Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm chế tạo được các cấu trúc dị thể của SnO2 và ống nano carbon (CNTs). Khảo sát được tính chất nhạy khí, tính chất điện và có những hiểu biết sâu sắc về cơ chế nhạy khí của chuyển tiếp dị thể giữa dây nano SnO2 và CNTs.
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Quản Thị Minh Nguyệt
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ CỦA CÁC CẤU TRÚC DỊ THỂ CỦA SnO2
Trang 2Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
GS.TS Nguyễn Văn Hiếu
Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Năng Định
Phản biện 2: GS.TS Lưu Tuấn Tài
Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Văn Hùng
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2 Thư viện Quốc gia Việt Nam
Trang 3DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1 Quan Thi Minh Nguyet, Nguyen Van Duy, Nguyen Thi
Phuong, Nguyen Ngoc Trung, Chu Manh Hung, Nguyen
Duc Hoa, Nguyen Van Hieu (2017) Chemical Superior
enhancement of NO 2 gas response using n-p-n transition of carbon nanotubes/SnO 2 nanowires heterojunctions,
Sensors Actuators B Chem., 238, pp 1120-1127 [IF2017: 5.66]
2 Quan Thi Minh Nguyet, Nguyen Van Duy, Chu Manh
nanowires/carbon nanotubes heterojunctions based NO 2
gas sensors, Journal of Science & Technology, 118, pp
036-039
3 Quan Thi Minh Nguyet, Nguyen Van Duy, Nguyen Duc
Hoa, Dang Thi Thanh Le and Nguyen Van Hieu
Schottky junctions made of SnO 2 nanowires and MWCNTs,
solid state physics and materials science, pp 416-419
4 Quan Thi Minh Nguyet, Nguyen Van Duy, Chu Manh
Hung, Nguyen Duc Hoa and Nguyen Van Hieu (2018)
Ultrasensitive NO 2 gas sensors using hybrid heterojunctions of multi-walled carbon nanotubes and on- chip grown SnO 2 nanowires, Appl Phys Lett 112, 153110
[IF2017: 3.49, Nature index]
Trang 41
GIỚI THIỆU CHUNG
1 Lý do chọn đề tài
Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang diễn ra mang lại nhiều
cơ hội và thách thức cho nhân loại Sự kết hợp của công nghệ trong các lĩnh vực vật lý, công nghệ số và sinh học sẽ tạo ra những thay đổi lớn, ảnh hưởng mạnh mẽ đến cuộc sống của con người Công nghệ
số của cách mạng 4.0 dựa trên ba nền tảng chính là Trí tuệ nhân tạo (AI), Kết nối vạn vật (Internet of Things) và Dữ liệu lớn (Big Data) Trong đó, Kết nối vạn vật đang thúc đẩy những nghiên cứu sâu rộng
về nhiều loại thiết bị cảm biến hóa học cho phép thu thập và trao đổi
dữ liệu, mở ra những xu hướng phát triển mới trong nhiều lĩnh vực [69] [82] Vai trò của các loại cảm biến và đặc biệt là cảm biến khí đang trở nên quan trọng trong việc nâng cao chất lượng cuộc sống của con người Tốt hơn, an toàn và dễ dàng hơn là những lợi ích mà cảm biến khí đem lại trong việc kiểm soát chất lượng không khí, quan trắc môi trường, cảnh báo các khí độc hại và dễ cháy nổ, chẩn đoán y tế, kiểm tra thực phẩm… Để tạo ra các thế hệ cảm biến khí thông minh trong cách mạng công nghiệp 4.0, cần thiết phải có những vật liệu nhạy khí ưu việt hơn, đặc biệt là khả năng phát hiện khí nồng độ thấp, hoạt động ở nhiệt độ thấp, tiêu thụ công suất thấp,
dễ dàng tích hợp trong các mạch điện tử và giá thành rẻ Các vật liệu ôxít kim loại bán dẫn đã được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực cảm biến khí do có những đặc trưng nhạy khí tốt, giá thành rẻ và công nghệ chế tạo đơn giản [89] Cho đến nay, nhiều cấu trúc nano khác nhau của các ôxít kim loại bán dẫn đã được nghiên cứu chế tạo nhằm cải thiện đặc trưng của cảm biến khí như dây nano, thanh nano, ống nano, hạt nano và các cấu trúc nano dị thể [35] [57] [19] [40] [47] Tuy nhiên, các cảm biến khí trên cơ sở ôxít kim loại bán dẫn thường hoạt động ở nhiệt độ cao (lớn hơn 100 oC) [69] [76] Việc phát hiện ra các vật liệu nano carbon như ống nano carbon (CNTs), graphene với nhiều tính chất vật lý, hoá học và cơ học đặc biệt đã mở
ra những hướng nghiên cứu mới [54] Các vật liệu nano carbon với
độ dẫn điện tốt ở nhiệt độ phòng, diện tích bề mặt riêng lớn, có khả năng nhạy với nhiều loại khí ở nhiệt độ phòng rất thích hợp để phát triển cảm biến khí hoạt động ở nhiệt độ thấp [45] Tuy nhiên, do năng lượng liên kết giữa các phân tử khí với các vật liệu nano carbon
là khá lớn [99], các phân tử khí hấp phụ rất khó để giải hấp, dẫn đến cảm biến thường có thời gian hồi phục rất lớn [25] [45] Các kết quả nghiên cứu vật liệu lai giữa nano ôxít kim loại bán dẫn với vật liệu
Trang 5nano carbon như pha tạp, composite, cấu trúc lõi vỏ, chuyển tiếp dị thể cho thấy khả năng cải thiện đặc trưng nhạy khí so với các vật liệu riêng lẻ [55] [98] [28] Trong đó, các cấu trúc chuyển tiếp dị thể trên cơ sở nano ôxít kim loại và vật liệu nano carbon thể hiện nhiều tính chất thú vị, thu hút sự quan tâm nghiên cứu trong nhiều ứng dụng [2] [64] [101] Các vật liệu nano carbon có thể thể hiện tính chất bán dẫn loại p hoặc kim loại tuỳ thuộc vào cấu trúc [8] nên chuyển tiếp giữa vật liệu nano carbon và các ôxít kim loại bán dẫn có thể là p-n hoặc Schottky Do sự chênh lệch công thoát điện tử giữa hai loại vật liệu, các chuyển tiếp này thường tồn tại rào thế, dưới tác động của một tác nhân bên ngoài sẽ làm thay đổi rất mạnh tính chất điện của hệ theo hàm mũ Đây chính là tiền đề để ứng dụng các chuyển tiếp dị thể nano cho một số loại cảm biến có độ nhạy cao, đáp ứng nhanh và hoạt động ở nhiệt độ thấp
Từ những phân tích trên, chúng tôi đã chọn đề tài nghiên cứu:
“Nghiên cứu chế tạo và tính chất nhạy khí của các cấu trúc dị thể của SnO2 và ống nano carbon”
2 Mục tiêu nghiên cứu
- Chế tạo được các cấu trúc dị thể của SnO2 và ống nano carbon (CNTs)
- Khảo sát được tính chất nhạy khí, tính chất điện và có những hiểu biết sâu sắc về cơ chế nhạy khí của chuyển tiếp dị thể giữa dây nano SnO2 và CNTs
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Chế tạo, khảo sát tính chất nhạy khí của các chuyển tiếp giữa dây nano SnO2 và một số loại CNTs có đường kính khác nhau
- Khảo sát tính chất điện của chuyển tiếp SnO2/CNTs, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất nhạy khí và giải thích cơ chế nhạy khí của chuyển tiếp dị thể
4 Phương pháp nghiên cứu
Luận án được thực hiện dưa trên các phương pháp thực nghiệm Dây nano SnO2 được mọc trực tiếp lên điện cực Pt bằng phương pháp CVD nhiệt Vật liệu ống nano carbon chất lượng cao được mua ở dạng thương phẩm Các chuyển tiếp dị thể được chế tạo bằng cách phủ CNTs lên trên điện cực đã mọc dây nano SnO2 bằng phương pháp phun phủ hoặc nhúng phủ Các tính chất cơ bản của vật liệu như hình thái, vi cấu trúc được nghiên cứu bằng các phương pháp phân tích như SEM, Raman Tính chất điện của các chuyển tiếp
dị thể được phân tích bằng phương pháp đo đặc trưng I-V, phổ tổng
Trang 63
trở IS Các vi điện cực cũng như linh kiện cảm biến khí được chế tạo bằng công nghệ vi điện tử truyền thống như phương pháp quang khắc, phún xạ và ăn mòn Tham số nhiệt độ có thể được điều khiển thay đổi trong quá trình đo Tính chất nhạy khí của các chuyển tiếp được nghiên cứu bằng kỹ thuật đo động (gas flow-through technique)
sử dụng khí chuẩn có các giá trị nồng độ biết trước
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Các kết quả nghiên cứu của luận án đóng góp hiểu biết chung vào cộng đồng khoa học về cơ chế nhạy khí của các chuyển tiếp dị thể Đồng thời, luận án cũng chứng minh được tiềm năng ứng dụng của các chuyển tiếp SnO2/CNTs trong cảm biến khí có độ đáp ứng cao và giới hạn phát hiện ở nồng độ rất thấp tại nhiệt độ phòng Hơn thế nữa, các kết quả nghiên cứu đã được phản biện bởi các nhà khoa học trong và ngoài nước, được công bố trên các tạp chí chuyên ngành uy tín như Sensors and Actuator B và Applied Physics Letters Điều này cho thấy, nội dung của luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn không chỉ trong nước mà trong cả cộng đồng khoa học quốc tế
6 Những đóng góp mới của đề tài
- Thiết kế và chế tạo thành công các chuyển tiếp dị thể kép SnO2/CNTs/SnO2 cho ứng dụng nhạy khí Cấu trúc của cảm biến cho phép dễ dàng mọc dây nano trực tiếp trên các điện cực Pt răng lược, sau đó phủ CNTs để tạo thành chuyển tiếp Cảm biến trên cơ sở các chuyển tiếp SnO2/CNTs/SnO2 có độ đáp ứng vượt trội so với các vật liệu SnO2 và CNTs riêng lẻ và có khả năng phát hiện khí NO2 ở nồng
độ thấp cỡ ppb
- Chế tạo thành công các chuyển tiếp dị thể SnO2/MWCNTs
có khả năng tăng cường mạnh mẽ độ đáp ứng với khí NO2 Các cảm biến trên cở sở chuyển tiếp dị thể đơn giữa SnO2 và các loại MWCNTs có đường kính khác nhau đều cho độ đáp ứng rất cao với khí NO2 ở các nồng độ dưới 1 ppm tại 50 oC khi chuyển tiếp hoạt động ở chế độ phân cực ngược Độ đáp ứng của cảm biến trên cơ sở chuyển tiếp SnO2/MWCNTs(d: 20-40 nm) với 1 ppm khí NO2 lên tới
11300, cao gấp khoảng 100 lần so chuyển tiếp dị thể kép SnO2/MWCNTs(d: 20-40 nm)/SnO2 Hơn thế nữa, cảm biến chế tạo được có giới hạn đo khí ở nồng độ rất thấp cỡ 0,68 ppt
- Đã giải thích cơ chế nhạy khí của chuyển tiếp SnO2/CNTs dựa trên sự thay đổi rào thế và các trạng thái tâm bắt điện tích (nút khuyết ôxy trên bề mặt dây nano SnO2) tại tiếp xúc giữa hai vật liệu
Trang 77 Cấu trúc của luận án: Gồm 4 chương
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Cơ sở lý thuyết chuyển tiếp dị thể
1.1.1 Chuyển tiếp Schottky
1.2 Tổng quan cảm biến khí trên cơ sở chuyển tiếp dị thể
Gần đây, do nhiều tính chất vật lý thú vị, các chuyển tiếp dị thể giữa dây nano ôxít kim loại bán dẫn và CNTs đang thu hút được quan tâm nghiên cứu ứng dụng trong nhiều loại linh kiện điện tử mới [64] bao gồm điốt hay siêu tụ trên đế có khả năng uốn dẻo [2] [13] [65] [68] [94], các thiết bị điện hoá [59], phát xạ trường [91] Tuy nhiên, các cấu trúc này chưa thực sự được quan tâm nghiên cứu trong ứng dụng cảm biến khí Mới chỉ có một số ít công trình nghiên cứu cảm biến khí trên cơ sở các chuyển tiếp giữa dây nano và CNTs Nghiên cứu của tác giả Dai và cộng sự cho thấy chuyển tiếp dị thể giữa thanh nano α- Fe2O3 và CNTs có độ nhạy cao với khí aceton và giới hạn phát hiện tới nồng độ 500 ppb [21] Nghiên cứu khác của tác giả Lupan và cộng sự cho thấy chuyển tiếp giữa dây nano ZnO và CNTs có thể phát hiện khí NH3 tại nhiệt độ phòng với giới hạn phát hiện là 400 ppb [51] Nghiên cứu của tác giả Li và cộng sự cho thấy khả năng nhạy khí NO2 ở nhiệt độ phòng của cảm biến trên cơ sở chuyển tiếp giữa dây nano ZnO và điện cực tạo bởi kim loại m-SWCNTs [48] Các kết quả nghiên cứu trong công trình này cho thấy chuyển tiếp ZnO/m-SWCNTs có đặc trưng nhạy khí tốt hơn so với chuyển tiếp ZnO/Au do sự hình thành rào thế Schottky tại tiếp xúc ZnO/m-SWCNTs Độ đáp ứng của cấu trúc ZnO/m-SWCNTs với 2,5 ppm khí NO2 tại nhiệt độ phòng đạt khoảng 52 %
Trang 85
Các chuyển tiếp dị thể, đặc biệt là chuyển tiếp giữa dây nano ôxít kim loại bán dẫn và CNTs có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong việc cải thiện các đặc trưng nhạy khí của cảm biến, trong đó nhiều cấu trúc có khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp Hướng nghiên cứu phát triển các cấu trúc này trong ứng dụng nhạy khí hứa hẹn nhiều triển vọng Chính vì thế, luận án tập trung nghiên cứu nhằm chế tạo được các chuyển tiếp dị thể giữa dây nano ôxít kim loại với CNTs tạo tiền đề phát triển các cảm biến hoạt động ở nhiệt độ thấp, có độ nhạy cao và giới hạn phát hiện khí nồng độ thấp
1.3 Cơ chế nhạy khí của các chuyển tiếp dị thể
Cho đến nay có rất nhiều cấu trúc lai của nhiều loại vật liệu khác nhau đã được nghiên cứu chế tạo Các kết quả nghiên cứu đều chỉ ra các cấu trúc dị thể có khả năng cho những đặc trưng nhạy khí vượt trội so với vật liệu riêng lẻ Để giải thích cơ chế nhạy khí của các cấu trúc này, hầu hết các công trình nghiên cứu đều cho rằng sự thay đổi chiều cao rào thế tại tiếp xúc giữa hai vật liệu đóng vai trò quyết định đến tính chất nhạy khí
Một mô hình nhạy khí khác của cấu trúc chuyển tiếp Schottky Pd-SiO2-Si do B.Keramati và J.N.Zemel [6] đưa ra có liên quan đến dòng xuyên hầm của hạt tải qua các vị trí các tâm bắt điện tích tại tiếp xúc giữa hai vật liệu Trong nghiên cứu này, các tác giả khẳng định sự nhạy khí H2 liên quan đến ít nhất là hai loại tâm bắt ứng với mức năng lượng xấp xỉ 0,65 eV và 0,4 eV dưới đáy vùng dẫn với mật độ bão hoà cỡ 2.1012 cm-2
1.4 Kết luận chương 1
Trong chương này, chúng tôi đã tổng quan những cơ sở lý thuyết cơ bản của chuyển tiếp dị thể để hiểu rõ về rào thế và những yếu tố ảnh hưởng đến chiều cao rào thế của chuyển tiếp, hiểu được các cơ chế dòng đóng góp vào dòng điện qua chuyển tiếp Mặt khác, tình hình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực của để tài cũng được tổng hợp nhằm làm rõ tiềm năng ứng dụng của các chuyển tiếp dị thể trong lĩnh vực cảm biến khí
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Mô hình cấu trúc chuyển tiếp SnO2/CNTs/SnO2 và SnO2/CNTs
Trong cấu trúc dị thể kép SnO2/CNTs/SnO2, dây nano SnO2
được chế tạo trực tiếp trên hai cực Pt có phủ xúc tác Au bằng phương pháp CVD nhiệt (Hình 2.1b) Trong cấu trúc SnO2/CNTs dây nano SnO2 chỉ được chế tạo trên một một bên điện cực (Hình 2.1d) Sau
Trang 9đó CNTs được phủ lên các điện cực đã mọc dây nano để tạo thành các chuyển tiếp (Hình 2.1 c, e)
Hình 2.1 Các bước chế tạo các chuyển tiếp SnO 2 /CNTs/SnO 2 và
SnO 2 /CNTs trên điện cực Pt
2.2 Hoá chất
Hoá chất được sử dụng trong luận án bao gồm bột Sn, bột CNTs đường kính khác nhau, chất hoạt động bề mặt P123, isopropanol, nước khử ion, aceton, khí ôxy, argon…
2.3 Phương pháp chế tạo dây nano SnO2
2.3.1 Thiết bị
Luận án sử dụng hệ CVD nhiệt bao gồm lò nhiệt, buồng phản ứng là ống thạch anh, hệ điều khiển lưu lượng khí, bơm chân không, đầu đo chân không
2.3.2 Quy trình chế tạo dây nano SnO2 trực tiếp trên điện cực
Trong nghiên cứu này, dây nano SnO2 đã được mọc trực tiếp trên điện cực Pt phủ xúc tác Au bằng phương pháp CVD nhiệt từ vật liệu nguồn là bột Sn tinh khiết (Merck; 99,8%) Với nhiệt độ chế tạo
là 750 oC, lưu lượng O2 0,3- 0,5 sccm, áp suất 10-2 Torr
2.4 Chế tạo chuyển tiếp dị thể giữa dây nano SnO2 và CNTs
Các chuyển tiếp dị thể SnO2/CNTs có thể được chế tạo bằng phương pháp nhúng phủ, phun phủ điện cực đã mọc dây SnO2 với dung dịch chứa CNTs phân tán hoặc tổng hợp trực tiếp CNTs trên điện cực bằng phương pháp hồ quang điện
Trang 107
2.5 Khảo sát các tính chất của các chuyển tiếp SnO2/CNTs
2.5.1 Phân tích hình thái và khảo sát tính chất điện của chuyển tiếp Trong các phép đo đặc trưng nhạy khí, đặc trưng I-V và phổ tổng trở, chuyển tiếp SnO2/CNTs được phân cực bằng cách đặt điện
áp DC lên hai điện cực như Hình 2.4 Chuyển tiếp được phân cực thuận bằng cách nối CNTs với cực (+) của nguồn, nối dây nano SnO2
với cực (-) và ngược lại trong trường hợp phân cực ngược
CHƯƠNG 3: HÌNH THÁI VÀ TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ CỦA CHUYỂN TIẾP DỊ THỂ KÉP SnO2/CNTs/SnO2
VÀ CHUYỂN TIẾP SnO2/CNTs 3.1 Mở đầu
3.2 Hình thái và tính chất nhạy khí của các chuyển tiếp dị thể kép SnO2/CNTs/SnO2
3.2.1 Chuyển tiếp SnO2/CNTs/SnO2 có lớp CNTs chế tạo bằng phương pháp phun phủ
3.2.1.1 Kết quả phân tích hình thái cấu trúc SnO 2 /CNTs/SnO 2
Ảnh SEM trên Hình 3.1 (a) cho thấy các dây nano SnO2 chỉ mọc trên các điện cực Pt có phủ xúc tác Au, còn phần SiO2 hoàn toàn không có dây nano Hình 3.1 (b) cho thấy các dây nano SnO2 tạo thành một lớp dày phủ kín điện cực Pt Điều này nhằm đảm bảo yêu cầu CNTs chỉ tiếp xúc với dây nano SnO2 mà không tiếp xúc trực tiếp với các điện cực Pt Ảnh SEM trên Hình 3.1(c-d) cho thấy sự
Hình 2.4 Sơ đồ đo điện cho cấu
trúc chuyển tiếp SnO 2 /MWCNTs
Trang 11phân bố của MWCNTs và SWCNTs trên chip cảm biến, lớp CNTs đóng vai trò là lớp dẫn điện giữa hai điện cực
3.2.1.2 Đặc trưng I-V của chuyển tiếp SnO 2 /CNTs/SnO 2
Đặc trưng I-V của cảm biến trên cơ sở các vật liệu SnO2, SWCNTs, MWCNTs riêng lẻ trên điện cực Pt (Hình 3.3) có dạng tuyến tính, chứng tỏ tiếp xúc của SnO2 và CNTs với điện cực Pt có tính chất Ohmic
Hình 3.1 Ảnh FE-SEM của cấu
trúc SnO 2 /CNTs/SnO 2 trên điện cực Pt (a), dây nano SnO 2 (b), SnO 2 /MWCNTs/SnO 2 (c) và SnO 2 /SWCNTs/SnO 2 (d)
Hình 3.3 Đặc trưng I-V của cảm
biến trên cơ sở dây nano SnO 2 , SWCNTs và MWCNTs trong không khí tại 200 o C
Hình 3.4 Đặc trưng I-V của cảm
biến SnO 2 /MWCNTs/SnO 2 và SnO 2 /SWCNTs/SnO 2 trong không khí và trong khí NO 2 nồng độ 250
ppm tại 150 o C
Trang 129
3.2.1.3 Tính chất nhạy khí của các chuyển tiếp SnO 2 /CNTs/SnO 2
Hình 3.6 cho thấy, đáp ứng với khí NO2 nồng độ 250 ppb theo thời gian của các cảm biến phụ thuộc vào nhiệt độ Độ đáp ứng của cảm biến tại 100 oC và 150 oC gần như bằng nhau Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng lên đến 200 oC, độ đáp ứng của các cảm biến đã giảm mạnh
SnO 2 /SWCNTs/SnO 2 SnO 2 /MWCNTs/SnO 2
3.2.2 Chuyển tiếp SnO2/SWCNTs/SnO2 có lớp SWCNTs chế tạo trực tiếp trên dây nano SnO2 bằng phương pháp hồ quang điện Hình 3.13a là đồ thị độ đáp ứng của cảm biến theo nồng độ khí tại nhiệt độ khác nhau, có thể thấy khi nồng độ tăng độ đáp ứng cũng tăng lên tuyến tính theo nồng độ Ở 100 oC cảm biến có độ đáp ứng cao nhất, độ đáp ứng với nồng độ khí NO2 1 ppm khoảng hơn 50 lần
Đồ thị điện trở thay đổi theo thời gian của cảm biến trong môi trường khí NO2 với các nồng độ trong khoảng 0,1- 1 ppm tại 100 oC được trình bày trong Hình 3.13b, có thể thấy cảm biến có khả năng đáp ứng và hồi phục về nền với thời gian hồi đáp khá nhanh
Hình 3.13 Độ đáp ứng của cảm biến SnO 2 /SWCNTs/SnO 2 theo nồng
độ khí NO 2 tại các nhiệt độ khác nhau (a) và sự thay đổi điện trở theo thời gian của cảm biến SnO 2 /SWCNTs/SnO 2 với khí NO 2 nồng
độ 0,1-1 ppm tại 100 o
C (b)
Hình 3.6 Độ đáp ứng của
các cảm biến SnO 2 /SWCNTs/SnO 2 và SnO 2 /MWCNTs/ SnO 2 với
250 ppb NO 2 theo thời gian tại các nhiệt độ khác nhau
Trang 133.2.3 Cấu trúc SnO2/MWCNTs(d: 20-40 nm)/SnO2 có lớp MWCNTs chế tạo bằng phương pháp nhúng phủ
Độ đáp ứng của cảm biến với 100 ppb NO2 đạt khoảng 8 lần ở nhiệt độ phòng và tăng khá tuyến tính khi tăng nồng độ khí (Hình 3.17) Đồng thời, khi tăng nhiệt độ, độ đáp ứng của cảm biến cũng tăng lên, ở 100 oC độ đáp ứng của cảm biến với 1 ppm khí NO2 đạt khoảng 116 lần
3.3.1 Kết quả phân tích hình thái cấu trúc SnO2/MWCNTs
Hình 3.18a là mô hình của chuyển tiếp SnO2/MWCNTs với dây nano được mọc trực tiếp trên một điện cực Pt, sau đó MWCNTs được phủ lên dây nano SnO2 để hình thành nên các chuyển tiếp Hình 3.18b là ảnh tổng quan của cấu trúc đã chế tạo được Có thể thấy lớp MWCNTs (d: 20-40 nm) có dạng màng bám dính tốt trên điện cực
và đóng vai trò là lớp dẫn điện giữa hai điện cực đã mọc dây nano SnO2 và điện cực không có dây Hình 3.18c cho thấy hình thái của các dây nano SnO2 mọc trực tiếp trên điện cực bằng phương pháp CVD nhiệt trước khi phủ MWCNTs, các dây nano có kích thước tương đối đồng đều với đường kính khoảng 50- 100 nm Dây nano SnO2 được chế tạo ở điều kiện thích hợp để có mật độ lớn, che phủ
Hình 3.18 Mô hình cấu trúc
SnO 2 /MWCNTs (a), ảnh FE-SEM của chuyển tiếp SnO 2 /MWCNTs trên điện cực (b), dây nano SnO 2
trên điện cực Pt trước khi phủ MWCNTs (c), chuyển tiếp giữa dây SnO 2 và MWCNTs (d< 10 nm) (d), MWCNTs (d: 20-40 nm) (e), MWCNTs (d: 60-100 nm) (f)
Hình 3.17 Độ đáp ứng của
cảm biến SnO 2 /MWCNTs (d: 20-40 nm)/CNTs theo nồng độ khí NO 2 tại các nhiệt độ 25 o C,
50 o C và 100 o C