- 13 1.1.3 Các đặc trưng của cảm biến khí. - 34 2.3.2 Chế tạo cảm biến dựa trên tiếp xúc giữa CNTs và dây nano SnO2. - 47 3.2 Kết quả khảo sát nhạy khí của các cảm biến SnO2 NWs và CNTs. - 48 3.2.2 Khảo sát độ nhạy khí của các cảm biến. - 51 3.3.2 Khảo sát nhạy khí của cảm biến có cấu trúc bắc cầu. - 68 5 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô hình cấu trúc ô đơn vị của SnO2 [7. - 12 Hình 1.2 Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu SnO2 [7. - 13 Hình 1.3 Mô hình giải thích sự tăng điện trở của màng cảm biến với dây nano. - 14 Hình 1.4 Cơ chế nhạy khí H2S của tinh thể SnO2 [6. - 15 Hình 1.5 Sự phụ thuộc của độ nhạy theo nhiệt độ làm việc [9. - 18 Hình 1.6 Cấu trúc của ống nano carbon đơn vách [5. - 19 Hình 1.7 Ống nanô các bon đơn vách SWCNTs và đa vách MWCNTs [5. - 20 Hình 1.8 Sơ đồ vùng năng lượng. - 21 Hình 1.9 Sơ đồ năng lượng của hai mẫu bán dẫn riêng biệt loại n và loại p. - 22 Hình 1.10 Sơ đồ năng lượng của chuyển tiếp p – n dị chất đột biến lý tưởng giữa hai bán dẫn. - 23 Hình 1.11 Sơ đồ tiếp xúc kim loại – bán dẫn loại n. - 24 Hình 1.12 Sơ đồ tiếp xúc kim loại bán dẫn loại p. - 25 Hình 1.13 Đặc trưng I-V. - 26 Hình 1.14 Logarit đường cong I-V của GaAs / SWCNTs[8. - 27 Hình 1.15 Sơ đồ mạch và đặc trưng I-V của cấu trúc Diode. - 28 Hình 1.16 Sự tạo thành rào thế giữa SWCNTs và SnO2. - 30 Hình 1.17 Sự tồn tại của tạp chất SWCNTs trong màng vật liệu. - 30 Hình 1.18 Mô hình cấu trúc cảm biến Bắc cầu (a) và Diode (b. - 31 Hình 2.1 Hệ lò CVD nhiệt tại ITIMS và sơ đồ mô tả nó. - 32 Hình 2.2 Quy trình mọc dây nano SnO2 trên điện cực Pt. - 34 Hình 2.3 Quy trình chế tạo điện cực. - 38 Hình 2.4 Mô hình cảm biến dựa trên tiếp xúc giữa CNTs và dây nano SnO2. - 39 Hình 2.5 Mô hình cấu trúc các cảm biến. - 40 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý trộn khí. - 41 Hình 2.7 Giao diện của màn hình đo điện trở theo thời gian và khảo sát. - 42 Hình 3.1 Ảnh FESEM dây nano SnO2 NWs mọc trên điện cực Pt. - 44 6 Hình 3.2 Hình thái của hai loại ống nano carbon khi đã được phun lên điện cực Pt 45 Hình 3.3 Ảnh FESEM kết hợp giữa SnO2 NWs/CNTs. - 46 Hình 3.4 Phổ Raman của CNTs tại khe điện cực (a), và CNTs nằm trên SnO2 tại răng lược (b. - 47 Hình 3.5 Đặc trưng I-V của các cảm biến khảo sát với khí NO2 ở cùng nhiệt độ. - 49 Hình 3.6 Khảo sát điện trở theo thời gian của các cảm biến với khí NO2. - 49 Hình 3.7 Khảo sát điện trở theo thời gian của cảm biến dây nano SnO2. - 50 Hình 3.8 Khảo sát nhạy khí SnO2 NWs ở dải nhiệt độ 150 °C đến 300 °C. - 51 Hình 3.9 Khảo sát đặc trưng I-V của cảm biến ở các dải nhiệt độ. - 52 Hình 3.10 Khảo sát độ nhạy khí theo thời gian ở 200oC với điện áp khác nhau. - 53 Hình 3.11 Khảo sát độ nhạy khí của cảm biến SWCNT/SnO2 NWs ở nhiệt độ khác nhau nhưng cùng điện áp. - 54 Hình 3.12 Đặc trưng I-V của cảm biến MWCNT/SnO2 NWs tại các nhiệt độ khác nhau. - 55 Hình 3.13 Khảo sát đặc trưng I-V của cảm biến MWCNT/SnO2 NWs. - 56 Hình 3.14 Khảo sát độ nhạy khí theo thời gian ở cùng điện áp – 0,1 V. - 57 Hình 3.15 Khảo sát đặc trưng I-V của cảm biến SWCNT/SnO2 NWs ở 100 oC. - 58 Hình 3.16 Khảo sát độ nhạy với theo thời gian của cảm biến SWCNT/SnO2 NWs ở dải nhiệt độ 100, 150 oC. - 59 Hình 3.17 Khảo sát độ nhạy với 250 ppb NO2 ở các nhiệt độ. - 60 Hình 3.18 Đặc trưng I-V của cảm biến MWCNT/SnO2 NWs. - 61 Hình 3.19 Khảo sát độ nhạy theo thời gian ở các nhiệt độ khác nhau. - 62 Hình 3.20 Cảm biến khảo sát độ nhạy khí theo nồng độ. - 63 Hình 3.21 Mô hình cấu trúc của cảm biến và sơ đồ vùng năng lượng của hai tiếp xúc Schottky CNTs và dây nano SnO2 trong môi trường không khí và môi trường NO2 khi chưa có điện áp đặt vào. - 64 Hình 3.22 Mô hình tiếp Schottky giữa CNTs và dây nano SnO2 của cấu trúc bắc cầu, cấu trúc Diode. - Do vậy thế giới ngày càng chú trọng nghiên cứu và chế tạo cảm biến khí. - Muốn chế tạo được thiết bị cảm biến khí, việc nghiên cứu vật liệu nhạy khí là một yêu cầu trước tiên cần phải thực hiện. - Cần phải lựa chọn vật liệu cũng như nghiên cứu các qui trình công nghệ chế tạo để cảm biến hoạt động tốt với độ nhạy và độ ổn định cao. - Cảm biến khí được chế tạo trên cấu trúc tiếp xúc giữa CNTs và bán dẫn. - 9 2 Lịch sử nghiên cứu Các tiếp xúc dị thể ứng dụng cho cảm biến khí từ lâu đã được nghiên cứu trên thế giới. - Chế tạo thành công các cảm biến dựa trên vật liệu CNTs theo các cấu trúc khác nhau (cảm biến CNTs không pha tạp. - cảm biến dựa trên tiếp xúc giữa CNTs và dây nano SnO2) và khảo sát tính nhạy khí NO2 của các cảm biến đã chế tạo tìm điều kiện hoạt động tối ưu của các cảm biến. - Cơ chế nhạy khí của cảm biến dựa trên sự thay đổi hạt tải, độ cao rào thế Schottky khi khí tương tác với bề mặt cảm biến. - Phương pháp thực nghiệm chế tạo cảm biến khí trên cơ sở vật liệu lai dây nano ôxit kim loại và ống nano carbon và khảo sát tính nhạy khí của chúng. - Chúng tôi chế tạo các cảm biến dựa trên hệ vật liệu lai với các cấu trúc khác nhau, khảo sát tính nhạy khí của cảm biến bằng cách đo sự thay đổi của điện trở và khảo sát đặc trưng I-V tìm ra nhiệt độ và điện áp làm việc tối ưu của cảm biến. - Hình 1.1 Mô hình cấu trúc ô đơn vị của SnO2 [7]. - Độ linh động của điện tử ở đáy vùng dẫn là 160 cm2 /V.s ở điều kiện nhiệt độ phòng Hình 1.2 Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu SnO Đặc tính nhạy khí của vật liệu SnO2 Các cơ chế nhạy khí của vật liệu dây nano SnO2 Các kết quả nghiên cứu khảo sát cho thấy dây nano SnO2 có cấu trúc tinh thể trùng khớp với pha rutile của nó ở dạng khối. - Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên sự thay đổi độ dẫn (điện trở) khi có khí tiếp xúc trên bề mặt vật liệu. - Cơ chế nhạy khí đối với khí oxy hóa có khả năng nhận điện tử được mô tả như sau: Hình 1.3 Mô hình giải thích sự tăng điện trở của màng cảm biến với dây nano SnO2 khi hấp phụ NO2. - Khi tiếp xúc với các khí khử như H2S, oxi hấp thụ trên bề mặt sẽ phản ứng hóa học hình 1.4(b), trả lại các electron. - Hình 1.4 Cơ chế nhạy khí H2S của tinh thể SnO2 [6]. - Rgas là điện trở màng cảm biến khi xuất hiện khí thử (Rg. - Tính chọn lọc: Là khả năng nhạy của cảm biến đối với một số loại khí xác định. - Nồng độ của các khí không cần xác định có ít ảnh hưởng đến sự thay đổi của cảm biến. - Tính ổn định: Là khả năng làm việc ổn định của cảm biến sau thời gian dài sử dụng. - 18 Hình 1.5 Sự phụ thuộc của độ nhạy theo nhiệt độ làm việc [9] Sự phụ thuộc vào nhiệt độ này có thể do nhiều nguyên nhân. - Hình 1.8 Sơ đồ vùng năng lượng Chuyển tiếp p – n giữa hai bán dẫn có các yếu khác nhau Eg, χ, Φ. - Hình 1.9 Sơ đồ năng lượng của hai mẫu bán dẫn riêng biệt loại n và loại p (trước khi chúng tiếp xúc với nhau. - Hình 1.10 Sơ đồ năng lượng của chuyển tiếp p – n dị chất đột biến lý tưởng giữa hai bán dẫn. - Tiếp xúc giữa kim loại và bán dẫn loại n Trường hợp công thoát của bán dẫn ФS lớp hơn công thoát của kim loại Фm ( hình 1.11a. - Hình 1.11 Sơ đồ tiếp xúc kim loại – bán dẫn loại n. - Trường hợp Trường hợp công thoát của bán dẫn ФS nhỏ hơn công thoát của kim loại Фm (hình 1.11b). - Hình 1.12 Sơ đồ tiếp xúc kim loại bán dẫn loại p a )trường hợp Фs > Фm. - Điều này có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực cảm biến. - Hình 1.13 Đặc trưng I-V 27 Hình 1.13(a) là hình ảnh mầu AFM của lớp tiếp xúc GaAs/SWCNTs. - Hình 1.14 Logarit đường cong I-V của GaAs / SWCNTs[8] Hình 1.14(a) n-GaAs/SWCNTs. - Hình 1.15 Sơ đồ mạch và đặc trưng I-V của cấu trúc Diode Hình 1.15(a) Sơ đồ mạch của diode và hướng FET phụ thuộc CNTs Schottky sử dụng Pd và Al. - Để tiến hành được nghiên cứu này, chúng tôi đã thiết kế 2 cấu trúc cảm biến là bắc cầu hình 1.18(a) và Diode hình 1.18(b). - Hình 1.18 Mô hình cấu trúc cảm biến Bắc cầu (a) và Diode (b). - Cài đặt chu trình nhiệt như (hình 2.2) Qui trình chế tạo dây nano SnO2 ở nhiệt độ là 750 oC . - Hình 2.2 Quy trình mọc dây nano SnO2 trên điện cực Pt Qui trình chế tạo dây nano chia ra thành 4 giai đoạn được mô tả như sau: Giai đoạn 1: Làm sạch lò và tạo chân không trong ống thạch anh để bốc bay Bật bơm chân không để hút sạch khí trong ống thạch anh trong thời gian 10 phút. - 2.3.2 Chế tạo cảm biến dựa trên tiếp xúc giữa CNTs và dây nano SnO2 Có hai loại ống nano các bon ( CNTs) đó là ống nano carbon đơn vách SWCNTs (Single-wallcarbon nanotubes) và ống nano carbon đa vách MWCNTs ( Mullti-wall carbon nanotubes) như được mô tả ở phần 1.2 của tổng quan. - 2.3.2.1 Cấu tạo của cảm biến a. - Sau đó ủ nhiệt ở 350 oC trong thời gian 5h để ổn định cảm biến. - b ) Chế tạo cảm biến dựa trên tiếp xúc CNTs và dây nano SnO2 Sau khi phun CNTs lên điện cực đã mọc dây nano SnO2, cảm biến được ủ ở nhiệt độ 350 oC trong vòng 5 giờ để đảm bảo cho cảm biến được ổn định, kiểm tra bằng Raman và được sử dụng để khảo sát tính nhạy khí. - Để so sánh hoạt động của các cảm biến dựa trên các cấu trúc tiếp xúc dị thể với các cảm biến sử dụng vật liệu thuần, chúng tôi đã chế tạo và khảo sát các cảm biến như mô hình cấu trúc dưới đây. - 40 (a) (b) (c) Hình 2.5 Mô hình cấu trúc các cảm biến Hình 2.5(a) Cảm biến dây nano SnO2, cảm biến CNTs không pha tạp, (b) Cảm biến có cấu trúc Diode trước và sau khi phun CNTs, (c) Cảm biến có cấu trúc Bắc cầu trước và sau khi phun CNTs. - 2.4 Khảo sát tính nhạy khí Chúng tôi khảo sát tính nhạy khí của các cảm biến được chế tạo theo các cấu trúc trên với khí NO2 ở các nhiệt độ và lưu lượng khí khác nhau bằng cách đo sự thay đổi điện trở và đặc tính I-V của cảm biến. - Đầu đo: áp vào 2 điện cực để đo điện trở của cảm biến. - Giao diện của phần mềm này như trên hình 2.5 42 Hình 2.7 Giao diện của màn hình đo điện trở theo thời gian và khảo sát đặc trưng I-V của cảm biến khí khi có khí thổi vào . - Khảo sát khả năng nhạy khí NO2 của cảm biến dây nano SnO2 chưa biến tính ở các nhiệt độ oC. - Khảo sát đặc tính nhạy khí của cảm biến dây nano SnO2 khi đã phun CNTs lên điện cực với khí NO2 ở các nồng độ khác nhau và các dải nhiệt độ từ 100 oC đến 300 oC . - Từ đây chúng tôi lựa chọn các điện cực khoảng cách răng lược 100 m để chế tạo các cảm biến có cấu trúc bắc cầu bằng cách phun phủ vật liệu CNTs. - Với các cảm biến có cấu trúc Diode thì một phía của điện cực Pt được che phủ để dây nano SnO2 không mọc lên trên
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt