Nghiên cứu chế tạo và tính nhạy khí của cấu trúc dị thể giữa dây nano SnO2 và một số oxit kim loại bán dẫn

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy, cô giáo hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Văn Duy và PGS.TS Đặng Thị Thanh Lê các thầy cô đã đóng góp nhiều ý kiến khoa học quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án này.

Tôi xin trân trọng cảm ơn GS.TS. Nguyễn Văn Hiếu, GS.TS. Nguyễn Đức Hòa và tập thể cán bộ Phòng thí nghiệm nghiên cứu phát triển và ứng dụng Cảm biến nano (ITIMS) đã luôn nhiệt tình giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm và gợi mở nhiều ý tưởng quan trọng để tôi thực hiện các nghiên cứu của luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn TS. Phan Thị Lê Minh và các đồng nghiệp tại Bộ môn Y vật lý – Trường Đại học Y Hà Nội cùng các nghiên cứu sinh, học viên cao học của nhóm Cảm biến khí - viện ITIMS đã luôn đồng hành, hỗ trợ và tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài.

Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu, Phòng Đào tạo Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Trường Đại học Y Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi được học tập và nghiên cứu.

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã luôn động viên, khích lệ để tôi hoàn thành luận án này.

Tác giả

Trần Thị Ngọc Hoa

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan nội dung của luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Văn Duy và PGS.TS. Đặng Thị Thanh Lê. Các số liệu và kết quả trong luận án trung thực và chưa được tác giả khác công bố.

Hà Nội, ngày tháng năm 2021

Giáo viên hướng dẫn Tác giả

PGS.TS. Nguyễn Văn Duy Trần Thị Ngọc Hoa

PGS.TS. Đặng Thị Thanh Lê

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 8

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ 9

GIỚI THIỆU CHUNG 13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN KHÍ 20

1.1. Tổng quan về cảm biến khí 20

1.1.1. Một số đặc trưng cơ bản của cảm biến khí bán dẫn [1] 20

1.1.2. Cơ chế nhạy khí của dây nano oxit kim loại bán dẫn cấu trúc dị thể .. 23

1.2. Tổng quan về phương pháp chế tạo và tính nhạy khí của dây nano oxit kim loại bán dẫn cấu trúc dị thể 27

1.2.1. Phương pháp chế tạo 28

1.2.2. Đặc trưng nhạy khí 30

1.2.3. Đặc trưng nhạy khí của dây nano oxit kim loại bán dẫn cấu trúc n- SnO2/n -SMO 34

1.2.4. Đặc trưng nhạy khí H2S của dây nano oxit kim loại bán dẫn cấu trúc dị thể n-SnO2/p-SMO 37

1.3. Kết luận chương 1 40

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 41

2.1. Chế tạo dây nano SnO2 41

2.1.1. Dụng cụ và hóa chất 41

2.1.2. Thực nghiệm chế tạo dây nano SnO2 43

2.2. Chế tạo cảm biến dây nano cấu trúc dị thể SnO2/SMO 45

2.2.1. Chế tạo cảm biến dây nano cấu trúc dị thể SnO2/NiO 46

2.2.2. Chế tạo cảm biến dây nano cấu trúc dị thể SnO2/Ag2O 48

2.2.3. Chế tạo dây nano cấu trúc dị thể SnO2/ZnO 49

2.2.4. Chế tạo dây nano cấu trúc dị thể SnO2/WO3 50

2.3. Phương pháp khảo sát cấu trúc và hình thái của cảm biến 51

2.4. Phương pháp khảo sát đặc trưng nhạy khí 51

2.5. Kết luận chương 2 54

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH NHẠY KHÍ CỦA DÂY NANO OXIT KIM LOẠI BÁN DẪN CẤU TRÚC n-SnO2/p-SMO 55

3.1. Cảm biến dây nano cấu trúc n-SnO2/p-Ag2O 55

3.1.1. Hình thái và cấu trúc của cảm biến 55

3.1.2. Đặc tính nhạy khí H2S của cảm biến 59

3.1.3. Cơ chế nhạy khí của cảm biến 66

3.2. Cảm biến dây nano cấu trúc n-SnO2/p-NiO 69

3.2.1. Hình thái và cấu trúc 69

3.2.2. Đặc trưng nhạy khí H2S 73

3.2.3. Cơ chế nhạy khí H2S của cảm biến n-SnO2/p-NiO 78

3.3. Kết luận chương 3 80

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH NHẠY KHÍ CỦA DÂY NANO OXIT KIM LOẠI BÁN DẪN CẤU TRÚC n-SnO2/n-SMO 82

4.1. Cảm biến dây nano cấu trúc n-SnO2/n-ZnO 82

4.1.1 Hình thái và cấu trúc 82

4.1.2 Đặc trưng nhạy khí H2S 84

4.1.3. Đặc trưng nhạy khí NO2 92

4.1.4. Độ ổn định của cảm biến 95

4.1.5. Cơ chế nhạy khí 96

4.2. Cảm biến dây nano cấu trúc n-SnO2/n-WO3 98

4.2.1. Hình thái và cấu trúc 98

4.2.2. Đặc trưng nhạy khí H2S 103

4.2.3. Đặc trưng nhạy khí NO2 107

4.2.4. Cơ chế nhạy khí 112

4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất nhạy khí của cảm biến 113

4.4. Kết luận chương 4 114

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 116

TÀI LIỆU THAM KHẢO 118

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 134

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu, viết tắt	Tên tiếng Anh	Nghĩa tiếng Việt
1	CVD	Chemical Vapour Deposition	Lắng đọng hóa học pha hơi
2	SEM	Scanning Electron Microscope	Kính hiển vi điện tử quét
3	TEM	Transmission Electron Microscope	Kính hiển vi điện tử truyền qua
4	FESEM	Field Emission Scanning Electron Microsope	Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường
5	HRTEM	High Resolution Transmission Electron Microscope	Kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao
6	SAED	Selective area electron diffraction	Nhiễu xạ điện tử chọn lọc vùng
7	EDS	Energy-dispersive X-ray spectroscopy	Phổ tán sắc năng lượng tia X
8	XRD	X-ray diffraction	Giản đồ Nhiễu xạ tia X
9	JCPDS	Joint Committee on Powder Diffraction Standards	Thẻ chuẩn
10	MFC	Mass Flow Controllers	Bộ điều khiển lưu lượng khí
11	NWs	Nanowires	Dây nano
12	ppb	Parts per billion	Một phần tỷ
13	ppm	Parts per million	Một phần triệu
14	Ra	Resistance in air	Điện trở đo trong không khí

Rg	Resistance in gas	Điện trở đo trong khí thử
16	Sccm	Standard cubic centimeters per minute	Đơn vị đo lưu lượng khí cm3/phút
17	SMO	Semiconductor Metal Oxide	Oxit kim loại bán dẫn
18	VLS	Vapour -Liquid -Solid	Hơi-lỏng-rắn
19	VS	Vapour -Solid	Hơi – rắn
20	PVD	Physical vapor deposition	Lắng đọng hơi vật lý
21	ALD	Atomic layer deposition	Lắng đọng lớp nguyên tử
22	UV	Ultraviolet	Tia cực tím
23	RSD	Relative standard deviation	Độ lệch chuẩn tương đối
24	LPG	Liquefied Petroleum Gas	Khí dầu mỏ hóa lỏng