Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu hiệu ứng tự đốt nóng của dây nano SnO2 ứng dụng cho cảm biến khí

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:159

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án tiến hành nghiên cứu điện cực được thiết kế cho cảm biến khí ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng chế tạo trên đế thuỷ tinh chịu nhiệt Pyrex. Cảm biến mạng lưới dây nano SnO2 được chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt trực tiếp lên điện cực. Nghiên cứu tính chất nhạy khí của cảm biến mạng lưới dây nano SnO2 hoạt động dựa trên hiệu ứng tự đốt nóng ở công suất thấp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu hiệu ứng tự đốt nóng của dây nano SnO2 ứng dụng cho cảm biến khí

LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sĩ được hoàn thành tại Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Văn Duy và PGS.TS. Nguyễn Ngọc Trung. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy về định hướng khoa học, phương pháp nghiên cứu. Dưới sự chỉ bảo tận tình cũng như sự quan tâm giúp đỡ và điều kiện mà các thầy giành cho học trò đã giúp học trò hoàn thành được luận văn này. Nghiên cứu sinh xin được chân thành cảm ơn GS.TS. Nguyễn Văn Hiếu, GS.TS. Nguyễn Đức Hòa, GS.TS. Hugo Nguyễn đã có những chỉ dẫn về khoa học, giúp đỡ và góp ý để luận án được hoàn thiện. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các cán bộ thuộc Phòng thí nghiệm nghiên cứu phát triển và ứng dụng Cảm biến nano, các nghiên cứu sinh, các học viên của nhóm iSensors đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ, chia sẻ ý tưởng khoa học, chia sẻ khó khăn trong những thời khắc quan trọng để nghiên cứu sinh vượt qua và hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, các Phòng, Ban của Viện, Trường đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh hoàn thành chương trình học tập, nghiên cứu của mình. Nghiên cứu sinh xin được chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các tác giả của các công trình khoa học được trích dẫn trong luận án vì đã cung cấp kiến thức, ý tưởng khoa học liên quan tới nội dung nghiên cứu của luận án. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân trong gia đình đã động viên, khích lệ tác giả trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Tác giả luận án Trịnh Minh Ngọc
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan nội dung của luận án là công trình nghiên cứu của riêng tác giả dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Văn Duy và PGS.TS. Nguyễn Ngọc Trung. Các số liệu và kết quả trong luận án trung thực và chưa được tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Tác giả PGS.TS. Nguyễn Văn Duy Trịnh Minh Ngọc PGS.TS. Nguyễn Ngọc Trung i
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. . LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... . MỤC LỤC ......................................................................................................................ii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................................ v DANH MỤC BẢNG BIỂU .........................................................................................vii DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ ................................................................... viii GIỚI THIỆU CHUNG .................................................................................................. 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ......................................................................................... 9 1.1. Sự cần thiết của việc đốt nóng trong cảm biến khí ............................................... 10 1.1.1. Cấu trúc vùng năng lượng, nguyên lý hoạt động và vai trò của nhiệt độ...10 1.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng bề mặt .......................................... 13 1.2. Công suất tiêu thụ của cảm biến khí ..................................................................... 16 1.2.1. Yêu cầu giảm công suất tiêu thụ trong chế tạo cảm biến .......................... 17 1.2.2. Ứng dụng công nghệ để giảm c ng suất tiêu thụ của cảm iến ................ 19 1.3. Cảm biến khí ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng ...................................................... 26 1.3.1. Hiệu ứng tự đốt nóng Joule và sự truyền nhiệt .......................................... 27 1.3.2. Cảm biến ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng và tình hình nghiên cứu .......... 29 1.4. Kết luận chương 1 ................................................................................................. 39 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM.................................................................................. 40 2.1. Hình thái và các ước chính trong chế tạo điện cực ............................................. 40 2.1.1. Hình thái của điện cực ............................................................................... 40 2.1.2. Các ước chính trong chế tạo điện cực ...................................................... 41 2.2. Công nghệ chế tạo dây nano SnO2 ....................................................................... 43 2.2.1. Thiết bị và vật tư cần thiết ......................................................................... 43 2.2.2. Thực nghiệm chế tạo dây nano SnO2......................................................... 44 ii
2.2.3. Phương pháp nghiên cứu hình thái vật liệu ............................................... 46 2.2.4. Một số yếu tố ảnh hưởng tới hình thái vật liệu .......................................... 47 2.3. Hệ đo tính chất nhạy khí và phương pháp thực nghiệm ....................................... 47 2.3.1. Hệ đo tính chất nhạy khí ............................................................................ 47 2.3.2. Phương pháp đo tính chất nhạy khí của cảm biến tự đốt nóng .................. 49 2.4. Biến tính mạng lưới dây nano SnO2 .................................................................... 51 2.5. Kết luận chương 2 ................................................................................................. 52 CHƢƠNG 3: ẢNH HƢỞNG CỦA HÌNH THÁI ĐIỆN CỰC VÀ VẬT LIỆU NHẠY KHÍ TỚI CÔNG SUẤT HOẠT ĐỘNG VÀ TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ CỦA CẢM BIẾN ......................................................................................................... 53 3.1. Nghiên cứu phát triển điện cực cho cảm biến tự đốt nóng ................................... 53 3.1.1. Vai trò của hình thái điện cực trong cảm biến khí oxit kim loại bán dẫn.. 53 3.1.2. Nghiên cứu phát triển điện cực cho cảm biến tự đốt nóng ........................ 56 3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của mạng lưới dây nano SnO2 tới công suất hoạt động .. 60 3.2.1. Mô hình mạch điện và cơ chế nhạy khí của mạng lưới dây nano SnO2 .... 60 3.2.2. Hình thái cấu trúc mạng lưới dây nano SnO2 ............................................ 63 3.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của mạng lưới dây nano SnO2 tới công suất hoạt động và đáp ứng khí của cảm biến ......................................................................... 68 3.3. Tối ưu điều kiện chế tạo mạng lưới dây nano SnO2 cho phát triển cảm biến khí khử tự đốt nóng công suất thấp ..................................................................................... 76 3.3.1. Tác động của công suất tới độ ổn định của mạng lưới dây nano............... 77 3.3.2. Đặc trưng nhạy khí khử theo công suất hoạt động của cảm biến mạng lưới dây nano .................................................................................................................. 81 3.3.3. Định tính nhiệt độ hoạt động hoạt của cảm biến thông qua công suất hoạt động…. ................................................................................................................... 89 3.4. Kết luận chương 3 ................................................................................................. 90 CHƢƠNG 4: PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN TỰ ĐỐT NÓNG MẠNG LƢỚI DÂY NANO SnO2 BIẾN TÍNH BẠC CHO NHẠY KHÍ H2S........................................... 92 4.1. Cảm biến khí tự đốt nóng mạng lưới dây nano SnO2 biến tính Ag ...................... 93 iii
4.1.1. Hình thái của vật liệu sau biến tính ........................................................... 96 4.1.2. Nghiên cứu hoạt động nhạy khí của cảm biến tự đốt nóng biến tính kim loại Ag................................................................................................................... 100 4.2. Phát triển cảm biến tự đốt nóng cho ứng dụng phân tích khí ............................. 114 4.2.1. Kỹ thuật đo trên thiết bị của cảm biến ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng .. 114 4.2.2. Hoạt động mô phỏng đa cảm biến ứng dụng cho phân tích khí của cảm biến tự đốt nóng .................................................................................................... 119 4.3. Kết luận chương 4 ............................................................................................... 125 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................... 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 129 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................ 143 iv
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, viết TT Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt tắt Bán dẫn – Oxit – Kim loại Complementary Metal- ù (một loại c ng nghệ sản 1 CMOS Oxide-Semiconductor xuất mạch tích hợp) 2 CNTs Carbon nanotubes Ống nano car on Chemical Vapour Lắng đọng hóa học pha 3 CVD Deposition hơi 4 DL Detection Limit Giới hạn phát hiện 5 FE Field Emission Phát xạ trường Field Emission Scanning Kính hiển vi điện tử 6 FE-SEM Electron Microsope quét phát xạ trường 7 FIB Focused Ion Beam Chùm ion hội tụ High Resolution Kính hiển vi điện tử 8 HR-TEM Transmission Electron truyền qua phân giải cao Microscope 9 IC Integrated Circuit Mạch tích hợp 10 ITO Indium Tin Oxide Oxit thiếc inđi Linear Discriminat Phân tích sự khác iệt 11 LDA Analysis tuyến tính Micro-Electro-Mechanical 12 MEMS Hệ vi cơ điện tử Systems Bộ điều khiển lưu lượng 13 MFC Mass Flow Controllers khí Multi-walled carbon 14 MWCNTs Ống nano car on đa tường nanotubes 15 NRs Nanorods Thanh nano 16 NWs Nanowires Dây nano 17 ppb Parts per billion Một phần tỷ v
Principal Component 18 PCA Phân tích thành phần chính Analysis 19 ppm Parts per million Một phần triệu 20 PR Photo Resist Cảm quang 21 ppt Parts per trillion Một phần nghìn tỷ 22 Ra Điện trở đo trong kh ng khí 23 Rg Điện trở đo trong khí thử Standard cubic centimeters Đơn vị đo lưu lượng khí 24 sccm per minute cm3/phút Scanning Electron 25 SEM Kính hiển vi điện tử quét Microscope Semiconductor Metal 26 SMO Oxit kim loại án dẫn Oxide 27 SVM Support Vector Machine Máy hỗ trợ véc-tơ Single-walled carbon Ống nano car on đơn 28 SWCNTs nanotubes tường 29 TE Thermal Emission Phát xạ nhiệt 30 UV Ultraviolet Tia cực tím 31 V-L-S Vapour Liquid Solid Hơi-lỏng-rắn 32 WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây 33 1D One Dementional Một chiều vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Công suất tiêu thụ của các thành phần điện được sử dụng trong thiết kế nút mạng cảm biến không dây [29]………………………………………………………. 18 Bảng 1.2. Tính chất nhiệt trong thiết kế lò nhiệt [55]………………………………... 23 Bảng 1.3. Đặc tính các loại lò nhiệt [58]……………………………………………... 24 Bảng 2.1. Nồng độ các khí khác nhau được pha loãng từ khí khí chuẩn…….………. 50 Bảng 2.2. Các thông số được sử dụng phún xạ kim loại Ag………………………… 51 Bảng 4.1. Ký hiệu các cảm biến sau khi biến tính Ag ở các điều kiện khác nhau….... 94 Bảng 4.2. Độ đáp ứng của cảm biến ST20(G10-S3) ở các nồng độ khác nhau của các loại khí khác nhau tương ứng với các dòng điện cấp cho cảm biến hoạt động khác nhau…………………………………………………………………………………. 121 Bảng 4.3. Ma trận nhầm lẫn nhận được từ phương pháp hồi quy máy hỗ trợ véc-tơ của cảm biến ST20(G10-S3) ở các dòng điện 0,6 mA; 0,8 mA và 1 mA………………. 124 vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng trong vật liệu bán dẫn. ............................... 11 Hình 1.2. Mô hình kênh dẫn của vật liệu trong m i trường kh ng khí và sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng vật liệu bán dẫn loại n sau khi hấp phụ oxy bề mặt. ......................... 12 Hình 1.3. Các dạng tồn tại của oxy ở các nhiệt độ khác nhau trên bề mặt vật liệu nhạy khí SnO2 [12]. ................................................................................................................ 14 Hình 1.4. Cơ chế hấp phụ độ ẩm trên bề mặt SnO2; một phân tử H2O liên kết với hai vị trí kim loại (a) và một phân tử nước liên kết với một vị trí kim loại (b) [20]. .............. 15 Hình 1.5. Mối quan hệ giữa điện trở và độ ẩm trong bán dẫn loại n và loại p [20]. ..... 16 Hình 1.6. Thành tựu công nghệ trong việc giảm công suất tiêu thụ của cảm biến của hãng Figaro (a), cảm biến khí được tích hợp trên điện thoại th ng minh ( ) và đồng hồ thông minh (c) [25-27] .................................................................................................. 17 Hình 1.7. Cảm biến kiểu Taguchi các thành phần cấu tạo (a), nhiệt độ làm việc của cảm biến trong khoảng 200 ± 400 ºC, đóng gói cảm biến (b). Cảm biến khí được chế tạo bằng kỹ thuật in lưới trên đế gốm có kích thước 6 mm  8 mm, có nhiệt độ làm việc khoảng 300 ºC (c) [32]. ................................................................................................. 20 Hình 1.8. Đặc tính nhiệt của lò vi nhiệt: lò nhiệt Pt (a), lò nhiệt Si đa tinh thể (b) [40]…………………………………………………………………………………….21 Hình 1.9. Lò vi nhiệt của cảm biến công nghệ MEMS (a,b), cấu tạo của cảm biến (c) [43,44]…………………. .............................................................................................. 22 Hình 1.10. Mất nhiệt của dây nano do tiếp xúc kim loại, m i trường khí và bức xạ [59]……......................................................................................................................... 27 Hình 1.11. Mô hình cảm biến khí sử dụng: lò nhiệt ngoài (a), hiệu ứng tự đốt nóng (b)………....................................................................................................................... 29 Hình 1.12. Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt so với công suất tiêu thụ (a), thay đổi độ nhạy của cảm biến so với điện áp xoay chiều và nhiệt độ của 1000 ppm CO (b) [60].......... 30 viii
Hình 1.13. Ảnh SEM của cảm biến NO2 dạng đơn sợi ống nano cac on (a), đặc trưng nhạy khí của cảm biến dựa trên hiệu ứng tự đốt nóng (b) [65]. .................................... 32 Hình 1.14. Sợi nano cac on được lắng động lên điên cực (a), ảnh quang học của cảm biến (b), ảnh TEM của sợi nano cacbon (c) [66,67]. ..................................................... 32 Hình 1.15. Ảnh nhiệt của cảm biến được làm nóng đến nhiệt độ 100 ºC bằng phương pháp tự đốt nóng (ảnh trái) và bằng lò ngoài (ảnh phải) (a), biểu đồ phân bố nhiệt độ được phân tích từ ảnh nhiệt (b), phổ Raman của phân bố nhiệt độ ở ba nhiệt độ tự đốt nóng khác nhau (c) [68]…………………………………………………………….33 Hình 1.16. Đáp ứng khí của cảm biến hoạt động ở chế độ tự đốt nóng: Khí NH3 (a), khí NO2 (b) [67]. ............................................................................................................ 34 Hình 1.17. Ảnh SEM của mạng lưới dây nano Pt (a), đường cong đáp ứng và hồi phục ở các nồng độ H2 khác nhau (c), ảnh nhiệt của mẫu ở 9 V (b), hoạt động nhạy khí H2 với nồng độ 1 % ở các nhiệt độ khác nhau (d) [84]. ..................................................... 36 Hình 1.18. Mô hình tự đốt tự đốt nóng của cảm biến mạng lưới dây nano SnO2: khi mật độ dây thưa (a), khi mật độ dây dầy (b). ....................................................................... 38 Hình 2.1. Cấu hình điện cực của cảm biến loại I. ......................................................... 40 Hình 2.2. Cấu hình điện cực của cảm biến G. ............................................................... 41 Hình 2.3. Các ước chính trong chế tạo điện cực cho cảm biến loại G. ....................... 42 Hình 2.4. Điện cực thành phẩm của cảm biến loại G. .................................................. 43 Hình 2.5. Sơ đồ khối của hệ bốc bay nhiệt nằm ngang. ................................................ 43 Hình 2.6. Thuyền và tấm thạch anh được thiết kế riêng cho chế tạo cảm biến loại G.. 44 Hình 2.7. Chu trình nhiệt chế tạo dây nano SnO2……………………………………..46 Hình 2.8. Hình thái của cảm biến sau khi chế tạo được quan sát bằng kính hiển vi quang học ....................................................................................................................... 46 Hình 2.9. Sơ đồ thuật toán cho phương pháp đo ổn định công suất.............................. 48 Hình 2.10. Mạng lưới dây nano trước (a) và sau ( ) khi được phún xạ ........................ 52 Hình 3.1. Cấu hình các loại điện cực được sử dụng rộng rãi cho cảm biến khí: dạng hình trụ (a), dạng đĩa ( ), các tấm song song (c), dạng răng lược (d) và dạng sóng âm bề mặt (e) [97,98]. ......................................................................................................... 55 ix
Hình 3.2. Ảnh nhiệt hồng ngoại của chíp cảm biến ở công suất 157 mW (a), nhiệt độ của chip cảm biến ứng với các công suất khác nhau ( ), đáp ứng của cảm biến với khí H2 ở các nồng độ và các công suất khác nhau (c,d). ..................................................... 57 Hình 3.3. Nhiệt độ tự đốt nóng ở các công suất khác nhau (a), ảnh nhiệt hồng ngoại ở các công suất 16,9 mW và 34,5 mW ( ,c), điện trở được chuẩn hóa theo mô hình tự đốt nóng và lò nhiệt ngoài (d). ............................................................................................. 58 Hình 3.4. Các tiếp xúc dây – dây của mạng lưới dây nano SnO2 được đốt nóng bởi hiệu ứng Joule (a), mô hình mạch điện đơn giản cho mạng lưới dây nano có các tiếp xúc được đốt nóng (b), một tiếp xúc dây – dây được đốt nóng khi có dòng điện chạy qua (c), điện trở tương ứng với tiếp xúc dây – dây được đốt nóng (d). ............................... 61 Hình 3.5. Sơ đồ mô tả cơ chế nhạy khí tại tiếp xúc dây – dây, sự thay đổi của oxy hấp phụ bề mặt dẫn tới sự thay đổi của bề rộng vùng nghèo và chiều cao rào thế ở các môi trường khác nhau: trong kh ng khí (a), trong m i trường khí khử (b) và trong môi trường khí oxy hóa (c). .................................................................................................. 62 Hình 3.6. Ảnh SEM của các cảm biến trên cơ sở dây nano SnO2 được chế tạo ở nhiệt độ 715 ºC, thời gian 10 phút với các khoảng cách khác nhau của điện cực (a – d): khoảng cách 2 µm (a), khoảng cách 5 µm (b), khoảng cách 10 µm (c), khoảng cách 20 µm (d); Ảnh TEM của dây nano SnO2 (e,f); ảnh nhỏ được chèn vào ảnh f là ảnh HR- TEM……... .................................................................................................................... 63 Hình 3.7. Ảnh FE-SEM của các cảm biến trên cơ sở dây nano SnO2 được chế tạo ở nhiệt độ 715 ºC, thời gian 20 phút với các khoảng cách khác nhau của điện cực: khoảng cách 2 µm (a), ................................................................................................................ 65 khoảng cách 5 µm (b), khoảng cách 10 µm (c), khoảng cách 20 µm (d), ảnh phân giải cao của mạng lưới dây nano (e,f). ................................................................................. 65 Hình 3.8. Ảnh FE-SEM của các cảm biến trên cơ sở dây nano SnO2 được chế tạo ở nhiệt độ 730 oC, thời gian 20 phút với các khoảng cách khác nhau của điện cực (a-d): khoảng cách 2 µm (a), khoảng cách 5 µm (b), khoảng cách 10 µm (c), khoảng cách 20 µm (d ); Ảnh FE-SEM phân giải cao của dây nano SnO2 (e); Ảnh TEM của dây nano SnO2 (f), Ảnh TEM phân giải cao của dây nano SnO2 (g); Ảnh nhiễu xạ điện tử của x
dây nano SnO2 (h). ......................................................................................................... 66 Hình 3.9. Giản đồ nhiễu xạ tia X của dây SnO2 được chế tạo ở nhiệt độ 730 ºC, thời gian 20 phút. .................................................................................................................. 67 Hình 3.10. Đáp ứng khí của cảm biến với 0,1 ppm NO2 ở các công suất khác nhau: cảm biến G2-S1(a), cảm biến G2-S2(b). ....................................................................... 70 Hình 3.11. Sự thay đổi điện trở của cảm biến khí G2-S1 với 1 ppm NO2 tại các nhiệt độ làm việc từ 150 ºC đến 450 ºC (a), Độ đáp ứng theo nhiệt độ (b)............................ 71 Hình 3.12. Thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục của cảm biến với 0,1 ppm NO2 ở các công suất khác nhau: cảm biến G2-S1 (a), cảm biến G2-S2 (b). ............................ 72 Hình 3.13. Đáp ứng của hai cảm biến ở các nồng độ khí khác nhau (a), độ lặp lại ở năm chu kỳ của hai cảm biến (b). .......................................................................................... 73 Hình 3.14. Độ lặp lại của cảm biến G2-S1 sau thời gian một tháng. ............................ 74 Hình 3.15. Đáp ứng của cảm biến G2-S2 với khí khử: C2H5OH (a), H2S (b). ............. 75 Hình 3.16. Sự phụ thuộc của điện trở theo thời gian ở các công suất khác nhau của hai cảm biến G2-S1 và G2-S2(a,c) và ảnh SEM tương ứng của hai cảm biến sau khi bị hỏng (b,d)....................................................................................................................... 78 Hình 3.17. Sự phụ thuộc của điện trở theo thời gian ở các công suất khác nhau của các cảm biến G2-S3, G5-S3, G10-S3 và G20-S3 (a,c,e,g) và ảnh SEM tương ứng các cảm biến sau khi bị hỏng (b,d,f,h). ........................................................................................ 80 Hình 3.18. Sự phụ thuộc của điện trở theo thời gian ở công suất 8 mW của cảm biến khi G2-S3 đáp ứng với khí C2H5OH ở các nồng độ 2000 ppm. Cảm biến được chế tạo ở điều kiện nhiệt độ 730 C trong thời gian 20 phút. .................................................... 81 Hình 3.19. Sự phụ thuộc của điện trở theo thời gian ở các công suất khác nhau của các cảm biến khi đáp ứng với khí C2H5OH ở các nồng độ 250 ppm, 500 ppm, 1000 ppm và 2000 ppm: G2-S3 a), G5-S3 b), G10-S3 c) và G20-S3 d). Cảm biến được chế tạo ở điều kiện nhiệt độ 730 oC trong thời gian 20 phút. ....................................................... 82 Hình 3.20. Giá trị đáp ứng khí (Rair/Rgas) là hàm của các nồng độ khí C2H5OH ở các công suất khác nhau của các cảm biến: G2-S3 (a), G5-S3 (b), G10-S3 (c) và G20-S3 (d)……........................................................................................................................... 84 xi
Hình 3.21. Sự phụ thuộc của điện trở theo thời gian ở công suất 10 mW của cảm biến khi G20-S3 đáp ứng với khí: C2H5OH (250 ppm - 2000 ppm) (a), H2 (100 ppm - 1000 ppm) (b), NH3 (100 ppm - 1000 ppm) (c) và H2S (1 ppm - 10 ppm) (d). ..................... 85 Hình 3.22. Độ đáp ứng của cảm biến G20-S3 với các nồng độ khác nhau của các khí C2H5OH, H2, NH3 và H2S ở công suất hoạt động 10 mW.. .......................................... 86 Hình 3.23. Độ lặp lại của cảm biến G20-S3 ở công suất hoạt động 10 mW sau sáu chu kỳ……… ....................................................................................................................... 87 Hình 3.24. Sự phụ thuộc của điện trở theo thời gian ở các công suất khác nhau của các cảm biến khi đáp ứng với khí NO2 ở nồng độ 1 ppm: G2-S3 a), G5-S3 b), G10-S3 c) và G20-S3 d). Cảm biến được chế tạo ở điều kiện nhiệt độ 730 C trong thời gian 20 phút…… ........................................................................................................................ 88 Hình 3.25. Ảnh nhiệt hồng ngoại của cảm biến tự đốt nóng G2-S3 ở công suất hoạt động 18 mW. ................................................................................................................. 89 Hình 4.1. Sơ đồ khối của hệ đo nhạy khí với chế độ công suất kh ng đổi (a) và chế độ dòng kh ng đổi (b). ....................................................................................................... 95 Hình 4.2. Ảnh SEM của các cảm biến trên cơ sở dây nano SnO2 được chế tạo ở nhiệt độ 730 °C, thời gian 20 phút với sau khi biến tính Ag và được ủ nhiệt ở 500 °C trong thời gian 3 giờ: thời gian phún xạ 10 giây (a), thời gian phún xạ 20 giây (b), thời gian phún xạ 40 giây (c) và thời gian phún xạ 80 giây (d).................................................... 96 Hình 4.3. Ảnh TEM của cảm biến được phún xạ 40 giây (a), phún xạ 80 giây (b); Ảnh TEM phân giải cao (c) và nhiễu xạ điện tử vùng chọn lọc được tập trung vào hạt nano xúc tác nano kim loại Ag (d). ........................................................................................ 97 Hình 4.4. Phổ tán xạ năng lượng tia X của mạng lưới dây nano SnO2 sau khi được phún xạ Ag với thời gian 40 giây. .......................................................................................... 98 Hình 4.5. Sự phụ thuộc của điện trở theo thời gian ở các công suất khác nhau của cảm biến ST20(G10-S3) và ảnh SEM của cảm biến trước và sau khi bị hỏng (các ảnh thêm vào)……….. .................................................................................................................. 99 Hình 4.6. Ảnh phát xạ nhiệt hồng ngoại của cảm biến tự đốt nóng ở các công suất được cung cấp khác nhau: 8 mW (a), 16 mW (b) và 20 mW (c). ........................................ 100 xii
Hình 4.7. Sự phụ thuộc của điện trở theo thời gian ở các công suất khác nhau với nồng độ 0,5 ppm khí H2S của bốn cảm biến: ST10(G10-S3)(a), ST20(G10-S3)(b), ST40(G10-S3)(c) và ST80(G10-S3)(d). ...................................................................... 101 Hình 4.8. Độ đáp ứng của bốn cảm biến ST10(G10-S3), ST20(G10-S3), ST40(G10-S3) và ST80(G10-S3) ở các công suất khác nhau với nồng độ 0,5 ppm khí H2S. ............ 102 Hình 4.9. Sơ đồ kênh dẫn và mức năng lượng bị uốn cong tại vị trí tiếp xúc: cảm biến trong m i trường kh ng khí (a), trong m i trường khí H2S (b). ................................. 105 Hình 4.10. Thời gian đáp ứng (a) và thời gian hồi phục (b) của bốn cảm biến ST10(G10-S3), ST20(G10-S3), ST40(G10-S3) và ST80(G10-S3) ở các công suất khác nhau với nồng độ 0,5 ppm khí H2S. ............................................................................ 106 Hình 4.11. Độ đáp ứng của các cảm biến ST10(G10-S3), ST20(G10-S3), ST40(G10- S3) và ST80(G10-S3) theo các nồng độ khí H2S khác nhau ở công suất 8 mW (a), độ đáp ứng của các cảm biến được biểu diễn như là hàm của nồng độ khí (b). .............. 107 Hình 4.12. Sự phụ thuộc của điện trở theo thời gian ở các công suất khác nhau với nồng độ 0,5 ppm khí H2S của ba cảm biến: ST20(G2-S3)(a), ST20(G5-S3)(b) và ST20(G20-S3)(c). ........................................................................................................ 108 Hình 4.13. Độ đáp ứng của bốn cảm biến ST20(G2-S3), ST20(G5-S3), ST20(G10-S3) và ST20(G20-S3) ở các công suất khác nhau với nồng độ 0,5 ppm khí H2S. ............ 109 Hình 4.14. Thời gian đáp ứng (a) và thời gian hồi phục (b) của bốn cảm biến ST20(G2- S3), ST20(G5-S3), ST20(G10-S3) và ST20(G20-S3) ở các công suất khác nhau với nồng độ 0,5 ppm khí H2S ............................................................................................ 111 Hình 4.15. Độ đáp ứng của các cảm biến ST20(G2-S3), ST20(G5-S3), ST20(G10-S3) và ST20(G20-S3) theo các nồng độ khí H2S khác nhau ở công suất 8 mW (a), độ đáp ứng của các cảm biến được biểu diễn như là hàm của nồng độ khí (b). ..................... 112 Hình 4.16. Độ lặp lại của cảm biến ST20(G10-S3) sau mười chu kỳ đóng/mở với 0,5 ppm khí H2S ở công suất làm việc 8 mW.................................................................... 113 Hình 4.17. Độ đáp ứng được biểu diễn như là hàm nồng độ khí của cảm biến ST20(G10-S3) sau thời gian bốn tháng với 0,5 ppm khí H2S ở công suất làm việc 8 mW…… ...................................................................................................................... 113 xiii
Hình 4.18. Thiết bị đo nhạy khí H2S, hoạt động dựa trên hiệu ứng tự đốt nóng của cảm biến mạng lưới dây nano SnO2 được biến tính kim loại Ag. ...................................... 114 Hình 4.19. Sự thay đổi của điện áp theo thời gian với các nồng độ khí khác nhau của cảm biến ST20(G10-S3) ở dòng điện cấp cho cảm biến 0,4 mA. ............................... 115 Hình 4.20. Độ chọn lọc của cảm biến ST20(G10-S3) với các khí C2H5OH, H2 và NH3 ở dòng điện cấp cho cảm biến 0,4 mA. .......................................................................... 116 Hình 4.21. Đáp ứng theo điện áp ra của cảm biến ST20(G10-S3) với các khí NH3,H2,C2H5OH và CH3COCH3 ở dòng điện cấp cho cảm biến 1 mA. ..................... 117 Hình 4.22. Đáp ứng theo điện áp ra của cảm biến ST20(G10-S3) ở các độ ẩm khác nhau với 0,5 ppm khí H2S và dòng điện không đổi 0,4 mA........................................ 118 Hình 4.23. Độ lặp lại của cảm biến ST20(G10-S3) sau bảy chu kỳ đóng/mở với 0,5 ppm khí H2S ở dòng điện cấp kh ng đổi 0,4 mA. ....................................................... 118 Hình 4.24. Các đồ thị rada của cảm biến ST20(G10-S3) với các khí NH3, H2, C2H5OH, CH3COCH3 và H2S ở các dòng điện 0,6 mA, 0,8 mA và 1 mA. ................................ 122 Hình 4.25. Đồ thị LDA (a) và ma trận nhầm lần (b) trong nhận dạng năm khí của cảm biến ST20(G10-S3) ở các dòng điện 0,6 mA, 0,8 mA và 1 mA. ................................ 123 Hình 4.26. Đồ thị PCA của cảm biến ST20(G10-S3) ở các dòng điện 0,6 mA, 0,8 mA và 1 mA. ...................................................................................................................... 124 Hình 4.27. Nồng độ dự đoán so với nồng độ thực tế của năm khí đo được. ............... 125 xiv
GIỚI THIỆU CHUNG 1. Lý do chọn đề tài Khởi đầu từ thế kỷ 20 đến nay, cách mạng công nghiệp đã ước vào giai đoạn 4, giai đoạn phát triển trên 3 lĩnh vực chính gồm Công nghệ sinh học, Kỹ thuật số và Vật lý. Cách mạng khoa học và công nghệ đã làm iến đổi sâu sắc và mạnh mẽ về cơ cấu tổ chức cũng như nền sản xuất của xã hội, nó tạo nên những ước phát triển nhảy vọt và những ước ngoặt lịch sử mang ý nghĩa trọng đại. Tuy nhiên, tất cả những sự thay đổi và phát triển này đều phải cần tới nguồn năng lượng. Vì thế, trong giai đoạn này xã hội loài người đã tìm kiếm, khai thác và tiêu hao tài nguyên ngày càng nhiều và càng lúc càng nhanh mà không quan tâm tới vấn đề bảo vệ và phục hồi m i trường. Với môi trường tự nhiên, đã xuất hiện sự chặt phá rừng bừa ãi, các đồng cỏ bị thoái hóa, độ phì nhiêu của đất bị giảm sút dẫn tới thiên tai ngày càng nghiêm trọng như sự trôi, lở đất và nước. Cùng với đó, quá trình di dân từ nông thôn ra thành thị cũng tăng lên, quy m thành thị ngày càng mở rộng, mật độ dân số ngày càng cao. Ở các thành phố công nghiệp, nhà máy mọc lên khắp nơi dẫn tới không khí mịt mù khói, các dòng sông trở nên đen ngòm, rác và phế thải công nghiệp ở khắp mọi nơi và chất cao như núi. Những nguyên nhân này đã tác động đến và làm cho m i trường sống bị ô nhiễm trầm trọng, đồng thời gây ra sự nóng lên của trái đất dẫn tới sự biến đổi của khí hậu đã tác động lên đời sống kinh tế xã hội của con người. Mặc dù chưa hiểu rõ hết các nguyên nhân, nhưng các nhà nghiên cứu đều nhất trí việc nóng lên của trái đất chủ yếu do sự gia tăng hàm lượng của của các khí nhà kính như: CFC’s, CO2, NOx, SOx, CxHy, v.v.. trong khí quyển. Để chống lại sự biến đổi của khí hậu, tất cả các quốc gia (trong đó có Việt Nam) phải thực hiện việc giảm thiểu và kiểm soát chặt chẽ nguồn gây ô nhiễm cho m i trường không khí. Một mặt, các quốc gia phải xây dựng các cơ chế, chính sách và chế tài cụ thể. Mặt khác, cần phải đầu tư, nghiên cứu áp dụng các thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến phù hợp với giai đoạn mới. Đặc biệt các phương tiện, công cụ và thiết bị hỗ trợ 1
để nhận diện và phân tích nồng độ các khí có mặt trong m i trường khí như: các trạm quan trắc và phân tích khí tự động, các thiết bị phân tích trong phòng thí nghiệm cùng các thiết bị phân tích khí cầm tay hiện trường, v.v.. đã, đang và sẽ được đầu tư nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, với mỗi phương tiện, công cụ và thiết bị đều có những ưu nhược điểm và mục đích ứng dụng riêng. Với các trạm quan trắc và phân tích khí, chúng sẽ cho số liệu và kết quả liên tục theo thời gian trong mọi điều kiện thời tiết và rất ưu việt cho lập báo cáo thống kê, nhưng kinh phí đầu tư an đầu cho hệ thống và kinh phí bảo dưỡng, duy trì hàng năm sẽ rất lớn, trong khi mỗi trạm như vậy chỉ có tính đại diện cho một khu vực nhất định. Với thiết bị phân tích trong phòng thí nghiệm như sắc ký khí, sắc ký khí ghép khối phổ, v.v.. mẫu phải được lấy ở khu vực cần quan trắc, kiểm tra sau đấy vận chuyển về phòng thí nghiệm. Kết quả phân tích của các thiết bị này có độ chính xác cao, giới hạn phát hiện rất thấp, mặc dù vậy các thiết bị này cũng rất đắt tiền, hơn nữa vật tư hóa chất tiêu hao tốn kém, quy trình vận hành, quy trình phân tích dài và rất phức tạp gây khó khăn cho người sử dụng. Với những thế mạnh vượt trội các thiết bị phân tích khí cầm tay hiện trường như: giá thành rẻ, thời gian phân tích nhanh, liên tục và đồng thời có thể đo được nhiều loại khí, dễ sử dụng mà vẫn đảm bảo được và đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật cho c ng tác đánh giá và phân tích định lượng nồng độ các loại khí độc hại, sẽ rất phù hợp và thuận tiện cho lĩnh vực phân tích hiện trường. Hơn thế nữa, các thiết bị phân tích cầm tay hiện trường còn được ứng dụng cho các mục đích, lĩnh vực khác nhau như cảnh báo, phát hiện sự rò rỉ các loại khí oxy, khí độc, khí dễ cháy nổ và các chất ay hơi khác. Với sự phát triển của công nghệ sản xuất micro, cảm biến khí bán dẫn hoạt động dựa trên vật liệu màng mỏng ra đời. Kích thước của cảm biến giảm xuống đến tỉ lệ nano làm tăng khả năng hồi đáp và cải tiến độ ổn định. Hơn thế nữa, phương pháp chế tạo kích thước micro đã giúp cảm biến có kích thước nhỏ hơn, ởi vậy nhiệt tỏa ra môi trường cũng như năng lượng tiêu thụ nhỏ hơn trước kia. Tuy nhiên, cảm biến khí dựa trên vật liệu màng mỏng vẫn có một số yếu điểm như tốc độ đáp ứng chậm, thời gian hồi phục lâu, cũng như tính ổn định và tính chọn lọc kém. Vì thế, vật liệu nano đặc biệt 2
là vật liệu nano kích thước 1 chiều được nghiên cứu phát triển cảm biến khí trong thời gian gần đây. Ngoài việc kế thừa những thuận lợi của thế hệ trước, cảm biến khí dựa trên cơ sở vật liệu có cấu trúc nano với nhiều tính năng ưu việt như giá thành thấp, kích thước é, độ ổn định cao, công suất tiêu thụ nhỏ và cải thiện được ba tính chất còn hạn chế của loại cảm biến khí ôxít kim loại bán dẫn đó là độ nhạy, độ chọn lọc và độ ổn định. Các công trình nghiên cứu gần đây đã phát hiện ra rằng, dây nano là vật liệu lý tưởng để chế tạo các loại cảm biến khí thế hệ mới vì ngoài diện tích bề mặt riêng lớn, chúng có chiều dài De ye tương đương với đường kính dây, trong khi chiều dài của chúng là một kênh bán dẫn lý tưởng. Tuy nhiên, nếu dựa trên cấu trúc cảm biến khí truyền thống kiểu lò vi nhiệt và màng nhạy khí riêng lẻ, thì cảm biến dây nano vẫn tiêu thụ công suất tương đối lớn và độ chọn lọc kém. Trong đề xuất nghiên cứu này, nghiên cứu sinh tiến hành nghiên cứu hiệu ứng tự đốt nóng và khả năng iến tính bề mặt của dây nano SnO2 nhằm kết hợp chúng trong việc phát triển thế hệ cảm biến khí mới với nhiều tính năng ưu việt so với cảm biến khí truyền thống. Hiệu ứng tự đốt nóng có thể thực hiện bằng cách áp dòng điện trực tiếp qua đơn sợi, đa sợi hoặc tập hợp nhiều dây nano ở dạng lưới (network) trong quá trình đo tín hiệu. Dây nano được chế tạo chủ yếu bằng phương pháp ốc bay nhiệt còn các linh kiện loại này được chế tạo bằng công nghệ vi điện tử truyền thống. Bề mặt dây nano sẽ được biến tính với các loại hạt xúc tác nano thích hợp bằng phương pháp lắng đọng vật lý hoặc hóa học. Việc kết hợp hiệu quả hai hiệu ứng này sẽ cho phép chúng ta phát triển được thế hệ cảm biến khí mới có độ chọn lọc cao và tiêu thụ ít công suất. Ngoài ra đây là cơ sở để phát triển các ma trận cảm biến khí trên cơ sở vật liệu dây nano dùng làm mũi điện tử (e-nose). Các cảm biến chế tạo được có thể được sử dụng để đo và phát hiện các loại khí độc hại trong m i trường như NO2, CO, H2S và SO2 ở nồng độ phần tỉ. Cảm biến khí đo độ dẫn dựa trên oxit kim loại bán dẫn có cấu trúc cũng như hoạt động đơn giản. Loại cảm biến này đang được quan tâm nghiên cứu kĩ lưỡng và sử dụng rộng khắp cho mục đích phát hiện các khí độc hại, dễ cháy nổ. Dây nano oxit kim loại bán dẫn là yếu tố triển vọng cho cảm biến khí dẫn đến các cơ hội mới để giải quyết các 3
thông số độ nhạy, độ chọn lọc và độ ổn định. Do những ưu điểm của hiệu ứng tự đốt nóng nên gần đây có khá nhiều tác giả quan tâm và nghiên cứu ứng dụng hiệu ứng này cho hoạt động của cảm biến khí. Nhóm của Ning Sheng Xu đã c ng ố nghiên cứu về cảm biến khí H2 tự đốt nóng dựa trên mạng lưới dây nano W18O49. Họ đã chứng minh được hiệu quả đầy hứa hẹn, độ nhạy cao (có thể phát hiện dưới 50 ppm H2), độ chọn lọc tốt (độ đáp ứng kém với Etanol, CH4, CO và C3H8), và tiêu thụ công suất thấp 30 – 60 mW ở 6 V phù hợp với thiết bị xách tay [1]. Nhóm nghiên cứu của J.D.Prades đã nghiên cứu hiệu ứng tự đốt nóng của cảm biến vật liệu sợi carbon (carbon nanofibers), kết quả đạt được cho thấy rằng cảm biến có thể hoạt động trong dải nhiệt độ lên đến 200 C tương ứng với công suất khoảng 10 mW [2]. Gần đây nhất nhóm nghiên cứu của Sang Su Kim đã phát triển cảm biến tự đốt nóng dây nano cấu trúc lõi – vỏ SnO2 – ZnO được chức năng hóa kim loại Au. Hoạt động nhạy khí CO của cảm biến ở dải công suất rất thấp 0,81 nW – 8,3 µW, trong khi đó độ chọn lọc của cảm biến cũng rất tốt, phù hợp cho sử dụng trong các thiết bị thông minh [3]. Các c ng trình c ng ố nghiên cứu về cảm iến khí tại Việt Nam đến nay chủ yếu sử dụng các cảm iến với lò nhiệt ngoài hoặc lò vi nhiệt đi k m. Các nghiên cứu về cảm iến tự đốt nóng gần đây ắt đầu được tiến hành tại nhóm cảm iến khí thuộc Viện ITIMS, Đại học Bách Khoa Hà Nội. Với những vấn đề đã trình ày trên, nghiên cứu sinh nhận thấy rằng hướng nghiên cứu ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng cho cảm biến khí sẽ rất phát triển trong tương lai. Vì vậy, nghiên cứu sinh đã chọn đề tài nghiên cứu của luận án là ―Nghiên cứu hiệu ứng tự đốt nóng của dây nano SnO2 ứng dụng cho cảm biến khí‖. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Chế tạo được cảm biến khí mạng lưới dây nano SnO2 hoạt động trên cơ sở hiệu ứng tự đốt nóng có kích thước nhỏ và công suất hoạt động nhỏ hơn 10 mW, trong khi vẫn đảm bảo được các thông số độ nhạy, độ chọn lọc cao và hoạt động ổn định. - Tối ưu hóa xúc tác hạt nano kim loại phù hợp với khí cần nghiên cứu sao cho có độ 4
đáp ứng cao hơn nữa bằng hiệu ứng tự đốt nóng và giảm điện áp làm việc cho cảm biến. - Hoàn thiện và thử nghiệm hoạt động của cảm biến chế tạo được trên mạch đo sử dụng hiệu ứng tự đốt nóng. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Trên cơ sở của mục tiêu đề ra, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài được tập trung vào: - Điện cực được thiết kế cho cảm biến khí ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng chế tạo trên đế thuỷ tinh chịu nhiệt Pyrex. - Cảm biến mạng lưới dây nano SnO2 được chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt trực tiếp lên điện cực. - Nghiên cứu tính chất nhạy khí của cảm biến mạng lưới dây nano SnO2 hoạt động dựa trên hiệu ứng tự đốt nóng ở công suất thấp. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án sẽ dựa trên phương pháp thực nghiệm, cụ thể gồm các ước như sau: - Điện cực của cảm biến được chế tạo bằng công nghệ vi điện tử như quang khắc, phún xạ, ăn mòn. - Vật liệu dây nano SnO2 được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học sử dụng vật liệu nguồn là bột Sn. - Hình thái, vi cấu trúc của vật liệu được nghiên cứu bằng các phương pháp phân tích như hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR-TEM), nhiễu xạ điện tử chọn lọc vùng (SAED), nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX). - Các đặc trưng nhạy khí của cảm biến được khảo sát trên hệ đo nhạy khí tại Viện Đào tạo Quốc tế về khoa học Vật liệu (ITIMS), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. - Biến tính vật liệu dây nano SnO2 bằng hạt nano kim loại được tiến hành thông qua quá trình phún xạ màng mỏng kim loại lên ề mặt dây SnO2 sau đó tiến hành xử lý 5