So Sánh Thời Gian Hồi - Đáp Khí H 2 S (0,1 ÷ 1 Ppm) Của Cảm Biến Cấu Trúc Dây

Độ nhạy khí H2S (0,1÷1 ppm) ở 200 °C của các cảm biến chế tạo được so sánh như trong Hình 4.18. Tất cả các cảm biến cho thấy khả năng đáp ứng và phục hồi tốt với khí H2S nồng độ thấp. Kết quả cũng cho thấy cảm biến dây nano SnO2 được phủ bề mặt bởi lớp WO3 có thể cải thiện hiệu suất cảm biến H2S. Các dây nano SnO2 được phủ 5 nm WO3 có đáp ứng khí cao nhất so với các mẫu được phủ lớp WO3 dày 3, 10 và 20 nm. Độ đáp ứng khí của mẫu cảm biến phủ lớp WO3 dày 5 nm với 1 ppm khí H2S là 177, trong khi độ đáp ứng khí của các mẫu cảm biến có bề dày lớp phủ WO3 là 3, 10, và 20 nm lần lượt là 12, 12, và 30. Hình 4.19 cho biết thời gian đáp ứng và hồi phục khí H2S của các cảm biến dây nano SnO2 phủ lớp WO3 có chiều dày khác 3, 5, 10 và 20 nm nhau tại 200 oC. Kết quả cho thấy thời gian đáp ứng khí giảm khi tăng nồng độ khí tăng từ 0,1 đến 1 ppm.

250

200

res ( sec )

150

100

2000

SnO2/WO3@ H2S

3 nm

5 nm

10 nm

20 nm

3 nm

5 nm

10 nm

20 nm

res ( sec )

1500

1000

500

0 0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

C ( ppm )

So sánh thời gian hồi - đáp khí H2S (0,1 ÷ 1 ppm) của các cảm biến cấu trúc dây nano SnO2 phủ lớp nano WO3 có bề dày khác nhau 3, 5, 10 và 20 nm tại 200 oC.

Khi ngắt khí H2S thời gian hồi phục của cảm biến tăng theo nồng độ khí. Với mẫu cảm biến có bề dày lớp phủ WO3 là 5 nm có thời gian đáp ứng và hồi phục nhanh

nhất (với 0,1 ppm là 36/80) – Bảng 3.1 so với các mẫu còn lại. Điều này chứng tỏ khả năng sử dụng cảm biến trong thực tế.

Tóm lại, độ nhạy khí của cảm biến phụ thuộc vào tính chất của lớp phủ WO3 và lớp tiếp xúc dị thể n-n giữa SnO2 và WO3. Cảm biến có cấu trúc dị thển-n với độ dày lớp biến tính nhất định có thể cải thiện đáng kể độ nhạy khí H2S của nó. Độ dày tối ưu của lớp biến tính WO3 để nâng cao độ nhạy khí H2S của cảm biến là 5 nm.

res ( sec )

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

C ( ppm )

Hình 4.21. So sánh thời gian hồi - đáp khí H2S (0,1 ÷ 1 ppm) của cảm biến cấu trúc dây nano SnO2 phủ lớp nano WO3 có bề dày 5 nm tại 150, 200 và 200 oC.

Đồ thị 4.21 cho thấy thời gian đáp ứng của mẫu cảm biến với bề dày lớp biến tính 5 nm nhanh trong khoảng 36 giây xuống 19 giây tương ứng với nồng độ khí tăng từ 0,1 ÷ 1 ppm. Thời gian hồi phục thì kéo dài hơn và tăng tỷ lệ thuận với nồng độ khí. Tại nhiệt độ 250 oC mẫu cho đáp ứng nhanh nhất là 19 giây tại 1 ppm H2S, thời gian hồi phục là 200 giây.

Tính chọn lọc với khí H2S của cảm biến cũng được phát hiện qua việc khảo sát nhạy khí với một số khí NH3, CO, H2 và NO2. Ở đây, chúng tôi đã nghiên cứu độ chọn lọc của dây nano SnO2 được phủ lớp WO3 dày 5 nm tại 200 °C và kết quả được hiển thị trong Hình 4.22.

Tính chọn lọc của cảm biến cấu trúc dây nano SnO2/WO3 – 5 nm tại 200 oC.

Độ đáp ứng của mẫu có kết quả là 1,87; 1,15; 1,07; 6,7 và 177 tương ứng với 25 ppm NH3, 200 ppm CO, 500 ppm H2, 1 ppm NO2 và 1 ppm H2S. Mặc dù nồng độ khí H2S thấp hơn nhiều so với các loại khí khác nhưng cảm biến cho thấy độ nhạy vượt trội. Do đó, cảm biến dựa trên dây nano SnO2 phủ WO3 có tính chọn lọc cao để phát hiện khí H2S ở 200 °C và có thể có hiệu quả cho ứng dụng thực tế; cải thiện được thời gian đáp ứng và hồi phục.

4.2.3.Đặc trưng nhạy khí NO2

Từ kết quả nghiên cứu, khảo sát các tính chất nhạy khí của cảm biến dây nano n -SnO2 biến tính hạt nano oxit loại n - SMO ở trên, chúng tôi thấy rằng mẫu dây nano oxit kim loại bán dẫn cấu trúc lòi -vỏ cùng loại hạt tải (n – n) mặc dù có đáp ứng tăng cường với khí khử H2S so với dây nano SnO2 nguyên sơ, tuy nhiên độ đáp ứng là không cao và kém hơn hẳn so với mẫu cấu trúc dị thể khác loại hạt tải (p – n) SnO2/p- SMO. Vì vậy chúng tôi tiếp tục nghiên cứu đặc trưng nhạy khí của cấu trúc này với khí ôxy hóa NO2 ở dải nhiệt độ thấp 50 – 150 oC.

Đặc trưng nhạy khí NO2 của cảm biến dây nano SnO2 biến tính bề mặt bởi WO3 dày 5 nm.

Với các mẫu SnO2/WO3 được chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt kết hợp với phương pháp phún xạ, chúng tôi tiếp tục khảo sát với khí NO2 tại các giá trị nồng độ 1, 2.5, 5 và 10 ppm tại dải nhiệt độ thấp từ nhiệt độ thấp từ 50 oC đến 150 oC. Kết quả nghiên cứu cho thấy tất cả các mẫu SnO2/WO3 với chiều dày lớp biến tính WO3 khác nhau đều cho đáp ứng khí tại dải nhiệt độ khảo sát, chứng tỏ cấu trúc lòi –vỏ đã cải thiện được nhiệt độ làm việc của cảm biến, đặc biệt cho phép cảm biến làm việc tại nhiệt độ thấp 50 oC.

Kết quả cũng chỉ ra cấu trúc SnO2/WO3 với chiều dày lớp biến tính dày 5 nm khảo sát ở các nhiệt độ 50 oC, 100 oC và 150 oC, khi nhiệt độ càng tăng thì điện trở của cảm biến càng giảm và độ nhạy của cảm biến tỷ lệ thuận với nồng độ khí. Điện trở của cảm biến tăng khi tiếp xúc với khí NO2 và giảm khi ngừng tiếp xúc cho thấy tính chất bán dẫn loại n của cảm biến. Kết quả cũng cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ đáp ứng khí. Với các độ dày lớp biến tính mỏng, cảm biến cho nhạy khí NO2 tốt nhất tại nhiệt độ 100 oC (Hình 4.24). Độ đáp ứng khí của cấu trúc tăng từ 56 đến 209 lần khi nồng độ khí tăng từ 1 đến 10 ppm.

Để thấy rò ảnh hưởng của chiều dày lớp biến tính đến tính chất nhạy khí của cảm biến, chúng tôi tiếp tục khảo sát đặc trưng nhạy khí của mẫu SnO2/WO3 có chiều dày lớp biến tính ước tính là 10 nm với khí NO2 (1 ÷10 ppm) trong dải nhiệt độ 50

÷150 oC.

Đặc trưng nhạy khí NO2 của cảm biến dây nano SnO2 biến tính bề mặt bởi WO3 dày 10 nm ở dải nhiệt độ 50 ÷ 150 oC.

Kết quả mẫu cấu trúc có chiều dày lớp biến tính WO3 là 10 nm có độ đáp ứng khí NO2 như Hình 4.24. Cũng như cấu trúc SnO2/ZnO, cấu trúc SnO2/WO3 cũng cho thấy chiều dày lớp biến tính đóng vai trò quan trọng đối với độ nhạy khí của cảm biến cấu trúc lòi – vỏ. Chiều dày lớp biến tính WO3 10 nm có độ đáp ứng khí tốt hơn so với mẫu có chiều dày lớp biến tính WO3 dày 5 nm. Độ đáp ứng của mẫu tăng từ 125 lên 818 lần khi nồng độ khí tăng từ 1 đến 10 ppm tại 100 oC. Nhiệt độ này cũng là nhiệt độ làm việc tốt nhất của cảm biến cấu trúc SnO2/WO3 – 10 nm.

Đặc trưng nhạy khí NO2 của cảm biến dây nano SnO2 biến tính bề mặt bởi WO3 dày 20 nm ở dải nhiệt độ 50 ÷ 150 oC.

Kết quả nhạy khí NO2 (1÷10 ppm) trong dải nhiệt độ 50 ÷ 150 oC (Hình 4.25) mẫu SnO2/WO3 (WO3 dày 20 nm) cho thấy cảm biến cũng thể hiện tính chất của cảm biến loại n. Tuy nhiên khi chiều dày lớp biến tính tăng lên theo thời gian phún xạ đã tạo thành một lớp biến tính liên tục, dày bao phủ toàn bộ dây nano lòi SnO2 khi đó

nhiệt độ làm việc tối ưu của cảm biến đã giảm xuống 50 oC (Hình 4.25). Độ đáp ứng khí của cảm biến này tăng từ 114 đến 586 lần khi nồng độ khí NO2 tăng từ 1 đến 10 ppm. Độ nhạy khí của các cấu trúc SnO2/WO3 (với chiều dày lớp biến tính WO3 là 10 nm và 5 nm) có độ nhạy khí tốt nhất tại 100 oC cũng giống tính chất của dây nano SnO2, tuy nhiên độ đáp ứng của các mẫu cấu trúc dị thể cao vượt trội điều này chứng tỏ sự đóng góp đặc biệt của lớp tiếp xúc dị thể cùng loại hạt tải n - n. Kết quả cũng cho thấy với một chiều dày thích hợp thì kết quả nhạy khí của mẫu dị thể cho nhạy khí tốt nhất tương ứng với chiều dày lớp biến tính WO3 là 10 nm. Mặt khác, chiều dày lớp WO3 tăng lên 20 nm cảm biến có thể hạ thấp nhiệt độ làm việc xuống 50 oC đồng thời vẫn tăng cường độ đáp ứng so với dây nano nguyên sơ SnO2.

So sánh độ đáp ứng khí H2S, NO2 dựa trên cảm biến khí SnO2 và cảm biến SnO2/n-SMO.

Vật liệu

Khí khảo sát	Nồng độ (ppm)	Nhiệt độ làm việc (oC)	Độ nhạy (Ra/Rg)	Tài liệu tham khảo
SnO2 NWs	H2S	1	200	3,6	Luận án
SnO2/ZnO NWs	H2S	500	350	2,1	[55]
WO3/Au/SnO2	H2S	1	50	6	[75]
SnO2/ZnO-10min NWs	H2S	2,5	350	7,8	Luận án
SnO2/WO3-5nm NWs	H2S	1	200	177	Luận án
SnO2 NWs	NO2	1	50	3	Luận án
SnO2/ZnO NWs	NO2	5	RT/UV	5	[23]
SnO2/ZnO NWs	NO2	1	90	46	[63]
SnO2/ZnO-10min NWs	NO2	1 10	38 38	300 1950	Luận án
SnO2/WO3-10 nm NWs	NO2	1	100	130	Luận án