Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí H2 và H2S trên cơ sở màng SnO2 biến tính đảo xúc tác micro-nano

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO<br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI<br /> <br /> NGUYỄN VĂN TOÁN<br /> <br /> NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN KHÍ H2 và H2S TRÊN CƠ SỞ<br /> MÀNG SnO2 BIẾN TÍNH ĐẢO XÚC TÁC MICRO-NANO<br /> <br /> Chuyên ngành: Vật liệu điện tử<br /> Mã số: 62440123<br /> <br /> TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU<br /> <br /> Hà Nội - 2016<br /> <br /> Công trình được hoàn thành tại<br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI<br /> <br /> Người hướng dẫn khoa học:<br /> Hướng dẫn 1: GS. TS. NGUYỄN VĂN HIẾU<br /> Hướng dẫn 2: PGS. TS. NGUYỄN VĂN QUY<br /> <br /> Phản biện 1: GS. TS. Phan Hồng Khôi<br /> Phản biện 2: GS. TS. Nguyễn Năng Định<br /> Phản biện 3: PGS. TS. Dư Thị Xuân Thảo<br /> <br /> Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp<br /> tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội<br /> Vào hồi............giờ..........ngày........tháng...........năm<br /> <br /> Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:<br /> 1. Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội<br /> 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam<br /> <br /> DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN<br /> N. V. Toán, N. V. Chiến, N. V. Quy, N. V. Duy, N. V. Hiếu (2013)<br /> Nghiên cứu chế tạo số lượng lớn cảm biến khí NH3 trên cơ sở màng<br /> mỏng SnO2 bằng phương pháp phún xạ. Tuyển tập báo cáo Hội nghị Vật lý<br /> chất rắn và Khoa học Vật liệu toàn quốc lần thứ 8, Thái Nguyên, Việt Nam,<br /> Trang 333 – 336.<br /> 2. N. V. Toan, N. V. Chien, N. V. Duy, N. V. Quy, N. V. Hieu (2014)<br /> Wafer-scale fabrication of planer type SnO2 thin film gas sensor. The 2nd<br /> International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology, Ha<br /> Noi, Viet Nam. Page 244 – 248.<br /> 3. N. V. Duy, N. V. Toan, N. D. Hoa, N. V. Hieu (2014) Synthesis of<br /> H2S Gas Sensor based on SnO2 Thin Film Sensitized by Microsize CuO<br /> Islands. The 2nd International Conference on Advanced Materials and<br /> Nanotechnology, Ha Noi, Viet Nam. Page 14 – 17.<br /> 4. N. V. Toán, N. V. Chiến, N. V. Quy, N. V. Duy, N. Đ. Hòa, N. V.<br /> Hiếu (2015) Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí CO trên cơ sở màng Pd/SnO2.<br /> Tạp chí khoa học công nghệ 104 (2015), Trang 095 - 098<br /> 5. N. V. Toan, N. V. Chien, N. V. Duy, D. D. Vuong, N. H. Lam,<br /> N. D. Hoa, N. V. Hieu, N. D. Chien (2015) Scalable fabrication of<br /> SnO2 thin films sensitized with CuO islands for enhanced H2S gas sensing<br /> performance. Applied Surface Science 324 (2015), page 280 –285 (*IF<br /> 2015: 3,15*)<br /> 6. N. V. Toan, N. V. Chien, N. V. Duy, H. S. Hong, Hugo Nguyen, N.<br /> D. Hoa, N. V. Hieu (2016) Fabrication of highly sensitive and selective H2<br /> gas sensor based on SnO2 thin film sensitized with microsized Pd islands. J.<br /> Hazardous Materials 301 (2016), 433 - 442 (*IF 2015 : 4,83*).<br /> 1.<br /> <br /> MỞ ĐẦU<br /> 1.<br /> <br /> Ý nghĩa của luận án<br /> <br /> Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của các ngành nghề khác nhau bao gồm công<br /> nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải v.v. đã đem lại những ích kinh tế to lớn cho xã<br /> hội, tuy nhiên chúng cũng kéo theo những mặt trái mà ai cũng nhận ra bao gồm sự ô<br /> nhiễm môi trường ngày càng trở nên trầm trọng. Đặc biệt, vấn đề ô nhiễm không khí<br /> do các khí độc thải ra từ những nhà máy, khu công nghiệp, khu chăn nuôi gia súc, các<br /> phương tiên giao thông vận tải, và các hoạt động xã hội khác của con người đang là<br /> một vấn đề hết sức nan giải được cả xã hội quan tâm. Khi tiếp xúc với các chất khí độc<br /> hại như H2S, CO, NO2, H2, CO2, LPG, NOx [36, 59,73] tồn tại trong môi trường không<br /> khí chúng có thể gây ra những ảnh hưởng tực tiếp đến sức khỏe con người như đau<br /> đầu, chóng mặt hoặc thậm chí là tử vong. Ngoài ra các khí độc và khí dễ cháy nổ này<br /> còn là một trong những tác nhân gây nên hiện tượng cháy nổ, mưa a xít, ăn mòn và phá<br /> hủy các công trình xây dụng, gây thiệt hại về kinh tế và con người. Quan trắc, điều<br /> khiển nhằm giảm thiểu sự ảnh hưởng tiêu cực của các loại khí độc và khí dễ cháy nổ<br /> nêu trên đang là một vấn đề đặt ra với nhiều thách thức cho con người, đặc biệt là ở các<br /> nước đang phát triển như Việt Nam. Câu hỏi đặt ra cho toàn thể nhân loại nói chung,<br /> các nhà quản lý và các nhà nghiên cứu nói riêng đó là làm sao mà cảnh báo được sự ô<br /> nhiễm môi trường hay cũng như sự cháy nổ của các chất khí gây nên?<br /> <br /> 2.<br /> <br /> Tính cấp thiết của để tài<br /> Từ những thập niên 60 của thế kỷ 20 đã có những nghiên cứu nhằm chế<br /> tạo các loại cảm biến có thể phát hiện được các khí độc trong môi trường, trong<br /> đó phải kể đến loại cảm biến kiểu thay đổi điện trở được phát triển trên cơ sở<br /> màng mỏng ZnO làm vật liệu nhạy khí [81]. Do đặc tính của loại ô xít bán dẫn<br /> này có điện trở dễ dàng thay đổi trong các môi trường khí khác nhau nên có thể<br /> phát triển thế hệ cảm biến với cấu trúc đơn giản. Cùng với đó, rất nhiều loại<br /> cảm biến khí đã được chế tạo như cảm biến điện hóa [50], cảm biến kiểu thay<br /> đổi độ dẫn, cảm biến quang xúc tác [83, 89], v.v.<br /> Cảm biến khí trên cơ sở dây nano, thanh nano ôxít kim loại bán dẫn như SnO2,<br /> ZnO, TiO2 đã được nghiên cứu và cho độ đáp ứng cao khi đo các loại khí độc và khí dễ<br /> cháy nổ bao gồm H2S, CO, NO, H2, LPG [9, 20, 32, 34]. Ngoài ra để tăng độ đáp ứng,<br /> độ lọc lựa với các loại khí khác nhau người ta còn sử dụng phương pháp biến tính hay<br /> chức năng hóa bề mặt của dây nano như pha tạp các loại vật liệu xúc tác như Pd, Pt,<br /> Au, Ni, In, và Ag. Sau khi pha tạp, biến tính hay chức năng hóa bề mặt thì độ đáp ứng,<br /> độ lọc lựa của cảm biến dây nano đã được tăng lên rất nhiều [41, 47].<br /> Ta đã biết vật liệu màng mỏng oxit kim loại bán dẫn truyền thống có nhiều ưu<br /> điểm như độ bền và độ ổn định cao, dễ dàng chế tạo vơi số lượng lớn thông qua việc<br /> kết hợp với công nghệ vi điện tử [17, 19, 51]. Ngoài ra, bằng cách biến tính, pha tạp<br /> các loại vật liệu có kích cỡ micro - nano trên bề mặt có thể tăng độ đáp ứng, độ chọn<br /> lọc cũng như giảm nhiệt độ làm việc của cảm biến [11, 84]. Với những ưu điểm nổi<br /> trội nêu trên, vật liệu ôxít màng mỏng bán dẫn hứa hẹn khả năng ứng dụng rộng rãi<br /> trong cảm biến khí độ nhạy cao, có thể quan trắc ô nhiễm môi trường.<br /> 1<br /> <br /> Trên cơ sở nền tảng phát triển của ngành công nghệ vi điện tử tại phòng sạch<br /> Viện ITIMS – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội chúng tôi đã lựa chọn đề tài nghiên<br /> cứu của luận án đó là: “Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí H2 và H2S trên cơ sở<br /> màng SnO2 biến tính đảo xúc tác micro-nano”.<br /> <br /> 3.<br /> <br /> Mục tiêu và nội dung của luận án<br /> <br /> Trong khuôn khổ đề tài này, tác giả đặt ra mục tiêu chính của luận án đó: Chế<br /> tạo cảm biến đo khí H2 và H2S trên cơ sở vật liệu ôxít thiếc (SnO2) có đảo xúc tác kích<br /> cỡ micro - nano để có thể ứng dụng thực tiễn vào việc quan trắc ô nhiễm môi trường và<br /> rò rỉ khí.<br /> - Thiết kế chế tạo bộ mặt nạ quang học có thể cho phép chế tạo số lượng lớn cảm<br /> biến màng mỏng ôxít kim loại. Phát triển quy trình vi điện tử sử dụng các mask khác<br /> nhau để chế tạo điện cực, lò vi nhiệt, đồng thời khảo sát đặc trưng công suất - nhiệt độ<br /> của chíp cảm biến<br /> - Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo màng mỏng SnO2 với các chiều dày<br /> khác nhau, đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế tạo lên hình thái, vi<br /> cấu trúc và tính chất của màng mỏng.<br /> - Nghiên cứu chế tạo cảm biến màng mỏng SnO2 sử dụng các đảo xúc tác khác<br /> nhau với kích thước micro mét bằng phương pháp phún xạ kết hợp với công nghệ<br /> quang khắc, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của lớp đảo xúc tác lên tính nhạy khí của<br /> cảm biến.<br /> - Thử nghiệm cảm biến chế tạo được trên thiết bị đo cụ thể, từ đó có thể ứng<br /> dụng cụ thể trong đo đạc và quan trắc một số khí như H2 và H2S.<br /> <br /> 4.<br /> <br /> Nhưng đóng góp mới của luận án<br /> <br /> - Luận án đã đưa ra được thiết kế, cũng như quy trình chế tạo cảm biến khí trên<br /> cơ sở màng mỏng SnO2 sử dụng đảo xúc tác micro bằng phương pháp phún xạ kết hợp<br /> với công nghệ vi điện tử. Quy trình cho phép chế tạo số lượng lớn cảm biến trên 01<br /> phiến Si (cỡ 400 cảm biến).<br /> - Đã đưa ra được quy trình tối ưu cho chế tạo cảm biến khí H2 và H2S, đồng thời<br /> thử nghiệm thành công trên thiết bị đo khí. Lần đầu tiên, một nghiên cứu có tính hệ<br /> thống đi từ thiết kế đến chế tạo và đưa ra được các cảm biến dưới dạng prototype sử<br /> dụng màng mỏng SnO2 sử dụng đảo xúc tác kích thước micro đã được thực hiện thành<br /> công tại Việt Nam.<br /> <br /> 5.<br /> <br /> Cấu trúc của luận án<br /> Luận án gồm 108 trang: Mở đầu 6 trang; Chương 1 – Tổng quan về các<br /> loại cảm biến khí, các tính chất của vật liệu SnO2 và cơ chế nhạy khí của vật<br /> liệu màng mỏng ôxit kim loại có và không có đảo xúc tác 25 trang; Chương 2 –<br /> Thực nghiệm về các quy trình công nghệ chế tạo cảm biến màng mỏng SnO2 và<br /> màng mỏng SnO2 biến tính các loại vật liệu như Pd, Pt, Au, CuO, Cr2O3, Fe2Ox<br /> 16 trang; Chương 3 – Cảm biến khí H2 trên cơ sở màng mỏng SnO2 biến tính Pd<br /> (SnO2/Pd) 32 trang; Chương 4 - Cảm biến khí H2S trên cơ sở màng mỏng SnO2<br /> biến tính CuO (SnO2/CuO) 23 trang; Kết luận 2 trang; Tài liệu tham khảo 7<br /> trang; Danh mục các công trình đã công bố của luận án 1 trang; Có 18 bảng<br /> biểu và 92 hình ảnh , đồ thị và sơ đồ.<br /> 2<br /> <br />