BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Đặng Ngọc Sơn
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO In2O3 ĐỊNH
HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN KHÍ
Ngành: Khoa học vật liệu
Mã số: 9440122
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Hà Nội – 2024
Công trình được hoàn thành tại:
Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
GS.TS. Nguyễn Đức Hòa
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại 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 - Đại học Bách khoa Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1. Dang Ngoc Son, Nguyen Van Duy and Nguyen Duc Hoa, 2023,
Controlled Growth of Indium Oxide Nanowires for Gas Sensing
Application, Recent Patents on Nanotechnology.
2. Dang Ngoc Son, Chu Manh Hung, Dang Thi Thanh Le, ChuThi
Xuan, NguyenVan Duy, Nguyen Quang Dich, Hugo Nguyen,
Nguyen Van Hieu, Nguyen Duc Hoa, 2022, A novel design and
fabrication of self-heated In2O3 nanowire gas sensor on glass for
ethanol detection, Sensors and Actuators A: Physical.
3. Nguyễn Đức Hòa, Nguyễn Văn Toán, Nguyễn Văn Duy, Đặng
Ngọc Sơn, Chử Mạnh Hưng, 2022, “Quy trình chế tạo dây nano
inđi oxít (NWS-In2O3) làm cảm biến khí đo hơi cồn (ethanol) tại
nhiệt độ phòng” bằng độc quyền sang chế số 1-2022-06198, Quyết
định số: 18326w/QĐ-SHTT, ngày 24/10/2022, cục sở hữu trí
tuệBộ khoa học và Công nghệ (đã được chấp nhận đơn).
4. Dang Ngoc Son, Nguyen Van Duy, Le Xuan Thanh, Nguyen
Duc Hoa, 2017, Au-catalyzed growth of In2O3 nanowires by
thermal evaporation and their gas sensing properties, Hội nghị
Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu Toàn quốc – SPMS
1
GIỚI THIỆU CHUNG
1. Lý do chọn đề tài
Việc sử dụng vật liệu, công nghệ và kỹ thuật nano nhằm phát triển
các loại cảm biến thế hệ mới có kích thước nhỏ hơn, công suất tiêu thụ
thấp hơn, độ nhạy khí và tính ổn định cao hơn để ứng dụng trong các
lĩnh vực như, quan trắc ô nhiễm môi trường, chẩn đoán bệnh trong y
học, cảnh báo rò rỉ chất độc hại, chất cháy nổ… đã thu hút sự quan tâm
mạnh mẽ của các nhóm nghiên cứu trên thế giới. Hiện nay, có nhiều
loại cảm biến khí hoạt động theo các nguyên lý khác nhau, trong đó
cảm biến khí dựa trên sự thay đổi độ dẫn của vật liệu SMO đã và đang
thu hút sự quan tâm của rất nhiều các nhà khoa học do có nhiều ưu
điểm nổi bật như quy trình chế tạo đơn giản, nhỏ gọn, chi phí thấp,
công suất tiêu thụ của cảm biến thấp, độ bền về mặt hóa học và bền
nhiệt cao
Trong những năm gần đây, cùng với các vật liệu SMO khác như
SnO2, ZnO, TiO2 vật liệu In2O3 cũng rất được chú ý trong việc chế tạo
các cảm biến khí, cảm biến sinh học nhờ những tính chất đặc biệt như
độ dẫn cao, đặc tính nhạy khí tốt, độ bền cao, đi kèm với đó là số
lượng các công trình nghiên cứu có liên quan đến vật liệu In2O3 có
cấu trúc nano ngày càng tăng.
Các cảm biến khí sử dụng các cấu trúc dây nano In2O3 có 1 số ưu
điểm nổi trội như: có khả năng nhạy với khí CO ở nhiệt độ phòng,
nhạy với khí NO2 ở nồng độ thấp cỡ ppb, thời gian đáp ứng và thời
gian hồi phục nhanh. Với những tính chất tuyệt vời như vậy vật liệu
In2O3 đang ngày càng thu hút được sự đầu tư nghiên cứu, cùng với
các vật liệu SnO2 và ZnO trở thành 1 trong 3 vật liệu được nghiên cứu
nhiều nhất cho các ứng dụng cảm biến khí.
Nhận thấy hướng nghiên cứu, cảm biến khí trên cơ sở vật liệu In2O3
rất có tiềm năng và phát triển trong tương lai chúng tôi đã chọn đề tài
“Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano In2O3 định hướng ứng dụng trong
cảm biến khí”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu, tổng hợp được dây nano In2O3 bằng phương pháp bốc bay
nhiệt, đồng thời khảo sát tính cấu trúc, hình thái và chất nhạy khí, đưa ra
được loại cảm biến tối ưu nhất.
- Nghiên cứu chế tạo nâng cao hiệu quả cảm biến khí tự đốt nóng trên cơ sở
mạng dây nano In2O3 bằng cách pha tạp hoặc sử dụng cấu trúc đa nguyên,
cấu trúc dị thể để cải thiện các đặc trưng nhạy khí và công suất tiêu thụ.
2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố, cơ chế hình thành cấu trúc
nano In2O3 trong quy trình tổng hợp vật liệu và chế tạo được cấu trúc
nano 1 chiều của In2O3 ổn định bằng phương pháp bốc bay,
- Chế tạo cảm biến khí dây nano In2O3 và In2O3/SnO2 tự đốt nóng có
công suất tiêu thụ thấp và điện áp hoạt động thấp dưới 5 V..
4. Phương pháp nghiên cứu
- Việc chế tạo các vật liệu/linh kiện micro-nano sẽ được tiến hành sử dụng
các phương pháp chế tạo như phún xạ catốt, CVD..., và các công nghệ, kỹ
thuật vi điện tử như quang khắc, công nghệ ăn mòn khô, ướt.
- Các phương pháp đo đạc phân tích cấu trúc, phân tích thành phần, khảo sát
hình thái bề mặt như SEM, EDS, HR-TEM, XRD, SEAD...
- Các đặc trưng nhạy khí của cảm biến sẽ được tiếp tục khảo sát trên hệ đo
khí của Trường Vật liệu, Đại học Bách khoa Hà Nội.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Đóng góp những hiểu biết mới về ảnh hưởng của các yếu tố
trong chế tạo dây In2O3 bằng phương pháp CVD. Đồng thời luận án
cũng đã thành công chế tạo cảm biến dây In2O3 và dây In2O3/SnO2
ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng hứa hẹn nhiều tiềm năng ứng dụng
trong tương lai và đóng góp thêm vào hướng đi mới trong cộng đồng
khoa học.
6. Những đóng góp mới của đề tài
- Nghiên cứu chế tạo được các cảm biến dây nano In2O3 với các hình
thái và cấu trúc khác nhau, đồng thời khảo sát tính chất nhạy khí đưa
ra được loại cảm biến tối ưu nhất.
- Nghiên cứu chế tạo được các cảm biến dây nano In2O3 tự đốt nóng
hoạt động hiệu quả ở điện áp thấp 1,5 V với mức tiêu thụ công suất
1,06 mW. Đáp ứng khí của cảm biến là 1,37 đối với ethanol 1000 ppm,
thời gian đáp ứng và phục hồi nhanh lần lượt dưới 12 và 35 giây.
- Nghiên cứu chế tạo được các cảm biến dây nano In2O3/SnO2 tự đốt
nóng đã có những cải thiện đáng kể so với dây In2O3. Đáp ứng khí của
cảm biến với công suất tiêu thụ dưới 66 µW và điện áp 1,2 V là 110
đối với 1000 ppm ethanol. Thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục
của cảm biến cũng nhanh hơn khá nhiều với giá trị tương ứng là 6 giây
và 20 giây.
7. Cấu trúc của luận án: Luận án được bố cục thành bốn chương.
