Luận văn Nghiên cứu chế tạo ống nano cacbon bằng phương pháp cvd ứng dụng làm cảm biến khí NH3

Kết quả đo đặc trưng nhạy khí NH3 tại nhiệt độ phòng khi đo từng mức khác

nhau (hình 4.14) ở vùng nồng độ thấp của cảm biến CNT sau khi phủ 4nm kim loại

cho thấy: đáp ứng của cảm biến CNT/Co 4 nm (hình 4.14 a), CNT/Ag 4 nm (hình

4.14 b), CNT/Pt 4 nm (hình 4.14 c) và CNT/Au 4 nm (hình 4.14 d) đều đáp ứng tốt

với khí thử NH3. Cũng giống như CNT phủ 2nm, độ đáp ứng của CNT phủ 4nm tăng

nhanh ngay khi tiếp xúc với khí thử và đáp ứng tốt với nồng độ khí thử đưa vào ở

mức 7 ppm. Độ đáp ứng khí của CNT phủ 4nm tăng đều tương ứng với việc gia tăng

nồng độ khí thử đưa vào buồng đo. Giá trị độ đáp ứng không chỉ phụ thuộc vào nồng

độ khí thử mà còn phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của kim loại phủ lên bề mặt CNT.

Trong đồ thị hình 4.14 chúng ta có thể thấy với cùng một nồng độ khí thử đưa

vào độ đáp ứng có giá trị lớn nhất là của cảm biến CNT/Ag 4 nm đồng thời độ gia

tăng giá trị của độ đáp ứng theo nồng độ khí thử cũng lớn nhất sau đó lần lượt là của

cảm biến CNT/Co 4 nm; CNT/Pt 4 nm và CNT/Au 4 nm, cụ thể: khi nồng độ độ khí

thử là 7 ppm, độ đáp ứng của CNT/Ag 4 nm khoảng 1,5; CNT/Co 4 nm khoảng

1,4%; CNT/Pt 4nm khoảng 0,9%; CNT/Au 4 nm khoảng 0,6%; sau khi nồng độ khí

thử là 70 ppm (gia tăng 10 lần), độ đáp ứng đo được lần lượt CNT/Ag 4 nm khoảng

6,8% (tăng 4,53 lần); CNT/Ag 4 nm khoảng 4,8% (tăng 3,43 lần); CNT/Pt 4 nm đạt

2,9% (tăng 3,22 lần); CNT/Au4nm ~ 1,4% (tăng 2,33 lần).

pdf27 trang | Chia sẻ: mimhthuy20 | Lượt xem: 701 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Nghiên cứu chế tạo ống nano cacbon bằng phương pháp cvd ứng dụng làm cảm biến khí NH3, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
g phương pháp phún xạ. Bề dày của lớp kim loại xúc tác khoảng 3-10 nm. Đế có điện cực được đưa vào bên trong buồng phản ứng của hệ CVD nhiệt. Ở đây, CNT được tổng hợp tại nhiệt độ từ 700-900 oC với khí nguồn được chọn là (C2H2, CH4,). Khí N2 được sử dụng làm khí mang để tạo môi trường khí trơ trong suốt quá trình thực hiện tạo mẫu, đồng thời bảo vệ CNT mới hình thành khỏi bị ôxy hóa bởi ôxy trong không khí. Ngay sau quá trình tổng hợp CNT là quá trình làm sạch được thực hiện bằng việc ủ mẫu có chứa màng CNT trong môi trường không khí hoặc sử dụng các tác nhân ôxy hóa các bon vô định hình mà không ôxy hóa CNT như một số loại axit. Thường chọn ủ trong không khí ở nhiệt độ 400 0C, ôxy trong không khí có thể phản ứng ôxy hóa các bon vô định hình. Quá trình mọc CNT bằng phương pháp CVD chủ yếu được giải thích bằng cơ chế VLS (khí - lỏng - rắn). Trong cơ chế này, quá trình mọc CNT được hỗ trợ bởi các hạt xúc tác và kích thước của CNT phụ thuộc vào kích thước các hạt xúc tác. Trong quá trình mọc, vai trò của các hạt xúc tác rất quan trọng. Chỉ những hạt xúc tác phù hợp mới thúc đẩy việc hình thành cấu trúc CNT. Nguyên lý hoạt động và cơ chế nhạy khí của cảm biến Nguyên lý hoạt động chung của cảm biến khí kiểu điện trở rất đơn giản. Khi CNT giữa các điện cực hấp phụ khí thử (NH3, NO2...) chúng sẽ thay đổi điện trở. Đo Hình 2.1 Mô tả cảm biến kiểu điện trở răng lược và màng CNT được tổng hợp trên vùng điện cực răng lược Pt. 6 sự thay đổi điện trở này chúng ta sẽ xác định được loại khí thử và nồng độ của nó. Cơ chế nhạy khí NH3 của CNT được một số nhóm nghiên cứu lý giải bởi sự trao đổi điện tử của khí NH3 với bề mặt ống CNT. Tiếp xúc giữa điện cực kim loại – CNT – điện cực kim loại được mô phỏng giống một transitor hiệu ứng trường. Để hiểu được cơ chế nhạy khí của CNT và các hiệu ứng hóa học trên điện cực cổng, đầu tiên chúng ta xem như thực tế là mẫu SWCNT là loại bán dẫn pha tạp lỗ trống (bán dẫn loại p) trước khi chúng ta tiến hành thực nghiệm đo đạc khảo sát tính nhạy khí. Lỗ trống pha tạp trong SWCNT đã từng được quan sát bởi một số nhóm (Nature, 393, 49-51, 1998; Applied Physics Letters, 73, 2447-2449, 1998; Applied Physics Letters, 75, 627-629, 1999). Có thể cơ chế pha tạp lỗ trống của CNT được tạo thành do công thoát của điện cực kim loại không tương hợp với CNT nên khi xuất hiện tiếp xúc kim loại – CNT sẽ hình thành CNT bán dẫn loại p ((Nature, 393, 49-51, 1998) và những hiệu ứng tĩnh điện gây ra bởi điện tích đặc biệt tồn tại trên bề mặt hoặc khối SiO2. Kết quả của sự pha tạp lỗ trống là mức Fermi của SWCNT bán dẫn định xứ tại 25 meV nằm trên vùng hóa trị. Tiếp theo, chúng ta xem xét đến tính chất hóa học tự nhiên của các phân tử khí bị hấp phụ. Ví dụ: phân tử khí NH3 được biết đến là loại phân tử có tính khử mạnh, có thể nhường một điện tử độc thân cho phân tử khí khác. Khi hấp phụ phân tử NH3, do có khả năng cho điện tử nên điện tử có thể chuyển từ NH3 sang bán dẫn SWCNT loại p. Các điện tử từ NH3 chuyển sang bán dẫn SWCNT sẽ kết cặp với các lỗ trống và làm giảm nồng độ lỗ trống trong SWCNT, nghĩa là nồng độ hạt tải bị giảm nên độ dẫn điện giảm, điện trở của SWCNT tăng. Chang và các cộng sự (Applied Physics Letters, 79, 3863–3865, 2001) đã tính toán năng lượng liên kết của NH3 với (10, 0) SWCNT khoảng 0,18 eV và đây cũng là năng lượng cần thiết để nhường 0,04 điện tử trên một phân tử NH3 bị hấp thụ trên SWCNT. Chang cũng đã cho rằng cơ chế chuyển dịch hạt tải điện sẽ xác định sự thay đổi độ dẫn của SWCNT khi tiếp xúc với phân tử khí NH3. Gần đây, Bradley và các cộng sự lại cho rằng, tự thân phân tử NH3 sẽ không nhường điện tử cho các ống nanô – hiệu ứng trường (NT-FETs), chỉ khi NH3 hòa tan trong nước mới có khả năng nhường điện tử (Physical Review Letters, 91, 218301- 218314, 2003). Thêm nữa, những nghiên cứu của Bauschlicher và cộng sự đã chỉ ra rằng năng lượng liên kết lớn nhất của NH3 với (9, 0) SWCNT khoảng 0,087 eV và phân tử NH3 hấp phụ trên SWCNT sẽ chỉ nhường 0,008 điện tử trên một phân tử (Physical Review B, 70, 115409-115496, 2004). Do vậy, trong thực tế liên kết chủ yếu là tĩnh điện hơn là hình thành liên kết tạo bởi sự vận chuyển điện tử. Mặc dù tồn tại sự khác nhau trong việc giải thích cơ chế thay đổi độ dẫn của CNT khi tiếp xúc với NH3 nhưng các tác giả đều cho rằng CNT hấp thụ NH3 theo cơ chế hấp thụ vật lý. Với MWCNT, nhiệt độ cao sẽ làm giảm điện trở thông qua việc giảm khả năng truyền điện tích từ NH3 đển MWCNT, do đó có thể gia nhiệt MWCNT để giải hấp phụ NH3. Ngoài ra, kết quả này cũng chỉ ra rằng NH3 hấp phụ bởi MWCNT là một quá trình tỏa nhiệt. Hấp phụ và giải hấp phụ trong MWCNT là một quá trình thuận nghịch nên MWCNT sẽ là một loại vật liệu tiềm năng đầy hứa hẹn ứng dụng cho cảm biến NH3. Hệ khảo sát đặc tính nhạy khí sử dụng thiết bị đo dòng áp Keithley Hình 2.17 là sơ đồ cấu tạo hệ khảo sát đặc trưng nhạy khí của cảm biến khí trên cơ sở CNT được thiết kế tại Bộ môn Vật liệu điện tử thuộc Viện Vật lý Kỹ thuật 7 trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Buồng đo được tạo thành bởi một chuông thủy tinh có dung tích là 20 lít. Hình 2.17 Sơ đồ hệ khảo sát đặc trưng nhạy khí. Bên trong mẫu được giữ cố định bằng hệ thống gá nằm trên đế của lò gia nhiệt bằng nhôm và được kết nối với hệ đo Keithley thông qua hai kim điện cực đóng vai trò tiếp xúc điện. Điện áp một chiều được cấp thông qua thiết bị Keithley – 6487 picometer/voltage Source. Chƣơng 3 TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ NH3 Cấu tạo của cảm biến khí kiểu điện trở trên cơ sở CNT gồm hai phần chính: Điện cực răng lược: được thiết kế chế tạo bằng công nghệ vi điện tử trên bề mặt phiến Silic đã được ôxy hóa hoặc bằng phương pháp in phun trên bề mặt lớp nhôm ôxit. Thông qua điện cực răng lược, ta đo được điện trở của các màng CNT nằm giữa vùng không gian giữa hai điện cực. Lớp màng nhạy khí: là lớp màng mỏng vật liệu CNT được tổng hợp bằng phương pháp CVD đã qua xử lý nhiệt để tăng tính nhạy khí của vật liệu. Lớp màng này có vai trò quyết định đặc tính và hoạt động của cảm biến khí. Đặc tính nhạy khí của màng này hoạt động trên cơ sở đo sự biến thiên điện trở của màng. Hình 3.1 Cấu tạo của linh kiện cảm biến khí trên cơ sở vật liệu CNT. V2 Bơm chân không Keithley - 6487 Mẫu đo Buồng đo V1 Khí khảo sát: NH3, C2H5OH, LPG, H2O Bộ điều khiển nhiệt độ Lớp màng mỏng CNT Đế cách điện SiO2 hoặc Al2O3 Điện cực răng lược 8 Cấu tạo chung của cảm biến khí trên cơ sở CNT được mô tả trên hình 3.1, từ cấu tạo linh kiện cảm biến đã trình bày ở trên có thể thấy rằng việc chế tạo linh kiện này bao gồm hai phần chính là chế tạo điện cực răng lược và chế tạo màng nhạy khí. Trong quá trình thực nghiệm, hai loại điện cực cơ bản sau được sử dụng phục vụ cho mục đích đo đặc tính nhạy khí CNT: điện cực răng lược Pt trên đế Si/SiO2 và điện cực răng lược Pt trên đế Al2O3. Hình 3.2 Hình ảnh phóng to của một điện cưc răng lược Pt trên đế Si/SiO2 và ảnh chụp thực tế của từng cặp điện cực răng lược. Hình 3.6 Cảm biến khí trên cơ sở điện cực Pt trên đế Al2O3. Màng kim loại xúc tác Hệ bốc bay chùm điện tử (e-beam) được sử dụng để tạo lớp xúc tác Ni có bề dày 3÷8 nm, Trong quá trình này, chân không được hút đến khoảng 5.10-6 mbar, điện thế cao áp cấp cho hệ phát xạ điện tử xấp xỉ 50 kV, khi dòng điện có giá trị 160 mA quá trình bốc bay vật liệu lên điện cực được bắt đầu, áp suất làm việc lúc này khoảng 3.10 -5 mbar. Tùy thuộc bề dày của màng nhận được thời gian có thể kéo dài trong vòng vài phút. Bề dày màng được xác định qua thiết bị đo vi cân tinh thể thạch anh (QCM – Quarzt Crystal Microbalance). Phản ứng tổng hợp CNT Đế có điện cực được đưa vào bên trong buồng phản ứng của hệ CVD nhiệt. Ở đây, CNT được tổng hợp tại các nhiệt độ từ 600 đến 800 oC với khí nguồn được chọn là C2H2, thời gian phản ứng là được thay đổi từ 15 phút, 30 phút đến 45 phút. Khí N2 được sử dụng làm khí mang để tạo môi trường khí trơ trong suốt quá trình thực hiện tạo mẫu, đồng thời bảo vệ CNT mới hình thành khỏi bị ôxy hóa bởi ôxy trong không khí. Kết quả khảo sát trên điện cực Pt đế SiO2/Si Ảnh hưởng của nhiệt độ mọc đến sự hình thành CNT Hình 3.10 a, 3.10 b, 3.10 c là ảnh SEM của hình thái CNT mọc tại các nhiệt độ khác nhau, với tỷ lệ lưu lượng khí C2H2/N2 được cố định là 10/35 sccm và thời gian phản ứng CVD khoảng 15 phút. Ảnh SEM cho thấy khi nhiệt độ tăng, đường kính 9 Hình 3.11 Ảnh SEM của CNT mọc với điều kiện không NH3(a) và tiền xử lý có NH3 (b). trung bình của CNT cũng tăng. Đường kính trung bình của CNT ước tính từ ảnh SEM là 20, 60 và 72 nm tương ứng với các nhiệt độ phản ứng CVD là 600 oC, 700 o Cvà 800 o C. Sự hình thành CNT ở nhiệt độ thấp (600 oC) sẽ giảm kích thước CNT so với việc tổng hợp CNT ở nhiệt độ phản ứng cao hơn như (700 oC và 800 oC). Tuy nhiên, bề mặt của CNT khi mọc ở nhiệt độ thấp có chứa nhiều các bon vô định hình do ở nhiệt độ thấp tốc độ hình thành tinh thể của các graphit cũng giảm. Hình 3.10 Ảnh SEM của CNT mọc bởi các hạt xúc tác Ni được phún xạ trên bề mặt đế SiO2/Si ở 600 o C (a), 700 o C (b) và 800 o C (c) trong 15 phút. Các nghiên cứu của chúng tôi ở nhiệt độ cao (~800 oC) cho thấy bề mặt CNT có ít các bon vô định hình hơn, đường kính trung bình của CNT khá lớn, khoảng 70÷80 nm (hình 3.10 c). Căn cứ vào hình thái bề mặt có thể thấy rằng CNT ở nhiệt độ này khá thích hợp cho ứng dụng vật liệu nhạy khí tuy nhiên đường kính trung bình của CNT khá to nên CNT sẽ giảm tính bán dẫn thậm chí chúng có thể dẫn điện giống kim loại. Như vậy, qua kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng CVD đến hình thái bề mặt của vật liệu CNT, chúng tôi đã lựa chọn nhiệt độ phản ứng thích hợp để tổng hợp vật liệu CNT là khoảng 700 oC đến 750 oC. Khi đó đường kính của CNT có kích thước khoảng 60÷70 nm. Ảnh hưởng của tiền xử lý chất khử NH3 đến sự hình thành CNT Chất khử (khí NH3) đóng một vai trò quan trọng trong quy trình chế tạo CNT. NH3 tạo thành khi cho khí N2 sục qua dung dịch NH4OH sẽ là cần thiết để loại bỏ lớp ôxít bao quanh các hạt nano Ni (tạo bởi sự ôxi hoá của O2 trong không khí), lớp ôxit này sẽ kìm hãm vai trò xúc tác phản ứng hình thành CNT. Hình 3.11 cho thấy ảnh SEM của CNT hình thành ở 725 oC trong thời gian 30 phút và với cùng lưu lượng khí phản ứng C2H2/N2. Quá trình mọc được thực hiện trong điều kiện không có NH3 (hình 3.11.a) và tiền xử lý có NH3 (hình 3.11.b). Khí khử NH3 được sử dụng để điều khiển kích thước các hạt xúc tác Ni. Ảnh SEM trong hình 3.11.b cho thấy đường kính 10 trung bình của CNT là khoảng 70 nm, hơi lớn hơn so với CNT phát triển ở 700 oC trong 15 phút (Hình 3.10.b). Tuy nhiên, giá trị này nhỏ hơn đường kính trung bình của CNT tổng hợp ở cùng một điều kiện mà tiền xử lý không dùng khí khử NH3 (~ 80 nm). Điểm khác biệt hơn của việc có hay không sử dụng khí khử NH3 trong tiền xử lý là chiều dài của CNT sẽ ngắn hơn và lớp CNT cũng sẽ mỏng hơn nếu không dùng NH3 để khử xúc tác Ni. Chiều dài của ống trong các trường hợp này rất khó xác định, tuy nhiên theo các nghiên cứu trước của chúng tôi cỡ vài µm. Điều này được cho rằng, CNT có thể chỉ phát triển với sự hỗ trợ của lớp hạt nano Ni nằm dưới lớp Ni đầu tiên bị ôxi hóa thành ôxít. Ảnh hưởng thời gian phản ứng và lưu lượng khí đến sự hình thành CNT Chúng tôi đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng thời gian phản ứng đến sự hình thành CNT, các mẫu tổng hợp ở cùng một điều kiện về nhiệt độ (700 oC) và tỷ lệ lưu lượng khí tham gia phản ứng C2H2/N2 giữ không đổi, thời gian phản ứng khác nhau trong 15 phút và 45 phút (đây là thời gian phát triển đủ dài để so sánh cấu trúc CNT). Hình 3.12 Ảnh SEM của CNT mọc tại điều kiện nhiệt độ 700 oC, tiền xử lý với khí khử NH3 và cùng điều kiện tỷ lệ lưu lượng C2H2/N2 trong thời phản ứng 15 phút (a) và 45 phút (b). Trên ảnh SEM có thể ước lượng đường kính trung bình của hai mẫu CNT lần lượt là 50 nm và 120 nm tương ứng với thời gian phản ứng lần lượt là 15 phút và 45 phút. Với đường kính trung bình của CNT là 120 nm khá lớn và tính bán dẫn phụ thuộc nhiều vào đường kính CNT. Vì vậy, trong thực nghiệm khi tiến hành phản ứng CVD với thời gian phản ứng lâu, CNT thu được thường thể hiện tính chất dẫn điện nhiều hơn tính chất bán dẫn. Đó cũng là lý do chọn thời gian phản ứng CVD để tổng hợp CNT với mục đích làm vật liệu nhạy khí trong khoảng 10 phút đến 20 phút. Ngoài ra, so sánh các kết quả tạo CNT trên các ảnh SEM trường hợp ở cùng điều kiện nhiệt độ, thời gian phản ứng 15 phút, tuy nhiên khác về lưu lượng khí như hình 3.10 b) và 3.12 a) chúng ta cũng có thể nhận thấy nếu tỷ lệ lưu lượng khí mang C2H2/N2 tăng thì đường kính trung bình của CNT sẽ tăng cụ thể lưu lượng C2H2 tăng gấp 2 lần thì đường kính trung bình CNT tăng từ 50 nm đến 65 nm. Kết quả khảo sát linh kiện cảm biến khí trên cơ sở vật liệu CNT đế Si/SiO2 Ảnh FESEM cũng cho thấy lớp CNT hình thành ở vùng giữa các điện cực Pt (hình 3.13a), CNT sau khi ủ nhiệt có độ sạch cao, bề mặt ống CNT mịn và phía đầu 11 ống CNT có xuất hiện các hạt xúc tác, phù hợp với cơ chế hình thành CNT (hình 3.13.b, 3.13.c). Hình 3.13 Ảnh FESEM của CNT được tổng hợp bằng phương pháp CVD tại nhiệt độ 750 oC trong thời gian 30 phút trên đế SiO2 có chứa điện cực răng lược Pt . Các ống CNT kết hợp với nhau tạo thành màng dày (a). Ảnh phóng đại x 10.000 lần (b) và x 150.000 lần (c) của màng CNT thu được. Hình 3.14 Phổ Raman của màng CNT nhận được, đỉnh G-band thể hiện tính tinh thể của ống cácbon đa thành, đỉnh D-band thể hiện tính bất trật tự của cấu trúc. Hình 3.14 thể hiện kết quả đo phổ Raman của MWCNT hình thành với điều kiện nêu trên. Cấu trúc đa lớp của ống CNT được xác định bởi sự xuất hiện của đỉnh phổ tại giá trị 1590 cm-1 (đỉnh G-band). Phổ G-banb có bề rộng phổ khá hẹp thể hiện cấu trúc tinh thể khá tốt của ống nano cácbon. Ngoài ra, đỉnh có giá trị cỡ 1325 cm-1 được xác định do cấu trúc bất trật tự của ống nano cácbon, có thể từ các sai hỏng, tạp a) b) c) 12 chất một phần còn tồn lại dính trên bề mặt ống cácbon. Kết quả khảo sát đặc trưng nhạy khí như trên cho thấy độ nhạy của cảm biến khí trên cơ sở CNT vẫn còn thấp (thông qua giá trị độ đáp ứng khí thay đổi còn nhỏ), nhưng khá rõ ràng. Hình 3.16 Khảo sát đặc trưng nhạy khí của CNT với khí NH3 ở nhiệt độ phòng với các nồng độ khác nhau (a) và với một số loại khí khác (b). Các kết quả khảo sát độ nhạy khí với một số loại khí thử như NH3, hơi cồn và khí LPG cho thấy màng CNT có thể nhạy khí NH3 thậm chí ở nhiệt độ phòng. Mặt khác màng CNT cũng thể hiện tốt tính chất nhạy khí có chọn lọc với loại khí này với các nồng độ khí khác nhau. Kết quả khảo sát trên điện cực Pt đế Al2O3 Trong cảm biến khí kiểu điện trở đế là Al2O3, lớp CNT được mọc trên một khu vực được xác định giữa hai điện cực Pt được mô tả trong hình 3.21 a:. Hình 3.21 b thể hiện ảnh SEM của các mẫu tổng hợp ở 725 °C. Hình 3.23 (a, b) cho thấy cảm biến CNT đáp ứng với NH3 ở nhiệt độ phòng. Ở nồng độ NH3 thấp (dưới 100 ppm), độ đáp ứng khí của cảm biến tăng lên từng chút khi nồng độ khí NH3 tăng lên. Ngược lại, độ đáp ứng giảm xuống 0 % khi mở buồng đo để cảm biến được tiếp xúc với không khí (hình 3.23 a). Thời gian phục hồi trong trường hợp này là khoảng 200 giây. Hình 3.21 Hình ảnh CNT mọc trong vùng giữa các điện cực Pt của cảm biến với đế ôxit nhôm (a); CNT trên bề mặt đế ôxit nhôm (b). Chúng tôi đã khảo sát độ đáp ứng của cảm biến ở vùng nồng độ khí NH3 cao 100 - 800 ppm. Hình 3.23 b biểu diễn độ đáp ứng của màng CNT thay đổi phụ thuộc vào nồng độ khí NH3, có thể thấy thời gian đáp ứng khoảng 30 - 50 giây và thời gian phục hồi khoảng 500 giây ở nồng độ 800 ppm. Mối quan hệ giữa độ đáp ứng khí của cảm biến và nồng độ NH3 được thể hiện trong hình 3.23 c, trên đồ thị có thể được chia thành hai khu vực tuyến tính: khu vực nồng độ thấp và khu vực nồng độ cao. a) b) a) b) 13 Hình 3.23 Độ đáp ứng khí NH3 đo tại nhiệt độ phòng của cảm biến CNT trên đế ôxit nhôm ở nồng độ thấp (<100 ppm) (a) và nồng độ cao (lên đến 800 ppm) (b). Sự phụ thuộc của độ đáp ứng khí phụ thuộc nồng độ khí NH3 cho thấy hai vùng tuyến tính tương ứng (c). Độ nhạy tăng nhanh hơn ở vùng nồng độ thấp so với độ nhạy đo ở vùng nồng độ cao. Do đó, ở vùng nồng độ thấp đồ thị có độ dốc lớn hơn so với đường đồ thị ở vùng nồng độ cao. Quan sát này xảy ra bởi cấu trúc màng CNT, trong đó sự tương tác giữa CNT với khí NH3 hấp phụ tăng lên khi nồng độ khí tăng lên. Điều này có thể lý giải như sau: lúc đầu số phân tử khí hấp phụ trên CNT tăng theo nồng độ và sự trao đổi điện tích giữa các phân tử NH3 và CNT cũng tăng. Tuy nhiên khi nồng độ NH3 tăng thêm, các phân tử NH3 khác phải khuếch tán sâu vào màng để được hấp phụ trên các vách CNT. Mặt khác, số tâm hấp phụ trên CNT là giới hạn nên tại một nồng độ khí NH3 nhất định, độ nhạy sẽ không tăng và đạt giá trị bão hòa. Chƣơng 4 TĂNG CƢỜNG TÍNH NHẠY KHÍ NH3 TRÊN CƠ SỞ MÀNG CNT PHỦ NANÔ KIM LOẠI Năm 2010, Ning Peng và cộng sự đã tiến hành các thí nghiệm để xác định vai trò của hai cơ chế nhạy khí: cơ chế tương tác trực tiếp là cơ chế khi các phân tử khí thử bị hấp phụ trên bề mặt CNT chúng sẽ trao đổi, vận chuyển các hạt tải mang điện với CNT; cơ chế tương tác gián tiếp thông qua lớp tiếp xúc thụ động của CNT/vật liệu khác hay còn gọi là cơ chế biến điệu rào thế SB. Với mục đích ban đầu là chế tạo cảm biến khí NH3 trên cơ sở CNT có thể làm việc tại nhiệt độ phòng, tuy nhiên ở nhiệt độ phòng cảm biến hoạt động theo cơ chế chủ đạo là tương tác truyền điện tích từ NH3 cho CNT sẽ có độ đáp ứng thấp (Bảng 4.1). Vì vậy, để tăng cường độ đáp ứng khí NH3 ở nhiệt độ phòng, cảm biến trên cơ sở CNT thuần cần phải thay đổi cấu trúc 14 để cơ chế nhạy khí chủ đạo là biến điệu rào thế SB bằng cách tạo ra nhiều các tiếp xúc CNT/kim loại. Trên cơ sở đó chúng tôi đã sử dụng kỹ thuật bốc bay bằng chùm điện tử các kim loại Co, Ag, Au và Pt để tạo các lớp tiếp xúc CNT/kim loại lên trên bề mặt cảm biến CNT thuần. Bảng 4.1 Bảng so sánh cơ chế hoạt động theo kiểu biến điệu rào thế SB và cơ chế truyền điện tích của cảm biến khí NH3 trên cơ sở CNT. Cơ chế Biến điệu rào thế SB Truyền điện tích Độ đáp ứng Rất cao trong chế độ nghèo Thấp Phụ thuộc vào điện áp cổng Mạnh Yếu Nhiệt độ làm việc Nhiệt độ phòng Nhiệt độ lớn hơn 150 0 C Độ hồi phục Thấp có thể cải thiện ở mức điện áp cổng dương Tốt Hình 4.5 Ảnh FESEM của CNT thuần a) tổng hợp bằng phương pháp CVD trong điều kiện nhiệt độ phản ứng là 725 0C, thời gian phản ứng là 30 phút với khí nguồn là C2H2 và khí mang là N2, được tiền xử lý bằng khí NH3, ủ tại 400 0 C và CNT sau khi phủ 2 nm: Co (b), Ag (c), Pt (d) và Au (e). b) c) d) e) CNT thuần không phủ kim loại CNT/Co 2nm CNT/Ag 2nm CNT/Pt 2nm CNT/Au 2nm a) 15 Hình 4.5 (b-e) và hình 4.6 (a-d) là ảnh FESEM của lớp CNT nhạy khí được phủ màng của một số kim loại (Co, Ag, Pt, Au) có độ dày quy đổi từ 2-4 nm. Các lớp màng kim loại này sau khi phủ tạo ra các hạt nanô kim loại (NP) trên bề mặt CNT. Ảnh FESEM cho thấy các NP của từng kim loại trên đều đồng nhất, tuy nhiên với mỗi kim loại khác nhau hình thái bề mặt của NP bám trên CNT lại khác nhau. Trong trường hợp kim loại phủ là Pt, các NP của Pt trong hai trường hợp phủ 2 và 4 nm đều hình thành các đảo tách rời nhau, điều này có thể quan sát rõ trong hình 4.5 d và 4.6 c. Trong trường hợp kim loại phủ là Ag, hình thái NP trên CNT phụ thuộc vào độ dày của các lớp kim loại Ag bốc bay. Nếu bề dày lớp phủ quy đổi khoảng 2 nm, hình thái lớp phủ Ag có xu hướng bao phủ toàn bộ bề mặt CNT, các NP không quan sát thấy trong ảnh FESEM (hình 4.5 c). Các NP của Ag chỉ được hình thành khi lớp phủ Ag có bề dày quy đổi khoảng 4 nm (hình 4.6 b). Trong trường hợp kim loại phủ là Co và Au, hình thái NP trên CNT không phụ thuộc nhiều vào độ dày của lớp Co hoặc Au bốc bay. Hình thái chung của lớp phủ đều có xu hướng bao phủ toàn bộ bề mặt của CNT, các NP không xuất hiện trong ảnh FESEM (hình 4.5 b và e; hình 4.6 a và d). Tuy nhiên hình thái lớp phủ của Co và Au trên CNT không hoàn toàn giống nhau trong cả hai trường hợp phủ 2 và 4 nm. Hình thái của CNT/Co tuy có xu hướng bao phủ bề mặt CNT nhưng bề mặt này lại gồ ghề không trơn nhẵn như trên bề mặt CNT/Au (hình 4.5 b và e). Trong trường hợp phủ 2 nm kim loại Co và Au, bề mặt của CNT/Co và CNT/Au không khác nhau nhiều nhưng cũng có thể nhận thấy bề mặt CNT/Co gồ ghề hơn bề mặt CNT/Au. Sự tương phản này thể rõ nhất trong trường hợp phủ 4 nm, hình thái của CNT/Co trong trường hợp này tuy bao phủ bề mặt CNT nhưng có xu hướng kết tụ CNT/Co 4nm CNT/Ag 4nm a) d) CNT/Pt 4nm CNT/Au 4nm c) b) Hình 4.6 Ảnh FESEM của CNT sau khi phủ 4 nm: Co (a), Ag (b), Pt (c) và Au (d). 16 thành các đám liên kết giống như các NP nhưng không tách rời rõ ràng còn hình thái bề mặt của CNT/Au khi phủ 4 nm rất trơn nhẵn thậm chí trên ảnh FESEM còn có thể thấy rõ một lớp rất mỏng Au trơn nhẵn bao phủ hoàn toàn bề mặt CNT. Đặc trưng nhạy khí của cảm biến trên cơ sở màng CNT phủ các hạt nanô của một số kim loại (Co, Ag, Pt và Au) Kết quả khảo sát đặc trưng nhạy khí của vật liệu CNT phủ 2 nm kim loại Co, Ag, Pt và Au Hình 4.8 Độ đáp ứng khí NH3 ở nhiệt độ phòng của cảm biến CNT/Co 2nm (a); CNT/Ag 2 nm (b); CNT/Pt 2 nm (c) và CNT/Au 2 nm (d) khi đo từng mức ở vùng nồng độ thấp. Các đường đặc trưng khí đều cho thấy CNT phủ 2nm các kim loại trên đều có độ đáp ứng khí NH3 tốt, độ đáp ứng gần như tăng ngay lập tức khi xuất hiện khí thử thậm chí với nồng độ khí thử ở mức rất thấp tối thiểu 7 ppm, tuy nhiên độ đáp ứng ở cùng một nồng độ đo không phải đều giống nhau, độ đáp ứng này phụ thuộc vào vật liệu phủ kim loại. Đo tại cùng một nồng độ khí thử, CNT/Ag 2 nm có độ đáp ứng lớn nhất sau đó đến CNT/Co 2nm tiếp theo là CNT/Pt 2nm và cuối cùng kém nhất là CNT/Au 2nm. Khi nồng độ khí NH3 tăng dần theo từng mức, độ đáp ứng của các CNT phủ 2nm kim loại cũng tăng dần, độ tăng khá đều và tuyến tính theo từng mức nồng độ khí đưa vào. Ngoài ra, trên đồ thị đo đặc trưng nhạy khí NH3 còn cho thấy CNT phủ 2nm kim loại có độ hồi phục tốt, độ hồi phục khá giống nhau đối với bốn kim loại phủ, thời gian hồi phục trong khoảng từ 250-300 giây tùy thuộc vào nồng độ khí thử. Ngoài ra, Thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục của cảm biến CNT thuần và CNT/Co 2 nm trong thí nghiệm này ngắn hơn nhiều so với một số công trình đã công bố khác (Nanomater Nanotechnol, 2, 1–6, 2012; Sensors Actuators B, 113, 36– 46, 2006). a) b) d) c) 17 Hình 4.9 Độ đáp ứng khí NH3 ở nhiệt độ phòng của cảm biến CNT/Co 2 nm (a-b); CNT/Ag 2 nm (c-d); CNT/Pt 2 nm (e-f) và CNT/Au 2 nm (g-h) khi đo liên tục ở vùng nồng độ thấp. Thời gian hồi phục của cảm biến loại này tăng nhẹ so với cảm biến CNT thuần, điều này có thể được giải thích bởi khi CNT phủ thêm 2nm kim loại sẽ làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với khí thử và tăng khả năng bắt giữ các phân tử khí tuy nhiên ngược lại khả năng nhả khí, giải hấp phụ sẽ kém hơn. Ngoài ra, khi CNT phủ thêm 2nm kim loại nghĩa là sẽ xuất hiện tiếp xúc CNT/kim loại, theo Ning Peng cơ chế nhạy khí giữ vai trò chính ở nhiệt độ phòng sẽ là cơ chế biến điệu rào thế SB; trong bảng 4.1 đã so sánh thời gian hồi phục theo cơ chế biến điệu rào thế sẽ lâu hơn cơ chế truyền điện tích (Nanotechnology and Nanomaterials , "Carbon Nanotubes", chap XVIII, 2010). a) c) e) g) b) d) f) h) 18 Khi so sánh cùng mức nồng độ khí thử, độ đáp ứng khí NH3 của CNT/Ag 2 nm tăng lên đáng kể với cảm biến CNT thuần; tiếp theo là độ đáp ứng của cảm biến CNT/Co 2 nm cũng được cải thiện khá nhiều; với cảm biến CNT/Pt 2nm độ nhạy khí NH3 cũng đã được cải thiện tuy không nhiều và độ đáp ứng tăng không đáng kể là cảm biến CNT/Au so với cảm biến CNT thuần. Lý giải hiện tượng này, chúng tôi cho rằng một cách đơn giản cảm biến này sẽ hoạt động dựa hai cơ chế nhạy khí NH3: cơ chế thứ nhất là cơ chế tương tác trao đổi điện tử trực tiếp từ NH3 với CNT, tại nhiệt độ phòng cơ chế này không giữ vai trò chủ đạo; cơ chế thứ hai là cơ chế biến điệu rào thế SB (với điện áp VGS = 0) tại vùng tiếp xúc CNT/(Co, Ag, Pt, Au) cơ chế này giữ vai trò chủ đạo tại nhiệt độ phòng. Trong khi đó, có thể thấy với cấu trúc cảm biến khí NH3 trên cơ sở CNT thuần hoạt động ở nhiệt độ phòng sẽ dựa trên chủ yếu cơ chế thứ nhất, cơ chế tương tác trao đổi điện tử trực tiếp từ NH3 với CNT. So sánh hai cơ chế này ở nhiệt độ phòng theo Ning Peng thì độ đáp ứng khí của cảm biến khí NH3 hoạt động theo cơ chế biến điệu rào thế SB sẽ cao hơn độ đáp ứng khí của cảm biến khí NH3 hoạt động theo cơ chế tương tác trao đổi điện tử. Khi khảo sát độ đáp ứng trong khu vực nồng độ cao điều này khôn

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdft_m_t_t_lu_n_v_n_nguy_n_quang_l_ch_8384_1854840.pdf
Tài liệu liên quan