Nghiên cứu tính chất nhạy hơi methanol của vật liệu zno có cấu trúc phân nhánh biến tính bề mặt bởi các hạt nano pt

Độ hồi đáp hơi methanol với nồng độ 1,03% của cảm biến dựa trên cấu trúc ZnO với nồng độ Pt biến tính trên bề mặt khác nhau tại các nhiệt độ làm việc khác nhau... Tính chất hồi đáp hơi m

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

ĐỖ ĐẠI DUY

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHẠY HƠI METHANOL CỦA VẬT LIỆU ZnO CÓ CẤU TRÚC PHÂN NHÁNH BIẾN TÍNH BỀ MẶT BỞI CÁC HẠT NANO Pt

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

Mã số: 8440104

Người hướng dẫn: TS NGUYỄN MINH VƯƠNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Minh Vương được thực hiện tại phòng thí nghiệm vật lí chất rắn của trường Đại học Quy Nhơn

Các số liệu, kết quả nghiên cứu tuyệt đối trung thực và chưa được ai công bố trong bất kì công trình nào khác

Tác giả

Đỗ Đại Duy

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến người thầy, TS Nguyễn Minh Vương đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, cổ vũ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong khoa vật lí của trường Đại học Quy Nhơn và các thầy là giáo sư, phó giáo sư, tiến sĩ thỉnh giảng trong và ngoài nước đã tận tình truyền đạt những kiến thức chuyên môn mới, chuyên sâu và quý báu cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường

Xin cảm ơn những người bạn của lớp Vật lí chất rắn khóa 20 đã cùng nhau chia sẻ kiến thức, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập

Xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp ở trường THPT Lê Lợi đặc biệt là người vợ của tôi - người luôn cổ vũ, động viên, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập

Luận văn được thực hiện trong khoảng thời gian ngắn nên không tránh khỏi thiếu sót, kính mong nhận được những góp ý chân thành để tôi hoàn thành luận văn này hoàn chỉnh hơn

Bình Định, ngày tháng năm 2019

Tác giả

Đỗ Đại Duy

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

NỘI DUNG 6

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 6

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẢM BIẾN KHÍ 7

1.1.1 Vai trò của cảm biến khí 8

1.1.2 Ứng dụng của cảm biến khí 10

1.2 CẢM BIẾN KHÍ ĐỘ DẪN DỰA TRÊN VẬT LIỆU SMOs 13

1.2.1 Cấu trúc cảm biến khí trở hóa 13

1.2.2 Các đặc trưng của cảm biến khí bán dẫn 14

1.2.2.1 Độ đáp ứng khí 14

1.2.2.2 Độ nhạy khí 15

1.2.2.3 Độ chọn lọc 16

1.2.2.4 Độ ổn định 16

1.2.2.5 Thời gian đáp ứng và hồi phục 17

1.2.2.6 Độ phân giải 18

1.2.2.7 Giới hạn đo khí 18

1.2.2.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ đáp ứng khí 19

1.2.2.9 Ảnh hưởng của bức xạ tử ngoại (UV) đến độ đáp ứng khí 19

1.3 ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG KHÍ BỀ MẶT CỦA KHÍ KHỬ 20

1.4 MÔ HÌNH DẪN CỦA CẢM BIẾN KHÍ DÂY NANO ĐỂ PHÁT HIỆN KHÍ KHỬ 23

1.5 VẬT LIỆU ZnO 25

1.5.1 Giới thiệu về ZnO 25

1.5.2 Ứng dụng của ZnO 26

1.5.3 Các phương pháp tổng hợp vật liệu ZnO 27

1.5.3.1 Phương pháp thủy nhiệt 27

1.5.3.2 Phương pháp đốt cháy 28

1.5.4 Các dạng thù hình của vật liệu nano ZnO 29

1.5.4.1 Nano ZnO dạng hạt (ZnO Nanoparticles) 29

1.5.4.2 Nano ZnO dạng thanh (ZnO Nanorods) 30

1.5.4.3 Nano ZnO dạng dây (ZnO Nanowire) 30

1.5.4.4 Nano ZnO dạng sợi (ZnO nanofibers) 30

1.5.4.5 Nano ZnO dạng ống (ZnO nanotubes) 31

1.5.4.6 Nano ZnO phân nhánh (ZnO hierarchical) 31

1.6 TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ CỦA VẬT LIỆU NANO ZnO 32

1.6.1 Cảm biến dựa trên nền vật liệu nano ZnO là cảm biến kiểu độ dẫn (kiểu điện trở) 32

1.6.2 Cơ chế nhạy khí của bán dẫn ZnO 32

1.7 CẢI THIỆN ĐỘ HỒI ĐÁP CỦA BÁN DẪN ZnO 34

1.7.1 Các phương pháp cải thiện độ hồi đáp của bán dẫn ZnO 34

1.7.2 Cải thiện độ hồi đáp và độ chọn lọc methanol bằng phương pháp biến tính bề mặt của cấu trúc nano ZnO phân nhánh bằng các hạt nano kim loại Pt 34

1.8 HỢP CHẤT HỮU CƠ DỄ BAY HƠI (VOCs) 35

1.8.1 Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) 35

1.8.2 Một số hợp chất hữu cơ dễ bay hơi 36

1.8.2.1 Acetone (C 3 H 6 O) 36

1.8.2.2 Ethanol (C 2 H 5 OH) 36

1.8.2.3 Methanol (CH 3 OH) 37

1.8.2.4 Acetylene (C 2 H 2 ) 37

CHƯƠNG 2 - THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU 39

2.1 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU 39

2.1.1 Hóa chất và thiết bị chế tạo mẫu 39

2.1.2 Thực nghiệm chế tạo mẫu 43

2.1.2.1 Chế tạo sợi nano ZnO (ZnO-NFs) 44

2.1.2.2 Chế tạo cấu trúc nano ZnO phân nhánh (ZnO-H) 45

2.1.2.3 Biến tính bề mặt ZnO phân nhánh bởi các hạt nano Pt 46

2.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU 46

2.2.1 Đo nhiễu xạ tia X (XRD) 46

2.2.2 Chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) 48

2.2.3 Chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 50

2.2.4 Phổ huỳnh quang PL 50

2.2.5 Phổ hấp thụ UV-Vis 51

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 56

3.1 TÍNH CHẤT VÀ HÌNH THÁI CỦA VẬT LIỆU 56

3.1.1 Kết quả đo ảnh SEM 56

3.1.5 Kết quả đo tính chất điện của các cảm biến 64

3.2 TÍNH CHẤT NHẠY HƠI METHANOL 66

3.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc lên tính chất nhạy hơi methanol 66

3.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ Pt lên tính chất hồi đáp của cảm biến 69

3.3 ĐỘ CHỌN LỌC CỦA CẢM BIẾN 72

3.5 THỜI GIAN HỒI ĐÁP VÀ PHỤC HỒI CỦA CÁC CẢM BIẾN 76

KẾT LUẬN 79

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 81

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

QUYẾT ĐỊNH GIAO TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (bản sao)

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét

trường khí thử

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Danh sách vật liệu nền ô-xít kim loại sử dụng cho cảm

Bảng 3.1 Độ hồi đáp hơi methanol với nồng độ 1,03% của cảm

biến dựa trên cấu trúc ZnO với nồng độ Pt biến tính trên bề mặt

khác nhau tại các nhiệt độ làm việc khác nhau

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cảm biến khí được cấu thành từ bộ phận cảm nhận và

bộ phận chuyển đổi tín hiệu R là điện trở, E là suất điện động, I

là cường độ dòng điện, Vth là điện thế ngưỡng (FET) và Cp là

điện dung

8

Hình 1.2 Cấu trúc thiết bị được sử dụng cho cảm biến loại điện

trở trong thực tế (a) Khối thiêu kết, (b) Lớp nhạy mỏng phủ lên

ống nhôm, (c) màng dày in lên đế (d) Cảm biến kiểu hạt đậu với

cuộn dây và kim điện cực, (e) Cảm biến kiểu hạt với một cuộn

dây duy nhất (gia nhiệt và điện cực), (f) những linh kiện lắp thành

thiết bị cảm biến khí, nắp kim loại và tấm lọc

Hình 2.6 Lò nung, đèn tử ngoại 42

Hình 2.9 Mẫu ZnO-NFs quan sát dưới kính hiển vi quang học 45

Hình 2.14 Hệ khảo sát tính chất nhạy hơi VOCs của cảm biến tại

Hình 3.1 Ảnh SEM của sợi nano ZnO (a) và các cấu trúc phân

nhánh của vật liệu ZnO-H (b), Pt(5)/ZnO-H (c) và

Pt(20)/ZnO-H(d)

56

Hình 3.2 (a) Ảnh TEM của cấu trúc phân nhánh ZnO-H, (b) ảnh

TEM của thanh nano ZnO riêng lẻ và (c) là ảnh TEM độ phóng

đại cao của thanh nano ZnO với bề mặt chung giữa ZnO và Pt tại

bề mặt (hình chèn bên trong) Các hình bên dưới mô tả sự phân

bố của các nguyên tố (Zn, O và Pt) trên thanh nano ZnO sử dụng

phổ tán sắc năng lượng tia X

Hình 3.7 Tính chất điện của cảm biến Pt (2,5)/ZnO-H ở các nhiệt

Hình 3.8 Sự thay đổi điện trở trong môi trường không khí khô

Hình 3.9 Tính chất hồi đáp hơi methanol với nồng độ 1,03% của

cảm biến dựa trên cấu trúc ZnO-H theo nhiệt độ làm việc 66 Hình 3.10 Tính chất hồi đáp hơi methanol với nồng độ 1,03%

của cảm biến dựa trên cấu trúc Pt(2.5)/ZnO theo nhiệt độ làm

việc

67

Hình 3.11 So sánh độ hồi đáp (Ri/Rg) hơi methanol với nồng độ

1,03 % của cảm biến dựa trên cấu trúc ZnO-H và Pt(2.5)/ZnO-H

theo nhiệt độ làm việc

68

Hình 3.12 Tính chất hồi đáp hơi methanol với nồng độ 1,03%

của cảm biến dựa trên cấu trúc Pt(5)/ZnO theo nhiệt độ làm việc 69 Hình 3.13 Tính chất hồi đáp hơi methanol với nồng độ 1,03%

của cảm biến dựa trên cấu trúc Pt(10)/ZnO theo nhiệt độ làm việc 69 Hình 3.14 Tính chất hồi đáp hơi methanol với nồng độ 1,03%

của cảm biến dựa trên cấu trúc Pt(20)/ZnO theo nhiệt độ làm việc 70 Hình 3.15 Tính chất hồi đáp hơi methanol với nồng độ 1,03%

của cảm biến dựa trên cấu trúc Pt(30)/ZnO theo nhiệt độ làm việc 70 Hình 3.16 So sánh tính chất hồi đáp hơi methanol với nồng độ

1,03% của cảm biến dựa trên cấu trúc ZnO với nồng độ Pt biến

tính trên bề mặt khác nhau theo nhiệt độ làm việc

71

Hình 3.17 Độ hồi đáp của cảm biến ZnO-H, Pt(2,5)/ZnO đối với

1,863% acetone, 0,4769% ethanol và 1,03% methanol tại nhiệt độ

230 °C

72

Hình 3.18 Sự thay đổi điện trở trong môi trường methanol

(1.03%) của các cảm biến đã chế tạo theo nhiệt độ làm việc khác

nhau

75

Hình 3.19 Sự phụ thuộc của thời gian hồi đáp của các cảm biến

Hình 3.20 Sự phụ thuộc thời gian hồi phục của các cảm biến đã

Methanol được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp hóa học và là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất cồn công nghiệp từ chưng cất gỗ nên thường được gọi là "cồn gỗ" (wood alcohol), vì thế cồn công nghiệp có chứa methanol với hàm lượng rất cao Methanol được sinh ra trong quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ do nhiều loại vi khuẩn kị khí, vì thế trong bầu khí quyển tự nhiên thường có một lượng nhỏ của khí methanol Methanol bị oxy hóa bởi oxy trong không khí dưới tác động của ánh sáng mặt trời thành khí

CO2 và nước theo phương trình phản ứng:

2CH3OH + 3O2 → 2CO2 + 4H2O Trong công nghiệp, methanol được sử dụng làm dung môi hữu cơ cho sơn, vecni, làm nguyên liệu để sản xuất chất dẻo và tổng hợp các hợp chất hữu cơ, làm chất chống đông và sử dụng để sản xuất nhiên liệu ở dạng diesel sinh học nhờ quá trình este hóa Methanol là chất rất độc, với lượng nhỏ gây

mù, nhiều hơn có thể tử vong dễ dàng Methanol gây tổn thương não, dây thần kinh thị giác, hoại tử não, tổn thương nội tạng Ngưỡng tối đa an toàn của methanol con người có thể tiếp xúc là 200 ppm, ngưỡng nguy hiểm đến sức khỏe ngay lập tức là 25000 ppm [1] Một phần nhỏ methanol được đào

thải qua hơi thở và bài tiết, còn phần lớn methanol bị oxy hóa chủ yếu ở gan thành formaldehyt và axit formic tạo ra sự nhiễm độc của methanol Methanol còn bị oxy hóa ở trong tế bào hình que và hình nón ở võng mạc nên gây ra mù mắt

Để phát hiện và đo lường methanol có nhiều phương pháp, ngoài phương pháp sử dụng phản ứng hóa học ra hiện nay có thể sử dụng các hiệu ứng vật lí được sử dụng trong cảm biến khí, ưu điểm của phương pháp này là phát hiện methanol nhanh chóng và tương đối chính xác nồng độ

Ngày nay cảm biến và cảm biến khí nói riêng được sử dụng hầu hết trong các lĩnh vực của đời sống: quan trắc môi trường, an toàn lao động trong nhà máy, an toàn trong nhà, an toàn trong phương tiện cơ giới, y tế, nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, an ninh công cộng, quốc phòng, không gian

vũ trụ, giao thông, khai thác than, dầu khí… Sở dĩ cảm biến khí được ứng dụng trong các lĩnh vực trên là do cảm biến khí có thể phát hiện nhanh và đo đạc định lượng các loại khí, hơi: CO, CH4, CO2, O2, VOCs, SOx, NOx, HC,

NH3, H2S, Cl2, H2…

Cảm biến khí làm việc trên cơ sở các hiệu ứng bề mặt Đây là hiệu ứng

có sự thay đổi rất lớn khi các vật liệu ở thang nanomet như thanh nano, dây nano Dây nano là loại vật liệu có cấu trúc nano với hai chiều ở kích thước nanomet và chiều còn lại là một kênh dẫn điện lý tưởng Ngoài diện tích bề mặt riêng lớn, chúng thường có định hướng tinh thể cao, vì thế đây là vật liệu

lý tưởng để phát triển thế hệ cảm biến mới, cải thiện được bốn tính chất còn hạn chế của cảm biến khí bán dẫn là độ nhạy, độ chọn lọc, độ bền và công suất tiêu thụ Ngoài ra, với cấu trúc một chiều, dây nano có thể dễ dàng được tích hợp hàng loạt lên các loại đế khác nhau để chế tạo các chip cảm biến với kích thước và công suất tiêu thụ nhỏ [2]

Từ những lý do trên đây và trên cơ sở các trang thiết bị sẵn có của

Trường Đại học Quy Nhơn, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu là: “Nghiên cứu tính chất nhạy hơi methanol của vật liệu ZnO có cấu trúc phân nhánh biến tính bề mặt bởi các hạt nano Pt”

II Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài

Có nhiều công trình đã nghiên cứu chế tạo cảm biến hơi methanol bằng nhiều hệ vật liệu khác nhau với nhiệt độ làm việc từ 120°C đến 400°C (Bảng 1.1) trong đó có vật liệu nano ZnO, tuy nhiên ZnO nano có cấu trúc phân nhánh được biến tính bởi các hạt nano Pt chúng tôi chưa tìm thấy tài liệu nào

đã công bố

III Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí dựa trên vật liệu ZnO có cấu trúc nano phân nhánh sử dụng phương pháp quay điện (electrospinning) và phương pháp thủy nhiệt (hydrothermal)

Nghiên cứu lắng đọng các hạt xúc tác bạch kim (Pt) có cấu trúc nano lên bề mặt của vật liệu ZnO và khảo sát sự ảnh hưởng lên tính chất nhạy hơi methanol của cảm biến

IV Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu ZnO có cấu trúc nano phân nhánh biến

tính bề mặt bởi các hạt nano bạch kim

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu hình thái, cấu trúc và ảnh hưởng của

điều kiện chế tạo mẫu, nhiệt độ hoạt động lên tính chất nhạy hơi methanol của vật liệu

V Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết

Phương pháp thực nghiệm khoa học

VI Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đóng góp vào cơ sở dữ liệu nghiên cứu về cảm biến bán dẫn methanol

sử dụng vật liệu ZnO phân nhánh biến tính bề mặt bởi các hạt nano Pt

VII Cấu trúc của luận văn

Cấu trúc của luận văn gồm các phần sau đây:

Mở đầu

Nội dung

Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thực nghiệm chế tạo và phương pháp khảo sát mẫu Chương 3: Kết quả và thảo luận

Kết luận

Tài liệu tham khảo

NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN

Luận văn tập trung vào các nội dung chính sau:

Tổng quan những vấn đề về cảm biến khí, phân loại cảm biến khí, cảm biến khí độ dẫn Cơ chế nhạy khí của cảm biến độ dẫn Sơ lược về hợp chất hữu cơ dễ bay hơi VOCs, vật liệu ZnO trong chế tạo cảm biến khí

Trình bày một số phương pháp chế tạo vật liệu nano ZnO Trình bày phương pháp chế tạo cấu trúc nano ZnO phân nhánh và cách lắng đọng các hạt nano Pt lên bề mặt vật liệu Trình bày các hóa chất, dụng cụ, quy trình chế tạo vật liệu và một số thiết bị nghiên cứu đặc trưng của mẫu vật liệu

Trình bày kết quả các phép đo về hình thái, cấu trúc, thành phần của vật liệu chế tạo Các kết quả khảo sát tính chất nhạy khí (độ hồi đáp, thời gian hồi đáp, hồi phục, độ chọn lọc…) của vật liệu nano Pt/ZnO phân nhánh đã được chế tạo

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

Cảm biến là thiết bị được tích hợp hầu hết trên các máy móc, phương tiện từ đơn giản đến phức tạp như: robot, vệ tinh, ô tô, smartphone, máy đo đường huyết, điều hòa nhiệt độ, lò nướng, tủ lạnh, máy bay, tàu ngầm, dây chuyền sản xuất, thiết bị báo cháy Cảm biến thực hiện các chức năng như phát hiện, đo lường bức xạ, các loại khí, nhiệt độ, độ ẩm, độ pH khoảng cách, tốc độ, DNA/RNA, protein, vi rút thuộc các lĩnh vực vật lý, hóa học, sinh học

Vì vậy, cảm biến được ứng dụng vô cùng rộng rãi trong đời sống từ đồ dân dụng đến công nghiệp sản xuất, giao thông vận tải, công nghiệp quốc phòng, dự báo thời tiết, du hành vũ trụ Việc nghiên cứu, cải tiến cảm biến ngày càng nhạy hơn, nhỏ gọn hơn, hoạt động tin cậy và bền bỉ hơn là đề tài không bao giờ cũ đối với các nhà khoa học

Trong các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi thì methanol là một chất sử dụng rộng rãi, việc phát hiện và đo đạc nồng độ methanol trong không khí là một nhiệm vụ cần thiết Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo cảm biến methanol bằng cách tổng hợp nhiều loại vật liệu khác nhau:

Bảng 1.1 Danh sách vật liệu nền ô-xít kim loại sử dụng cho cảm biến methanol [1]

Vật liệu

Nồng độ

(ppm)

Độ hồi đáp T(°C)

res / rec (giây)

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẢM BIẾN KHÍ [2]

Cảm biến được định nghĩa là một linh kiện dùng để chuyển đổi (biến) tín hiệu cần đo là các tác nhân kích thích thành tín hiệu có thể đo đạc được (tín hiệu điện, nhiệt, âm thanh, ánh sáng, màu sắc ) Thường cảm biến có hai

bộ phận chính là bộ phận cảm nhận (receptor) và bộ phận chuyển đổi tín hiệu

(transducer) Cảm biến khí là loại cảm biến dùng để phát hiện và đo đạc nồng

độ của một hoặc một số khí nhất định Bộ phận cảm nhận của cảm biến khí là một loại vật liệu hoặc hệ thống vật liệu (còn gọi là vật liệu nhạy khí) có thể tương tác với khí phân tích và tính chất của chúng bị thay đổi (công thoát điện

tử, hằng số điện môi, độ dẫn, trọng lượng, ) Còn bộ phận chuyển đổi tín hiệu là linh kiện có thể chuyển các thay đổi tính chất thành tín hiệu điện Mô hình tổng quát của cảm biến khí có thể được mô tả như trên Hình 1.1

Hình 1.1 Cảm biến khí được cấu thành từ bộ phận cảm nhận và bộ phận chuyển đổi tín hiệu R là điện trở, E là suất điện động, I là cường độ dòng điện, V th là điện thế

ngưỡng (FET) và Cp là điện dung [23]

1.1.1 Vai trò của cảm biến khí

Trong cuộc sống của con người, “cảm biến” đóng vai trò hết sức quan trọng, không chỉ trong các hoạt động vui chơi, mà cả trong lao động sinh hoạt hàng ngày… Ngay từ khi mới sinh ra, con người đã may mắn được tạo hóa ban cho những “cảm biến” thông minh nhất, đó là những “giác quan” bao gồm thính giác, thị giác, xúc giác, khứu giác, vị giác Thí dụ, mũi con người

có thể phân biệt được các mùi khác nhau, trong khi tai có thể nghe, lưỡi có thể nếm, còn mắt có thể nhìn… Mặc dù vậy, con người luôn luôn có xu hướng muốn mở rộng khả năng ứng dụng các giác quan của mình, nhằm ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày Thí dụ, con người mong muốn có thể nhìn thấy các sự vật vào ban đêm hay những vật không có màu sắc, có thể phân biệt được “mùi” của những chất “không mùi” Không chỉ muốn mở rộng khả năng ứng dụng của các giác quan, con người còn muốn cải thiện độ chính xác, tăng khả năng định lượng… Trong cuộc sống hàng ngày, có rất nhiều thứ cần được quan sát, định lượng… mà các giác quan của con người không đáp ứng được, chính vì vậy các loại “cảm biến” cũng từ đó mà được phát minh Mũi của chúng ta được biết đến như là một loại “cảm biến khí” có độ nhạy và độ chọn lọc đáng khâm phục nhờ khả năng có thể phân biệt và phát hiện một số loại khí, vật chất có mùi khác nhau ở nồng độ rất thấp Theo thông tin từ tạp chí Science, mũi người có thể phân biệt được một tỷ mùi khác nhau Thí dụ, mũi người bình thường có thể phát hiện mùi khí NH3 ở nồng độ ~ 5 ppm, trong khi đó khả năng phát hiện mùi khí H2S là 0,5 ppb Mặc dù có khả năng phát hiện được rất nhiều loại mùi khác nhau, tuy nhiên “mũi” người vẫn không phải là một chiếc “cảm biến” đa năng, có thể phát hiện được tất cả các chất khác nhau, vì trong thực tế có nhiều “chất không mùi” Ngoài ra, khả năng phân biệt mùi của mũi người còn sẽ bị suy giảm khá nhanh khi tiếp xúc với khí phân tích trong một khoảng thời gian dài Thêm vào đó, mũi chỉ phân biệt các khí mang tính chất định tính, mà không biết chính xác được nồng độ khí là bao nhiêu Loại “giác quan” có thể cho phép phát hiện, đo đạc nồng độ các chất khí một cách chính xác sẽ mở ra khá nhiều ứng dụng trong thực tế Theo khía cạnh khác, một trong những yếu tố quan trọng nhất để duy trì sự sống của con người là không khí sạch để thở Tuy nhiên, trong môi trường khí chúng ta sống thường tồn tại rất nhiều loại khí khác nhau, chúng có thể ảnh

hưởng đến sức khỏe con người Phát hiện và đo đạc định lượng một số loại khí tồn tại trong môi trường là hết sức cần thiết Chính vì vậy, phát triển các loại cảm biến khí nhằm ứng dụng trong quan trắc môi trường khí là hết sức quan trọng không chỉ ở khía cạnh cảnh báo ô nhiễm mà còn có thể ứng dụng trong các mạch điều khiển tự động nhằm giảm thiểu sự phát thải khí độc ra môi trường Cảm biến khí còn có khả năng ứng dụng rộng lớn trong các lĩnh vực khác nhau từ theo dõi sức khỏe con người, chuẩn đoán sớm bệnh tật… Cảm biến khí cũng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp, nông nghiệp

và điều khiển tự động trong các quá trình đốt, điều khiển khí thải, cảnh báo cháy nổ… Ngoài ra cảm biến khí có thể được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa chất, dầu mỏ, môi trường Tùy thuộc vào mục đích ứng dụng khác nhau mà cảm biến khí phải

có những phẩm chất cụ thể Tuy nhiên các đặc trưng cơ bản của cảm biến khí bao gồm độ nhạy, thời gian đáp ứng/thời gian hồi phục, tính ổn định, tính chọn lọc luôn luôn được quan tâm trong lĩnh vực nghiên cứu cảm biến khí

1.1.2 Ứng dụng của cảm biến khí

Ứng dụng của cảm biến khí rất đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau:

Bảng 1.2 Các ứng dụng của cảm biến khí [2]

Lĩnh vực Yêu cầu Khí cần đo

Quan trắc môi trường

Quan trắc các khí độc trong không khí, phát xạ từ các hoạt động công nghiệp

CO, CH 4 , CO, CO 2 , VOCs, SO x , HC,

NH 3 , H 2 S, độ ẩm

An toàn lao động

Điều khiển chất lượng không khí, quan trắc khí độc trong môi trường làm việc, thí dụ trong các nhà máy có sử dụng các loại hóa chất độc hại

Các loại khí độc, khí

dễ cháy nổ, O 2

An toàn trong nhà

Phát hiện khí độc hoặc khói trong nhà do tai nạn như cháy, nổ; máy lạnh thông minh hoặc lò sưởi; chuông báo cháy; máy làm nóng khí tự nhiên; phát hiện rò khí;

kiểm soát chất lượng khí; bộ làm sạch khí; kiểm soát trong lúc nấu nướng

CO, CH 4 , độ ẩm,

CO 2 , VOCs

An toàn trong buồng

lái phương tiện cơ giới

Kiểm soát hệ thống thông gió; phát hiện hơi dầu; kiểm tra hơi thở có cồn

CO, CH 4 , LPG, VOCs

Y tế

Chẩn đoán (phân tích hơi thở, phát hiện bệnh); giám sát bệnh nhân xét nghiệm tại chỗ; giám sát thuốc; bộ phận nhân tạo và

bộ phận thay ghép; phát hiện thuốc mới

Độ ẩm, CO 2

Nhà máy năng lượng

Kiểm soát nồng độ khí trong động cơ và

lò hơi để đảm bảo hiệu quả của quá trình cháy cao nhất

Dầu và khí HCs, H 2 S, CO

Quốc phòng/quân đội Phát hiện các chất dùng trong chiến tranh

hóa học, sinh học có độc tố; thẩm định

Chất nổ, chất nổ đẩy (đạn, tên lửa)

Không gian Giám sát oxy, khí cháy, độc trong khí

CO, O 3 , NO x , SO 2 ,

CH 4 , LPG

1.2 CẢM BIẾN KHÍ ĐỘ DẪN DỰA TRÊN VẬT LIỆU SMOs

1.2.1 Cấu trúc cảm biến khí trở hóa

Hình 1.2 Cấu trúc thiết bị được sử dụng cho cảm biến loại điện trở trong thực tế (a) khối thiêu kết, (b) lớp nhạy mỏng phủ lên ống nhôm, (c) màng dày in lên đế (d) cảm biến kiểu hạt với cuộn dây và kim điện cực, (e) cảm biến kiểu hạt với một cuộn dây duy nhất (gia nhiệt và điện cực), (f) những linh kiện lắp thành thiết bị cảm biến khí,

nắp kim loại và tấm lọc [23]

Cảm biến khí trở hóa được chế tạo theo nguyên tắc chung gồm một loại vật liệu làm điện trở được gia nhiệt và hai điện cực thường làm bằng kim loại trơ Nhiều cấu trúc khác nhau được đưa ra trong thực tế như Hình 1.2 [23]

1.2.2 Các đặc trưng của cảm biến khí bán dẫn [2]

1.2.2.1 Độ đáp ứng khí

Độ đáp ứng khí là độ thay đổi tín hiệu đo tương ứng với thay đổi nồng

độ của khí đo Độ đáp ứng khí thường được định nghĩa bằng tỷ số giá trị tín hiệu khi có khí chia cho giá trị tín hiệu khi không có khí (hoặc nghịch đảo của tín hiệu này) Đối với cảm biến khí kiểu thay đổi độ dẫn, độ đáp ứng khí là tỷ

số giữa điện trở (độ dẫn) của cảm biến trong môi trường có khí đo chia cho điện trở (độ dẫn) của cảm biến đo trong môi trường không khí (khí so sánh) Các công thức thường được sử dụng để tính độ đáp ứng như sau:

a

g

R S

R

a

R S R

a

R R S

Hình 1.3 Đặc trưng hồi đáp khí của cảm biến kiểu điện trở [23]

Các nghiên cứu trên thế giới gần đây đều tập trung cải thiện độ đáp ứng của cảm biến, từ đó cho phép cảm biến có thể phát hiện, đo đạc các khí ở nồng độ rất thấp cỡ một phần triệu (ppm) hoặc một phần tỷ (ppb) Trong nghiên cứu cảm biến khí, để đánh giá độ đáp ứng của cảm biến, tín hiệu đo sẽ được ghi liên tục trong môi trường so sánh (khí nền), sau đó khí nền sẽ được chuyển qua khí cần đo Sự thay đổi tín hiệu đo giữa môi trường khí nền và khí phân tích càng lớn thì cảm biến có độ đáp ứng càng cao

1.2.2.2 Độ nhạy khí

Độ nhạy của cảm biến khí kiểu điện trở là tỷ số giữa sự thay đổi điện trở tương đối của cảm biến  R so với sự thay đổi của nồng độ khí đo  C Hay độ nhạy chính là độ dốc của đường phụ thuộc của độ đáp ứng khí theo nồng độ khí đo Đây là định nghĩa về độ nhạy đã được hiệp hội quốc tế về hóa phân tích (International Union Pure Analytical Chemistry, gọi tắc là IUPAC) thông qua Trong thực tế đã có rất nhiều trường hợp người ta đã nhầm lẫn giữa độ đáp ứng và độ nhạy Vì vậy, cần hết sức chú ý trong việc công bố các kết quả nghiên cứu của mình trên các diễn đàn quốc tế và trong nước Cảm

biến khí có độ nhạy càng cao thì càng dễ dàng trong việc thiết kế mạch đo Cần phân biệt độ nhạy và giới hạn đo, vì giới hạn đo là nồng độ khí thấp nhất

mà cảm biến còn có thể phân biệt được Tuy nhiên cảm biến có độ nhạy càng cao thì càng có thể đo được các giới hạn nồng độ khí thấp hơn

1.2.2.3 Độ chọn lọc

Là khả năng đáp ứng chọn lọc với một nhóm hoặc một loại khí phân tích của cảm biến Thông thường, để đánh giá độ chọn lọc của cảm biến khí, người ta thường so sánh độ nhạy hoặc độ đáp ứng của cảm biến đối với các khí khác nhau ở cùng một nồng độ khí với điều kiện cảm biến làm việc ở một điều kiện nhất định Thông thường, cảm biến khí mong muốn chế tạo chỉ có thể đáp ứng chọn lọc với một vài loại khí nhất định ở vùng nồng độ nhất định trong điều kiện làm việc tối ưu Tuy nhiên đối với cảm biến khí kiểu thay đổi

độ dẫn dựa trên lớp nhạy khí là các ôxít kim loại bán dẫn thường cho độ chọn lọc khá kém do cảm biến có thể cho độ đáp ứng tương đối cao so với một vài loại khí khác nhau Tăng tính chọn lọc của cảm biến khí vẫn đang là một vấn

đề thách thức với các nhà nghiên cứu

1.2.2.4 Độ ổn định

Độ ổn định là khả năng làm việc của cảm biến trong một khoảng thời gian nhất định mà vẫn đảm bảo tính lặp lại của các kết quả đo Chúng bao gồm cả độ nhạy, độ chọn lọc, thời gian đáp ứng và hồi phục Thông thường,

độ ổn định của cảm biến có hai loại, một là độ ổn định theo thời gian làm việc hoặc số lần làm việc, loại thứ hai liên quan đến độ ổn định của cảm biến khi làm việc liên tục trong khoảng thời gian dài (long - term stability) Loại thứ 2 liên quan đến thời gian sống của cảm biến Thông thường mỗi cảm biến có một thời gian sống nhất định Sau khoảng thời gian này thì cảm biến thường

bị phá hủy hay hỏng không còn hoạt động được Đối với cảm biến bán dẫn,

khi làm việc ở nhiệt độ cao, các tinh thể ô xít kim loại sẽ khuếch tán vào nhau

và hình thành các tinh thể lớn hơn, từ đó dẫn đến làm suy giảm đáp ứng của cảm biến Như vậy, sau một khoảng thời gian làm việc nhất định cảm biến cần được hiệu chỉnh lại

1.2.2.5 Thời gian đáp ứng và hồi phục

Thời gian đáp ứng (hồi đáp) là thời gian cần thiết để cảm biến có thể đáp ứng với các bước thay đổi nồng độ từ giá trị không đến một nồng độ nhất định Thông thường với cảm biến khí kiểu thay đổi điện trở, thời gian đáp ứng chính là thời gian để tín hiệu (điện trở hoặc độ dẫn) của cảm biến thay đổi từ giá trị ban đầu (trong không khí) tính từ khi bắt đầu đo với khí cần đo cho đến khi tín hiệu của cảm biến đạt giá trị bão hòa tương ứng Thời gian hồi phục là thời gian cần thiết để tín hiệu của cảm biến có thể hồi phục trở về giá trị ban đầu tương ứng với bước nhảy thay đổi nồng độ khí từ giá trị đo nhất định về giá trị không Thời gian hồi phục sẽ quyết định khoảng cách tối thiểu giữa hai lần đo liên tiếp mà vẫn đảm bảo cảm biến hoạt động bình thường Nếu tín hiệu của cảm biến hồi phục 100% về giá trị ban đầu ta nói cảm biến có độ hồi phục 100% Trong thực tế người ta thường tính thời gian đáp ứng là thời gian

tín hiệu (điện trở hoặc độ dẫn) của cảm biến đạt được 1 1 63%

e

hòa (τresponse.63%) và thời gian hồi phục được tính là thời gian để tín hiệu của cảm biến trở về và đạt được 63% giá trị tín hiệu ban đầu (τrecovery.63%) (xem Hình 1.4)

Hình 1.4 Thời gian hồi đáp (τres) và thời gian hồi phục (τrec) [2]

1.2.2.6 Độ phân giải

Là sự khác biệt về nồng độ thấp nhất mà cảm biến có thể phân biệt được tại một điều kiện làm việc nhất định Cảm biến có độ phân giải càng cao thì càng cho kết quả đo chính xác khi làm việc Độ phân giải không những chỉ phụ thuộc vào độ đáp ứng của cảm biến mà còn phụ thuộc vào điện trở ban đầu, cách đo tín hiệu, hay tỷ lệ tín hiệu/nhiễu Độ phân giải thường gắn liền với thiết bị đo, hay máy đo Điều này được quyết định bởi cách thức xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả đo

1.2.2.7 Giới hạn đo khí

Giới hạn đo (CDL, Detection Limit) là nồng độ khí thấp nhất mà cảm biến có thể phát hiện được Trong một số điều kiện thí nghiệm chúng ta không thể tạo ra được những nồng độ khí đủ nhỏ để xác định giới hạn đo của cảm biến Tuy nhiên, chúng ta có thể tính toán được giá trị DL của cảm biến thông qua việc xử lý tín hiệu đo của cảm biến Theo định nghĩa của IUPAC, thì giới hạn đo của cảm biến được tính theo công thức:

noise DL

rms

slope

Trong đó rmsnoise là độ nhiễu tín hiện đo và slope là hệ số góc của đường fit giữa sự phụ thuộc của nồng độ khí và độ đáp ứng, rmsnoise được tính theo công thức (1.6)

2 i noise

(y y) rms

1.2.2.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ đáp ứng khí

Nhiệt độ làm việc của cảm biến là nhiệt độ tại đó người ta nghiên cứu lựa chọn để khảo sát các thông số đặc trưng của cảm biến Thông thường nhiệt độ làm việc là nhiệt độ mà tại đó cảm biến thể hiện độ nhạy (đáp ứng) cao nhất Đối với cảm biến khí bán dẫn kiểu thay đổi độ dẫn, quá trình hấp phụ khí trên bề mặt vật liệu phụ thuộc khá nhiều vào nhiệt độ làm việc Tùy thuộc vào loại khí phân tích và tùy thuộc vào từng loại vật liệu, nhiệt độ làm việc của cảm biến sẽ khác nhau Thông thường cảm biến khí trên cơ sở ô-xít kim loại bán dẫn kiểu thay đổi điện trở có nhiệt độ làm việc trong khoảng từ 100°C đến 450°C, tùy thuộc vào từng loại khí và từng loại vật liệu nhạy khí khác nhau

1.2.2.9 Ảnh hưởng của bức xạ tử ngoại (UV) đến độ đáp ứng khí

Dưới sự xúc tác của tia UV các phân tử khí cần phát hiện sẽ phân li thành những dạng có hoạt tính cao vì vậy nhiệt độ làm việc của cảm biến sẽ giảm xuống

1.3 ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG KHÍ BỀ MẶT CỦA KHÍ KHỬ [24]

Trái ngược với các khí oxy hóa, người ta cho rằng các khí khử không hấp phụ trực tiếp/khử trên bề mặt oxit mà phản ứng với các ion oxy đã hấp phụ trước trên bề mặt

Các khí khử không phản ứng với các phân tử O2 có trong dòng khí mang trước khi đến bề mặt Do đó, trong trường hợp trộn khí khử trong không khí, các phân tử khí khử chỉ phản ứng với các ion oxy bị hấp phụ để tạo thành các phân tử H2O không thể đảo ngược Nói cách khác, động học của phản ứng khí mục tiêu trên bề mặt oxit đối với việc cảm nhận các khí khử NH3 và H2

được thể hiện bởi cơ chế Eley - Rideal Các phản ứng có thể xảy ra như sau:

1

1

k 2

trong đó N là tổng số vị trí hấp phụ trên bề mặt ô-xít đối với các phân

tử oxy và N1(t) là số vị trí bị chiếm bởi oxy C1 là nồng độ của các phân tử oxy chạm vào trong khí loãng (với không khí nồng độ này bằng 0,2) và C4 là

nồng độ khí NH3 Đối với cảm biến khí H2, k4 và C4 chỉ cần thay đổi thành

5

k và C5 vào phương trình Các khí oxy hóa, như O2 và NO, có thể hấp phụ trực tiếp lên bề mặt oxit Tuy nhiên, lưu ý rằng các khí khử chủ yếu trải qua phản ứng hóa học với oxy và tạo thành một loại phân tử khác, như H2O, trong các phương trình (1.8) và (1.9)

Chúng tôi giả định rằng các phân tử H2O được hình thành thoát ra khỏi

bề mặt mà không tương tác với bề mặt và khí Bề mặt ban đầu, ở trạng thái cân bằng với khí quyển, được biểu thị bằng N (t1 0) N1 với

Lưu ý rằng tỷ lệ chiếm vị trí cuối cùng ở chu kỳ đáp ứng 4 đã giảm

một cách tự nhiên so với tỷ lệ ban đầu 1 1

1

k C

k C k Sự thay đổi vị trí chiếm chỗ trên bề mặt quyết định sự thay đổi độ dẫn của cảm biến dây nano

Chu kì hồi phục thực hiện bằng cách thổi không khí khô, phương trình thể hiện hấp phụ oxy với C1 = 0,2 là

Với điều kiện biên N (0)1 N4 và N (1 ) N1 cho chu kì hồi phục,

vị trí chiếm chỗ bởi oxy được thể hiện

−

−

Lưu ý sự khác biệt của quá trình vật lí trong chu kì hồi phục của khí oxy hóa và khí khử Trong trường hợp cảm biến khí oxy hóa NO, thời gian hồi phục là thời gian để thay thế hấp phụ NO bằng hấp phụ O Trong trường hợp khí khử NH3 và H2 thì thời gian hồi phục là thời gian hấp phụ O

trên các vị trí hấp phụ bỏ trống 4+ thay đổi theo nồng độ C4 của NH3, trong khi 4− không phụ thuộc vào nồng độ đó, như được biểu thị bởi các phương trình (1.13*) và (1.17*) Do đó, k4 và k4 có thể thu được bằng thực nghiệm

từ một loạt các phép đo 4+ với nồng độ NH3 khác nhau, trong khi đó, k4 có thể thu được từ đường cong hồi phục của phương trình (1.16)

Điểm quan trọng của đạo hàm động học ở trên là sự tăng theo cấp số nhân và suy giảm của các quá trình đáp ứng - hồi phục theo thời gian Nếu quá trình cảm biến khí có nguồn gốc từ các phản ứng hấp phụ ion trên bề mặt, thì động học cảm biến cũng phải tuân theo sự phụ thuộc thời gian tương tự

Hơn nữa, eq

phản ứng (1.8) ở nhiệt độ đã cho; hằng số này đo lường cường độ của phản ứng giữa NH3 và các ion oxy được hấp phụ liên quan đến phản ứng tái hấp phụ của các phân tử oxy Như trong trường hợp khí oxy hóa, keq xác định giới hạn dưới của sự phát hiện một loại khí trong vật liệu cảm biến

1.4 MÔ HÌNH DẪN CỦA CẢM BIẾN KHÍ DÂY NANO ĐỂ PHÁT HIỆN KHÍ KHỬ [24]

Mô hình dẫn điện của cảm biến đối với khí khử cũng giống như đối với khí oxy hóa [25] Sự phụ thuộc thời gian của quá trình hấp phụ/giải hấp được thể hiện bằng sự phụ thuộc thời gian của sự thay đổi độ dẫn trong chu kì hồi đáp/hồi phục của cảm biến Sự thay đổi độ dẫn được mô tả như sau:

 đối với chu kì hồi phục (1.19)

Phép lấy đạo hàm cho ta thấy các phương trình động học cho phản ứng

bề mặt và sự tái hấp phụ oxy [phương trình (1.11*) và (1.16*)] được chuyển đổi tương ứng sang dạng sự phụ thuộc thời gian của độ dẫn Các đường cong hồi đáp và hồi phục theo cấp số nhân có thể chuyển sang dạng đường thẳng cho dễ theo dõi:

có nguồn gốc từ sự suy giảm điện tử như một kết quả của sự hấp phụ ion trong cảm biến dây nano

1.5 VẬT LIỆU ZnO [26]

1.5.1 Giới thiệu về ZnO

ZnO là tinh thể được hình thành từ nguyên tố nhóm IIB (Zn) và nguyên

tố nhóm VIA (O) ZnO có ba dạng cấu trúc gồm: hexagonal wurtzite, zincblende, rocksalt

Hình 1.5 Cấu trúc ZnO [26]

Trong đó: haxagonal wurtzite có tính chất nhiệt động lực ổn định nhất trong điều kiện nhiệt độ và áp suất môi trường xung quanh, zinc blende chỉ kết tinh được trên đế có cấu trúc lập phương và dạng rocksalt chỉ tồn tại ở áp suất cao

Ở điều kiện thường cấu trúc của ZnO tồn tại ở dạng Wurtzite gồm 2 mạng lục giác xếp chặt (chiếm 74,05% không gian, và 25,95% khoảng trống) một mạng của cation Zn2+ và một mạng của anion O2- lồng vào nhau một khoảng cách 3/8 chiều cao (Hình 1.5) Mỗi ô cơ sở sẽ có 2 phân tử ZnO trong

đó có 2 nguyên tử Zn nằm ở vị trí (0,0,0); (1/3,1/3,1/3) và 2 nguyên tử O nằm

ở vị trí (0,0,𝑢); (1/3,1/3,1/3+𝑢) với 𝑢~3/8 Mỗi nguyên tử Zn liên kết với 4 nguyên tử O nằm trên 4 đỉnh của một tứ diện gần đều Khoảng cách từ Zn cho đến 1 trong số 4 nguyên tử bằng uc, còn 3 khoảng cách khác bằng

1 2

là chất dẫn nhiệt tốt, tính chất nhiệt ổn định Do có nhiều tính chất ưu việt như vậy nên vật liệu ZnO có nhiều ứng dụng trong khoa học công nghệ và đời sống, từ cao su đến gốm sứ, từ dược phẩm đến nông nghiệp, và từ sơn đến hóa chất, đặc biệt trong lĩnh vực xúc tác phân hủy các chất hữu cơ độc hại

Trong công nghiệp sản xuất cao su Khoảng một nửa lượng ZnO trên thế giới được dùng để làm chất hoạt hóa trong quá trình lưu hóa cao su tự nhiên và nhân tạo Kẽm oxit làm tăng độ đàn hồi và sức chịu nhiệt của cao su Lượng kẽm trong cao su từ 2 – 5%

Trong hội họa, mặc dù ZnO có một màu trắng đẹp nhưng nó không còn giữ vai trò chủ đạo nữa Người ta dùng nó để làm chất bảo quản giấy, gỗ

Trong công nghiệp chế biến dược phẩm và mỹ phẩm: do ZnO hấp thụ tia cực tím và có tính kháng khuẩn nên nó là một trong những nguyên liệu để làm kem chống nắng, làm chất chống khuẩn trong các thuốc dạng mỡ Người

ta dùng ZnO phản ứng với eugenol để làm chất giả xương răng

Trong lĩnh vực sản xuất thủy tinh, men, đồ gốm: kẽm oxit có khả năng làm giảm sự giãn nở vì nhiệt, hạ nhiệt độ nóng chảy, tăng độ bền hóa học cho sản phẩm Nó được dùng để tạo độ bóng hoặc độ mờ

Ngoài ra, kẽm oxit là nguyên liệu để sản xuất các chất các muối stearat, photphat, cromat, bromat, dithiophotphat Nó là nguồn cung cấp kẽm trong thứ căn động vật và công nghiệp xi mạ Người ta còn dùng nó để xử lý sự cố

rò rỉ khí sunfuro Kẽm oxit, kết hợp với các oxit khác, là chất xúc tác trong các phản ứng hữu cơ

Mặt khác bán dẫn ZnO còn là môi trường tốt để pha thêm các ion quang tích cực Vì thế pha thêm các ion kim loại chuyển tiếp vào bán dẫn ZnO tạo thành bán dẫn từ pha loãng (DMSs) có khả năng mang đầy đủ các tính chất: điện, quang, được ứng dụng sản xuất các thiết bị điện tử, linh kiện điện tử nền spin, xúc tác quang…

1.5.3 Các phương pháp tổng hợp vật liệu ZnO

1.5.3.1 Phương pháp thủy nhiệt

Phương pháp thủy nhiệt là một phương pháp quan trọng trong tổng hợp

vô cơ Tổng hợp thủy nhiệt được thực hiện thông qua những phản ứng hóa học trong dung dịch nước, trên điểm sôi Byrappa và Yoshimura đã định nghĩa tổng hợp thuỷ nhiệt là quá trình phản ứng hoá học về sự hoà tan trong

nước của các chất tham gia phản ứng ở nhiệt độ cao hơn 100°C và áp suất lớn hơn 1atm trong hệ kín Phương pháp này có đặc điểm là kết tủa đồng thời các hiđroxit kim loại ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, khuếch tán các chất tham gia phản ứng tốt, tăng đáng kể bề mặt tiếp xúc của chất phản ứng, do đó

có thể điều chế được nhiều vật liệu mong muốn

Phương pháp thủy nhiệt điều chế vật liệu có khá nhiều ưu điểm như: cho sản phẩm tinh thể có độ tinh khiết cao, sử dụng những tiền chất có giá thành rẻ để tạo ra sản phẩm có giá trị cao, khi sử dụng những tiền chất khác nhau thì sản phẩm điều chế sẽ có hình dạng khác nhau, có thể thông qua nhiệt

độ thủy nhiệt để điều chỉnh kích thước tinh thể Tuy nhiên, phương pháp thuỷ nhiệt cũng tồn tại một số nhược điểm như: có một số chất không thể hoà tan được trong nước nên không thể dùng phương pháp thuỷ nhiệt, khi điều chế vật liệu có thể tạo ra một số chất không mong muốn (tạp chất)

1.5.3.2 Phương pháp đốt cháy

Phương pháp đốt cháy là một trong những phương pháp quan trọng để điều chế các vật liệu gốm mới (về cấu trúc và chức năng), vật liệu composit, vật liệu nano và chất xúc tác

Phương pháp đốt cháy được biết như là quá trình tổng hợp tự lan truyền nhiệt độ cao SHS (self propagating high - temperature synthesis process) Quá trình tổng hợp đốt cháy xảy ra phản ứng oxi hoá khử toả nhiệt mạnh giữa hợp phần chứa kim loại và hợp phần không kim loại, phản ứng trao đổi giữa các hợp chất hoạt tính hoặc phản ứng chứa hợp chất hay hỗn hợp oxi hoá khử tạo

ra sản phẩm có độ tinh khiết cao và dễ dàng điều khiển kích thước và hình dạng sản phẩm Tùy thuộc vào trạng thái của các chất phản ứng, tổng hợp đốt cháy có thể được chia thành: đốt cháy pha rắn, đốt cháy dung dịch và đốt cháy pha khí