanov A.V., Aksenenkov V.V., Blank V.D. Method of microwave acoustic research of materials under the high pressure. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 11. P. 49-58 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20226511.4y.
Sorokin B.P., Kvashnin G.M., Luparev N.V., Asafiev N.O., Scherbakov D.A. Studying microwave acoustic sen-sors based on synthetic diamond substrates. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 12. P. 63-70 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20206312.10у.
Naumova V.A., Mordkovich V.Z., Khaskov M.A., De V.V., Kulnitskiy B.A., Karaeva A.R. The role of water in the process of demetallization of products of the catalytic synthesis of long carbon nanotubes. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 10. P. 66-74 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236610.5y.
Rabinovich V.A., Havin Z.Ya. Brief chemical handbook. L.: Khimiya. 1978. 392 p. (in Russian).
Mishchenko K.P., Ravdel A.A. Brief handbook of physical and chemical quantities. L.: Khimiya. 1974. 200 p. (in Russian).
Chubik I.A, Maslov A.M. Handbook of thermophysical characteristics of food products and semi-finished products. M.: Pishchevaya promishlenost. 1970. 184 p. (in Russian).
