Tóm tắt: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo

Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Công trình được hoàn thành tại:

Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Nguyễn Văn Duy

2 GS.TS Hugo Minh Hung Nguyen

Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1 Vo Thanh Duoc, Dang Thi Thanh Le, Nguyen Duc Hoa,

Nguyen Van Duy, Chu Manh Hung, Hugo Nguyen, Nguyen Van Hieu, (2019), “New design of ZnO nanorods and nanowires based NO2 room temperature sensors prepared by hydrothermal

method", Journal of Nanomaterials 2019 1-9

2 Vo Thanh Duoc, Chu Manh Hung, Hugo Nguyen, Nguyen Van

Duy, Nguyen Van Hieu, Nguyen Duc Hoa, (2021), “Room temperature highly toxic NO2 gas sensors based on rootstock/scion nanowires of SnO2/ZnO, ZnO/SnO2, SnO2/SnO2 and, ZnO/ZnO”, Sensors and Actuators: B Chemical, August 25, 2021

3 Duong Thi Thuy Trang, Vo Thanh Duoc, Nguyen Xuan Thai,

Hoang Si Hong, Phung Thi Hong Van, Chu Manh Hung, Nguyen Van Duy, Nguyen Van Hieu, and Nguyen Duc Hoa, (2019)

“Hydrogen sensor operating at low temperature using SnO2/Pt thin films” Proceedings, Hội nghị vật lý chất rắn và khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 11, 2019, ISBN: 978-604-98-7506-9

4 Vo Thanh Duoc, Nguyen Xuan Thai, Nguyen Van Duy,

Nguyen Van Hieu “Fabrication of Hydrogen Gas Sensor Based on

SnO2/Pt Thin Film on Polyimide Substrate” (2018) – Proceedings, The 9th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology, IWAMSN 2018, ISBN:

978-604-973-012-2

5 Vo Thanh Duoc, Nguyen Van Hoa, Nguyen Van Duy, Nguyen

Van Hieu, (2017), “room temperature gas sensor based on polyaniline/carbon nanotubes (Pani/CNTs) nanocomposite for

ammonia detection”, Tuyển tập các bài báo Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu Toàn quốc – SPMS 2017, pages 508-511

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, sự phát triển của lĩnh vực cảm biến khí trên đế dẻo đang thu hút được sự quan tâm lớn của cộng đồng khoa học do những ứng dụng tiềm năng của chúng trong các sản phẩm điện

tử đeo tay được, trong thẻ RFID và trong bao bì thông minh cho việc giám sát chất lượng hàng hóa/ thực phẩm dễ hư hỏng Lựa chọn loại

đế dẻo và vật liệu nhạy khí tích hợp được trên đế dẻo là những thách thức chính phải đối mặt khi phát triển các cảm biến khí dạng này Ưu điểm của các loại đế dẻo là chúng rất mỏng, nhẹ, rẻ tiền, có khả năng biến dạng được, một số còn trong suốt khi ánh sáng truyền qua, nên rất phù hợp cho những ứng dụng đòi hỏi các yêu cầu này Tuy nhiên,

đa số các loại đế dẻo polyme hiện có trên thị trường, điển hình như polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyetherimide (PEI), polyphenylene sulfide (PPS), v.v, thường chỉ có thể tồn tại ổn định trong vùng nhiệt độ từ 100 oC đến 200 oC, số ít có polyimide (PI, hay còn gọi là Kapton) có khả năng chịu được nhiệt độ cao hơn (tối đa lên đến 410 oC) Dù vậy, nhiệt độ này vẫn thấp hơn nhiệt độ hoạt động tối ưu của một số vật liệu SMO, hoặc thấp hơn nhiệt độ cần thiết khi xử lý nhiệt cho các cấu trúc vật liệu nano sau khi chế tạo để vật liệu được ổn định Ngoài ra, khi chế tạo các cảm biến khí trên đế dẻo, lớp vật liệu nhạy khí có thể bị nứt, đứt gãy hoặc có thể tách rời ra khỏi đế trong quá trình xử lý nhiệt, hoặc khi đế có sự biến dạng Điều này làm hiệu suất của cảm biến giảm đi so với khi chế tạo vật liệu nhạy khí trên các loại đế cứng (silic, thủy tinh, v.v) hoặc tệ hơn là có thể làm hỏng cảm biến Vì những lý do này, các nghiên cứu trong lĩnh vực cảm biến khí trên đế dẻo thường tập trung vào việc tối

ưu hóa các cấu trúc vật liệu nhạy khí để bản thân chúng có thể hoạt động được ở nhiệt độ phòng/ tự đốt nóng, đồng thời, cảm biến có khả năng lặp lại và hoạt động ổn định khi uốn cong và/ hoặc biến dạng nhiều lần trong một giới hạn nào đó mà không bị hư hại hoặc giảm hiệu suất làm việc

Từ những phân tích trên, tác giả cùng tập thể hướng dẫn, đã lựa

chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO 2

và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng/ tự đốt nóng nhằm phát triển

cảm biến khí trên đế dẻo” Theo đó, các mục tiêu, phương pháp

nghiên cứu, ý nghĩa khoa học của hướng nghiên cứu, cùng các ý nghĩa thực tiễn và kết quả mới đạt được đã được trình bày trong luận án này

2 Mục tiêu nghiên cứu

(1) Nghiên cứu, chế tạo vật liệu có cấu trúc thanh nano và dây

nano của ô xít ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt có khả năng phát hiện được khí NO2 ở nhiệt độ phòng nhằm ứng dụng phát triển cảm biến khí trên đế dẻo

(2) Nghiên cứu, chế tạo vật liệu có cấu trúc nano rẽ nhánh giữa

dây nano ZnO và dây nano SnO2 bằng phương pháp bốc bay nhiệt hệ CVD có khả năng phát hiện được khí NO2 ở nhiệt độ phòng nhằm ứng dụng phát triển cảm biến khí trên đế dẻo

(3) Nghiên cứu, chế tạo vật liệu màng mỏng SnO2/Pt bằng phương pháp phún xạ DC trên đế dẻo Kapton có khả năng phát hiện khí H2 ở nhiệt độ phòng/ tự đốt nóng

(4) Nghiên cứu và đưa ra quy trình chế tạo các chíp cảm biến, quy

trình chế tạo vật liệu, tìm hiểu các cơ chế nhạy khí của vật liệu ở nhiệt

độ phòng/ tự đốt nóng, áp dụng giải thích các đặc trưng nhạy khí của các cảm biến chế tạo được

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Các cấu trúc thanh/ dây nano của vật liệu ZnO, SnO2, và các cấu trúc rẽ nhánh của hai vật liệu trên, cấu trúc màng mỏng SnO2, kim loại

Pt, Au, v.v;

- Các phương pháp chế tạo điện cực trên đế Silic và trên đế dẻo Kapton, các phương pháp tổng hợp vật liệu có cấu trúc nano: phương pháp thủy nhiệt, phương pháp bốc bay nhiệt bằng hệ CVD; phương pháp phún xạ DC;

- Các loại khí NO2, H2, H2S, NH3, VOCs, v.v, các tính chất hóa lý

và đặc trưng của chúng;

- Nghiên cứu tính chất nhạy khí của các vật liệu ở nhiệt độ phòng/

tự đốt nóng

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết và kế thừa các phương pháp thực nghiệm của các công trình nghiên cứu đã được các tác giả trong nhóm, trong nước và trên thế giới công bố trước đó, thu thập các tài liệu liên quan

để làm cơ sở cho việc khảo sát thực nghiệm

- Sử dụng các phương pháp thực nghiệm gồm: kỹ thuật quang khắc, phún xạ, bốc bay nhiệt bằng hệ CVD, thủy nhiệt để chế tạo cảm biến

và tổng hợp vật liệu nhạy khí trên bề mặt cảm biến

- Thống kê số liệu thực nghiệm, vẽ đồ thị, phân tích, đánh giá số liệu có được từ đó đưa ra nhận định và kết luận

- Các phương pháp khảo sát hình thái vật liệu: vi cấu trúc của vật liệu được phân tích bằng hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM), hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải cao (HR-TEM), ảnh nhiệt hồng ngoại (IR), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), phổ nhiễu

xạ tia X (XRD) và phổ quang điện tử tia X (XPS)

- Các phương pháp đo khảo sát tính chất điện và đặc tính nhạy khí của cảm biến (hệ trộn khí, buồng đo, hệ đo)

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Ý nghĩa khoa học và công nghệ: Đưa ra được quy trình chế tạo vật

liệu cấu trúc thanh/ dây nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt và các cấu trúc rẽ nhánh giữa dây nano ZnO và SnO2 chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt bằng hệ CVD trực tiếp lên trên chíp điện cực Đặc biệt, cấu trúc màng mỏng SnO2/Pt được chế tạo hoàn toàn trên đế dẻo Kapton bằng phương pháp phún xạ DC Các cảm biến có thể phát hiện được NO2 và H2 ở nhiệt độ phòng/ tự đốt nóng, các đặc trưng nhạy khí của vật liệu hoàn toàn có thể ứng dụng để phát triển các cảm biến khí trên đế dẻo Các kết quả chính của luận án được công bố trong 2 bài báo ISI uy tín và các bài báo hội nghị trong nước và hội nghị quốc tế

Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã đưa ra các phương pháp chế tạo cảm

biến, chế tạo vật liệu nano phù hợp với điều kiện công nghệ và trang thiết bị hiện có tại Việt Nam Các kết quả nghiên cứu từ luận án có thể

là tài liệu tham khảo quan trọng cho các nhà khoa học trong và ngoài nước trong việc lựa chọn các cấu trúc vật liệu nano thích hợp để phát triển cảm biến khí trên đế dẻo Điều này cũng góp phần mở ra các hướng nghiên cứu tiếp theo về cảm biến khí ở nhiệt độ phòng/ tự đốt nóng cho những cơ sở nghiên cứu chưa chủ động chế tạo được các loại điện cực trên đế silic Ngoài ra, các quy trình công nghệ chế tạo cảm biến, chế tạo vật liệu và các cơ chế nhạy khí có thể sẽ là nguồn tài liệu tham khảo cho sinh viên quan tâm đến lĩnh vực này

6 Những đóng góp mới của đề tài

- Tối ưu hóa được quy trình thủy nhiệt và chế tạo thành công các cấu trúc thanh nano và dây nano của vật liệu ZnO mọc trực tiếp lên trên chíp điện cực Các cảm biến có thể phát hiện được khí NO2 ở nhiệt

độ phòng và có tiềm năng ứng dụng phát triển các cảm biến khí trên

đế dẻo

- Tối ưu hóa được quy trình chế tạo các cấu trúc dây nano rẽ nhánh giữa hai vật liệu SnO2 và ZnO theo phương pháp bốc bay nhiệt bằng

hệ CVD Các cấu trúc gồm: SnO2/ZnO, ZnO/SnO2, SnO2/SnO2 và ZnO/ZnO Tại nồng độ 1 ppm khí NO2 ở nhiệt độ phòng, cấu trúc SnO2/ZnO cho độ đáp ứng 390 lần và có độ chọn lọc rất cao Các cấu trúc vật liệu chế tạo được phù hợp để phát triển cảm biến khí trên đế dẻo

- Bằng phương pháp phún xạ DC, chế tạo thành công cảm biến khí H2 hoạt động được ở nhiệt độ phòng/ tự đốt nóng dùng vật liệu màng mỏng SnO2/Pt trên đế dẻo Kapton Khi hoạt động theo hiệu ứng tự đốt nóng, cảm biến cho độ đáp ứng 3 lần tại nồng độ 500 ppm khí H2 với công suất tiêu thụ cực thấp (89 μW) Còn khi hoạt động dựa trên hiệu ứng Schottky, độ đáp ứng của cảm biến đạt tới 991 lần ở nồng độ 2000 ppm khí H2

- Các cấu trúc vật liệu chế tạo được có khả năng hoạt động được

ở nhiệt độ phòng/ tự đốt nóng, thích hợp cho mục tiêu phát triển cảm biến khí trên đế dẻo

7 Cấu trúc của luận án

Nội dung luận án được trình bày trong 4 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 3: Cảm biến khí NO2 hoạt động ở nhiệt độ phòng trên cơ sở vật liệu SnO2 và ZnO nhằm ứng dụng phát triển cảm biến khí trên đế dẻo

Chương 4: Cảm biến khí hydro ở nhiệt độ phòng/ tự đốt nóng dùng

vật liệu màng mỏng SnO2/Pt trên đế dẻo Kapton

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Vật liệu nhạy khí có khả năng hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ phòng/ tự đốt nóng sử dụng các cấu trúc nano của ô xít kim loại bán dẫn (SMO) nói chung (các vật liệu ô xít SnO2 và ZnO nói riêng), không chỉ cho phép các cảm biến khí sử dùng vật liệu này hoạt động

an toàn hơn trong môi trường dễ cháy nổ, mà còn giúp cảm biến tiêu thụ điện năng thấp hơn, chế tạo đơn giản hơn và nhỏ gọn hơn Các cảm biến khí thế hệ mới này có thể dễ dàng tích hợp được vào các thiết

bị di động không dây, giúp tiết kiệm năng lượng và chi phí, phù hợp

với xu hướng phát triển của công nghệ hiện đại, nhất là trong lĩnh vực internet vạn vật (IoT) đã và đang phát triển mạnh mẽ trong thập kỷ qua Đặc biệt, những vật liệu này rất phù hợp để phát triển các cảm biến khí trên đế dẻo, loại cảm biến có thể tích hợp được vào các thiết

bị điện tử thông minh đeo được, tích hợp được lên bao bì để giám sát chất lượng thực phẩm, hoặc có thể dán được lên quần áo, thậm chí là

cơ thể người đang vận động để theo dõi sức khỏe theo thời gian thực

1.1 Cảm biến khí trên đế dẻo dùng vật liệu SMO cấu trúc nano

Bảng 1.1 Một số tính chất vật lý của đế PET, PEN và PI

Vật liệu

đế Hệ số giãn nở vì nhiệt ( K -1 )

Nhiệt độ hoạt động tối đa ( o C)

Khả năng kháng ăn mòn các chất hóa học

acetone PEN (20 ÷ 21)×10-6 220 Kháng được các axít

yếu, kiềm, acetone, isopropyl

1.2 Hiện tượng hấp phụ trên bề mặt vật liệu SMO

Hình 1.1 Sơ đồ cơ chế nhạy khí của cấu trúc nano SMO loại n

1.3 Vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO 2 và ZnO thuần hoạt động ở nhiệt độ phòng/ tự đốt nóng

- Các cấu trúc nano một chiều (1-D) của vật liệu SnO2, ZnO thuần

- Cấu trúc màng mỏng của vật liệu SnO2, ZnO thuần

1.4 Vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO 2 và ZnO biến tính bằng kim loại quý hoạt động ở nhiệt độ phòng

- Vật liệu và phương pháp

- Cơ chế nhạy khí

1.5 Vật liệu nhạy khí trên cơ sở cấu trúc dị thể của vật liệu SMO hoạt động ở nhiệt độ phòng

- Cấu trúc dây nano lõi - vỏ

- Cấu trúc dây nano rẽ nhánh

- Cơ chế nhạy khí

1.6 Hiệu ứng Schottky và hiệu ứng tự đốt nóng

- Hiệu ứng Schottky cho cảm biến khí ở nhiệt độ phòng

- Hiệu ứng tự đốt nóng cho cảm biến khí ở nhiệt độ phòng

lý mẫu và các phương pháp khảo sát những thông số đặc trưng của cảm biến khí cũng được trình bày

Chi tiết quá trình thực nghiệm được trình bày:

2.1 Quy trình chế tạo các cảm biến cấu trúc 1 chiều (1D) của vật liệu ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt

2.1.1 Thực nghiệm chế tạo chíp điện cực Silic cho cảm biến

Các chíp cảm biến dùng chế tạo các cảm biến sử dụng dây/thanh nano và các cấu trúc rẽ nhánh được chế tạo theo quy trình hình 2.1 như bên dưới Theo đó, có 8 bước để thực hiện chế tạo các điện cực

Pt trên đế Silic bao gồm: (1) xử lý đế Silic, (2) ôxy hóa silic để được

lớp SiO2, (3) phủ Photoresist, (4) quang khắc, (5) hiện hình, (6) phún

xạ kim loại Cr/Pt, (7-8) lift off được điện cực mong muốn

Hình 2.1 Mô hình chíp cảm biến được chế tạo bằng điện cực Pt trên đế

silic dùng cho cảm biến cấu trúc nano 1-D

2.1.2 Thực nghiệm chế tạo cấu trúc thanh nano và dây nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt

Hình 2.2 Quá trình tổng hợp cấu trúc thanh nano và dây nano ZnO

Các cấu trúc nano 1 – D gồm thanh nano và dây nano của vật liệu ZnO được mọc trực tiếp trên chip điện cực silic bằng phương pháp thủy nhiệt ở áp suất khí quyển

2.2 Thực nghiệm chế tạo các cấu trúc dây nano rẽ nhánh theo phương pháp bốc bay nhiệt bằng hệ CVD

Để tổng hợp các cấu trúc tiếp xúc rẽ nhánh giữa hai vật liệu SnO2

và ZnO, chúng tôi đã sử dụng phương pháp bốc bay nhiệt như đã tổng hợp từng loại dây SnO2 và ZnO riêng lẻ Bốn cấu trúc rẽ nhánh chúng tôi dự định tổng hợp là:

(1) Cấu trúc rẽ nhánh SnO2/ZnO (thân là SnO2, ZnO làm nhánh) (2) Cấu trúc rẽ nhánh ZnO/SnO2 (thân là ZnO, SnO2 làm nhánh) (3) Cấu trúc rẽ nhánh SnO2/SnO2 (thân là SnO2, SnO2 làm nhánh) (4) Cấu trúc rẽ nhánh ZnO/ZnO (thân là ZnO, ZnO làm nhánh)

Hình 2.3 (A) Cấu tạo lò nhiệt CVD và (B) ảnh hệ lò nhiệt thực tế

2.2.4 Quy trình tổng hợp các cấu rẽ nhánh giữa SnO 2 và ZnO

Hình 2.4 Quy trình các bước chế tạo cấu trúc rẽ nhánh SnO 2 /ZnO

(A) Đế Silic với điện cực Pt, (B) Dây nano SnO2 được mọc trên Pt, (C) Lớp Au mỏng lắng đọng trên thân SnO2 NW làm chất xúc tác, (D) Phần nhánh ZnO NWs được mọc lên thân SnO2

2.3 Quy trình chế tạo cảm biến trên cơ sở màng mỏng SnO 2 /Pt

Quy trình chế tạo cảm biến trên cơ sở màng mỏng SnO2/Pt trên đế Kapton được chia thành 2 giai đoạn: (1) giai đoạn chế tạo chíp điện cực dẫn điện và (2) giai đoạn chế tạo màng vật liệu nhạy khí SnO2/Pt

Các bước chế tạo chíp cảm biến Pt trên đế dẻo Kapton (hình 2.5):

- Phủ Photoresist lên đế Kapton và quang khắc mask 1 (hình A)

- “Hiện hình” được hình dạng điện cực trên đế (hình B)

- Phủ kim loại Ta/Pt/ITO với chiều dày 10/70/10 nm (hình C)

- Lift – off phần kim loại thừa, được điện cực kim loại (hình D)

- Quang khắc mask 2 tạo cửa sổ (hình E)

Hình 2.5 Quy trình chế tạo cảm biến màng mỏng SnO 2 /Pt

Các bước tổng hợp màng vật liệu SnO 2 /Pt: màng vật liệu SnO2/Pt được chế tạo bằng phương pháp phún xạ, với việc thay đổi tỷ phần Ar – O2 và chiều dày màng SnO2 sẽ được các cấu trúc cảm biến màng SnO2/Pt mong muốn Cuối cùng, lift-off để được cảm biến (hình 2.5F)

2.4 Các phương pháp phân tích hình thái và vi cấu trúc

Các cảm biến sau khi chế tạo thành công được tiến hành kiểm tra hình thái sơ bộ bằng kính hiển vi quang học có độ phóng đại cao Kiểm tra hình thái bề mặt bằng ảnh SEM, TEM Kiểm tra vi cấu trúc bằng giản đồ XRD, khảo sát năng lượng liên kết và thành phần nguyên tố bằng phổ XPS, phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) Ngoài ra, các cảm biến còn được khảo sát ảnh nhiệt hồng ngoại (IR) bằng máy ảnh nhiệt hồng ngoại chuyên dụng để phân tích nhiệt độ trên bề mặt vật liệu

2.5 Khảo sát tính chất điện và tính nhạy khí của các cảm biến

Hình 2.6 là hệ buồng đo, kim đo và thiết bị đo điện trở của cảm biến Cảm biến được đặt trong buồng đo kín để có thể tiếp xúc tốt nhất với các khí cần đo Buồng đo có các ống dẫn khí vào và ống hút khí ra bên ngoài Kim đo được làm bằng loại thép đặc biệt, dùng áp vào 2 chân điện cực của cảm biến để đo sự thay đổi điện trở của cảm biến

Đầu đo này được nối ra ngoài với thiết bị đo điện trở Keithley 2700

và phần mềm đo sự thay đổi điện trở theo thời gian (R - t)

Hình 2.6 Hệ buồng đo khí tại nhóm cảm biến khí –Viện ITIMS – Đại học

Bách khoa Hà Nội (A, B) và máy đo điện trở Keithley (C)

CHƯƠNG 3 CẢM BIẾN KHÍ NO 2 HOẠT ĐỘNG Ở NHIỆT

ĐỘ PHÒNG TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU SnO 2 và ZnO NHẰM PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN KHÍ TRÊN ĐẾ DẺO

3.1 Cảm biến khí NO 2 ở nhiệt độ phòng trên cơ sở cấu trúc nano 1-D của vật liệu ZnO

3.1.1 Khảo sát hình thái của thanh nano ZnO và dây nano ZnO

Hình 3.1 Ảnh SEM của cảm biến thanh ZnO