Độ Đáp Ứng Khí Của Cảm Biến Sno 2 /zno - 10 Min Đối Với Một Số Khí Khác

10 phút cho đáp ứng khí H2S nồng độ 0,25 ppm tại 350 oC là 7,8 lần (Hình 4.6).

SnO /ZnO-350 C

7.8

4.3

2.6

15nm 10nm 5nm

S (Rg/Ra)

H2S- 2.5 ppm

Độ đáp ứng khí H2S (0,25 ÷ 2,5 ppm tại nhiệt độ 350 oC của các cảm biến SnO2/ZnO có độ dày lớp biến tính khác nhau.

Bảng 4.1 cho biết thời gian đáp ứng và hồi phục của mẫu cảm biến dây nano SnO2 biến tính ZnO thời gian 10 phút ở các nhiệt độ khác nhau, trong đó thời gian đáp ứng khí của cảm biến cỡ vài chục dây và thời gian đáp ứng tỷ lệ nghịch với nồng độ khí. Tuy nhiên thời gian hồi phục của cảm biến lại kéo dài đến hàng trăm giây và tăng theo nồng độ khí, nồng độ khí càng cao thì thời gian hồi phục của cảm biến trở về giá trị ban đầu càng kéo dài. Tại 350 oC mẫu có độ đáp ứng nhanh, độ nhạy khí tốt nhất thì thời gian hồi phục của cảm biến cũng kéo dài hơn. Như vậy độ đáp ứng và hồi phục của cấu trúc lòi – vỏ SnO2/ZnO đã cải thiện được thời gian đáp ứng và hồi phục so với mẫu SnO2 nguyên bản (Hình 3.3- A), mặc dù độ đáp ứng tăng cường so với dây nano SnO2 là không nhiều.

Thời gian đáp ứng và hồi phục khí H2S (0,25 ÷ 2,5 ppm) tại 300, 350 và 400 oC của cảm biến dây nano SnO2 phủ ZnO với thời gian phủ là 10 min.

Cảm biến

	Thời gian đáp ứng (s)			Thời gian hồi phục (s)
Nồng độ khí H2S (ppm)	T (C)			Nồng độ khí H2S (ppm)	T (C)
Nồng độ khí H2S (ppm)	300	350	400	Nồng độ khí H2S (ppm)	300	350	400
SnO2/ ZnO chiều dày lớp ZnO là 10 nm	0,25	80	50	61	0,1	250	250	200
	0,5	61	34	50	0,25	260	310	250
	1	50	26	42	0,5	290	410	280
	2,5	35	24	39	1	400	650	385

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 143 trang tài liệu này.

Tính chất chọn lọc khí là một yếu tố quan tâm đối với các nhà nghiên cứu cảm biến khí. Để thấy rò tính chất này của cảm biến này chúng tôi chọn mẫu SnO2/ZnO có chiều dày lớp phủ ZnO tương ứng thời gian mọc lớp biến tính 10 phút và khảo sát tại nhiệt độ làm việc tốt nhất của cảm biến là 350 oC đối với một số loại khí khử khác nhau là NH3, H2, CO có nồng độ 500 ppm (Hình 4.7). Khi tiếp xúc với khí khử điện trở của cảm biến giảm cho thấy tính chất bán dẫn loại n của cảm biến tuy nhiên điện trở của cảm biến thay đổi không nhiều cho thấy khả năng đáp ứng khí khử còn hạn chế của cảm biến dựa trên cơ sở dây nano oxit kim loại bán dẫn cấu trúc thị thể cùng loại hạt tải n -n SnO2/ZnO.

Độ đáp ứng với khí NH3, H2 và CO nồng độ 500 ppm tại nhiệt độ 350 oC của mẫu SnO2/ZnO – 10 min.

Kết quả biểu thị trên Hình 4.8 cho thấy rằng cảm biến cho độ đáp ứng rất thấp đối với các loại khí khử khác H2S hầu như chỉ cho giá trị khoảng 10 % đến 40 %, mặc dù nồng độ khí khảo sát là cao hơn rất nhiều đối với nồng độ 2,5 ppm khí H2S. Như vậy

chúng tôi cho rằng đối với cấu trúc dị thể SnO2/ZnO cùng loại hạt tải n -n cho độ đáp ứng thấp đối với khí khử tuy nhiên nó vẫn có tính chất chọn lọc tốt đối với khí H2S.

1.15

1.4

1.1

S (Rg/Ra)

NH3 H2 H2S CO

Hình 4.8. Độ đáp ứng khí của cảm biến SnO2/ZnO - 10 min đối với một số khí khác nhau.

4.1.3. Đặc trưng nhạy khí NO2

Các kết quả nhạy khí của mẫu dây nano oxit kim loại bán dẫn cấu trúc dị thể cùng loại hạt tải n-SnO2/n -ZnO với chiều dày lớp biến tính xác định cho tăng cường độ nhạy với khí khử H2S tuy nhiên độ đáp ứng này còn hạn chế so với các mẫu cấu trúc dây nano loại n – p đã nghiên cứu trong Chương 3. Để hiểu biết hơn đặc trưng nhạy khí của cấu trúc này chúng tôi tiếp tục nghiên cứu tính nhạy khí ôxy hóa (NO2) của cảm biến dựa trên cơ sở dây nano oxit kim loại bán dẫn cấu trúc dị thể SnO2/ZnO với bề dày lớp biến tính ZnO khác nhau. Các cảm biến này cho đáp ứng tốt với khí NO2 nồng độ 1÷10 ppm ở nhiệt độ phòng, với tốc độ đáp ứng và hồi phục khí được cải thiện rò rệt so với dây nano SnO2 nguyên sơ. Chiều dày tối ưu cho nhạy khí NO2 của cảm biến tương ứng với chiều dày lớp biến tính ZnO mọc trong thời gian 10 phút. Kết quả của nghiên cứu đã được công bố tại Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ X năm 2017. Cụ thể như sau:

Để nghiên cứu được ảnh hưởng của lớp biến tính ZnO với tính chất nhạy khí, chúng tôi đã khảo sát độ đáp ứng khí của các cảm biến cấu trúc dị thể đã chế tạo được với khí NO2 có nồng độ từ 1 ÷ 10 ppm của các mẫu tại nhiệt độ phòng (tương ứng với nhiệt độ làm việc của cảm biến là 38 oC) và so sánh để tìm ra chiều dày tối ưu của lớp biến tính cho độ đáp ứng khí tốt nhất.

Đăc trưng nhạy khí NO2 tại nhiệt độ phòng (38 oC) của của dây nano SnO2 và các cấu trúc SnO2/ZnO có bề dày vỏ ZnO mọc trong các thời gian 5;10;15 min.

Kết quả nghiên cứu trên Hình 4.9 cho thấy cảm biến dây nano SnO2 và các cấu trúc SnO2/ZnO chế tạo được từ phương pháp CVD hai lần đều nhạy khí NO2 tốt ở nhiệt độ phòng (38 oC). Từ đồ thị ta nhận thấy các mẫu SnO2/ZnO có thời gian mọc lớp biến tính ZnO là 5 min và 10 min có độ nhạy khí tốt hơn hẳn so với mẫu SnO2. Mặt khác chúng tôi cũng thấy rằng thời gian đáp ứng và hồi phục các mẫu SnO2/ZnO ngắn hơn rất nhiều so với dây nano SnO2 nguyên sơ. Điều này chứng tỏ các mẫu có

cấu trúc lòi-vỏ đã tăng cường được độ nhạy khí NO2 của cảm biến và cải thiện được thời gian đáp ứng và hồi phục. Hình 4.9 so sánh độ đáp ứng khí của các cấu trúc lòi- vỏ khác nhau. Khả năng nhạy khí NO2 tại nhiệt độ phòng (38 oC) được tăng cường rò rệt với các mẫu SnO2/ZnO-5 phút cho độ nhạy S((RNO2/RAir) là 81 tại nồng độ 1ppm, là 498 tại nồng độ 10 ppm; mẫu SnO2/ZnO – 10 phút có độ nhạy tương ứng là 300 và 1950 trong khi giá trị này chỉ là 1,9 và 3,7 đối với dây nano SnO2 nguyên bản. Kết quả cũng cho thấy mẫu SnO2/ZnO có bề dày lớp biến tính tương ứng với thời gian mọc 15 phút cho kết quả nhạy khí kém hơn hẳn các mẫu có thời gian mọc lớp biến tính là 5 phút và 10 phút. Độ nhạy tương ứng tại các nồng độ khí NO2 1 ppm và 10 ppm lần lượt là 2,0 và 2,4 giá trị này còn thấp hơn cả so với dây nano SnO2 nguyên sơ (Hình 4.10). Điều này có thể giải thích do với thời gian mọc lớp biến tính kéo dài (15 phút) đã tạo ra lớp biến tính ZnO liên tục, bao phủ toàn bộ lòi SnO2 với chiều dày lớn, khi tiếp xúc với các phân tử khí làm độ dẫn của SnO2 bị giảm mạnh, lớp tiếp xúc giữa SnO2 và ZnO không còn ảnh hưởng nữa. Như vậy cấu trúc dị thể với chiều dày vỏ nhất định đã cải thiện được đáng kể tính chất nhạy khí NO2 tại dải nhiệt độ thấp từ 50 ÷ 200 oC, đặc biệt là tại nhiệt độ phòng. Chiều dày tối ưu cho nhạy khí là chiều dày của lớp biến tính ZnO tương ứng với thời gian mọc là 10 phút.

Độ nhạy khí NO2 tại nhiệt độ phòng (38 oC) của của dây nano SnO2 và các cấu trúc SnO2/ZnO có bề dày vỏ ZnO mọc trong các thời gian 5;10;15 min.

Với mẫu SnO2/ZnO với chiều dày lớp biến tính mọc trong thời gian 10 phút, 5 phút chúng tôi tiếp tục khảo sát với khí NO2 ở một số nhiệt độ cao hơn là 200, 250 và 300 oC. Kết quả nghiên cứu cho thấy tuy độ hồi đáp của các mẫu vẫn rất tốt nhưng độ nhạy khí giảm rất nhiều so với khảo sát tại nhiệt độ phòng. Tại 200 và 250 oC độ nhạy khí gần như không thay đổi theo nồng độ khí khảo sát từ 1 ÷ 10 ppm. Tại 300 oC độ đáp ứng tại các nồng độ khác nhau có rò ràng hơn, nhưng độ nhạy không cao hơn so với các nhiệt độ 200 và 250 oC.

Độ nhạy khí NO2 tại nhiệt độ 200÷300 oC của của dây nano SnO2 và các cấu trúc SnO2/ZnO có bề dày vỏ ZnO mọc trong các thời gian 5;10;15 min.

Độ đáp ứng của cảm biến SnO2/ZnO phụ thuộc mạnh vào chiều dày lớp biến tính. Chiều dày lớp biến tính ZnO phải tương đương cỡ chiều dày Debye của nó thì cảm biến mới nâng cao được độ nhạy khí. Với khí NO2 chiều dày lớp biến tính mọc trong thời gian 10 phút cho độ nhạy khí tối ưu.

4.1.4. Độ ổn định của cảm biến

Một đặc tính khác của cảm biến khí cũng rất quan trọng đó là độ ổn định của cảm biến. Chúng tôi đã kiểm tra độ ổn định của cảm biến SnO2/ZnO – 10 min bằng cách bật tắt môi trường xung quanh cảm biển từ không khí sang khí H2S nồng độ 1

ppm và trở lại không khí tại nhiệt độ 350 oC.

Độ lặp lại của cảm biến SnO2/ZnO - 10 min đối với khí H2S - 1 ppm tại 350 oC trong 11 chu kỳ.

Cảm biến dây nano SnO2 biến tính nano ZnO cho thấy độ lặp lại tốt trong phép đo lặp lại 11 chu kỳ như Hình 4.12 trong đó điện trở cơ bản phục hồi về giá trị ban đầu sau khi làm mới buồng bằng không khí.

4.1.5. Cơ chế nhạy khí

Tính chất nhạy khí của dây nano cấu trúc SnO2/ZnO theo chúng tôi có sự đóng góp của hai cơ chế hóa học và điện tử. Khi phủ ZnO trên bề mặt dây nano SnO2 đã hình thành lớp tiếp xúc dị thể cùng loại hạt tải n-n, trong đó sự đóng góp của cơ chế điện tử là đáng kể. Cơ chế điện tử được giải thích dựa vào sự hình thành vùng nghèo điện tử tại lớp chuyển tiếp dị thể n-n (SnO2-ZnO) do hai oxit kim loại bán dẫn có công thoát điện tử khác nhau. Mô hình các mức năng lượng của SnO2 và ZnO trên Hình 4.13 cho thấy, vật liệu SnO2 có công thoát điện tử cỡ 4,9 eV nhỏ hơn so với công thoát điện tử của ZnO cỡ 5,2 eV, nên khi tiếp xúc với nhau điện tử từ dây nano SnO2 khuếch tán sang lớp vật liệu mỏng ZnO cho đến khi hai mức Fecmi của hai loại