Chế tạo cảm biến khí cấu trúc dây nano IN₂O₃ trên điện cực bằng phương pháp CVD
Lê Xuâ n Thành
CHẾ TẠO CẢM BIẾN KHÍ CẤU TRÚC
DÂ Y NANO IN2O3 TRÊN ĐIỆN CỰC
BẰNG PHƯƠNG PHÁP CVD
Lê Xuâ n Thành1
1Học viện Cô ng nghệ Bưu chính Viễn thô ng
1Tóm tắt: Hiện nay các loại cảm biến khí thế hệ mới
trên cơ sở vật liệu có cấu trúc nano với nhiều tính năng ưu
việt đang thu hút được các nghiên cứu đặc biệt là các dây
nano oxit bán dẫn như SnO2, ZnO, TiO2 và In2O3...Trong
nghiên cứu này, chúng tôi đã chế tạo dây nano oxit indium
đơn tinh thể (NW) trên điện cực cài răng lược Platin bằng
phương pháp CVD. Phân tích hình thái và cấu trúc của các
dây nano In2O3 (NWs) bằng kính hiển vi điện tử quét
(SEM) và nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy rằng các dây
nano In2O3 là đơn tinh thể và có đường kính khoảng 100-
200nm. Tính chất nhạy khí của cảm biến dây nano In2O3
đối với NO2 đã được tiến hành đo trong khoảng nhiệt độ
từ 250 đến 450 °C.
năng phát hiện cao các chất khí ở nồng độ thấp với thời gian
đáp ứng và phục hồi nhanh có thể đạt được ngay cả ở dải
nhiệt độ làm việc thấp hơn. Do đó, gần đây đã có nhiều
những nghiên cứu được thực hiện để tạo ra các cấu trúc dây
nano bao gồm SnO2, ZnO, TiO2 và In2O3 [3-6]. Trong số
các chất bán dẫn có tính chất nhạy khí này, In2O3, một chất
bán dẫn loại n quan trọng có khoảng cách dải rộng 3,6 eV
và độ dẫn điện tốt, đã được sử dụng rộng rãi để phát hiện
cả hai loại khí oxy hóa bao gồm O3, C2H5OH và NO2 ... và
các loại khí khử như CO, H2S và H2 ... [7-10].
Đã có một số phương pháp được phát triển để tổng hợp
các dây nano In2O3, như lắng đọng hơi hóa học (CVD) [11],
lắng đọng xung laser (PLD) [13], lắng đọng điện hóa [14]
và phương pháp thủy nhiệt[15]. Trong số này, lắng đọng
hơi hóa học đã được sử dụng rộng rãi để phát triển cấu trúc
dây nano. Phương pháp này rất dễ dàng, đơn giản và rẻ tiền
để có được cấu trúc dây nano đơn tinh thể.
Từ khóa: Cảm biến khí, Cấu trúc dây nano, dây nano
In2O3, chế tạo dây nano, phương pháp CVD.
I. GIỚI THIỆU
Đã có nhiều nghiên cứu, chế tạo dây nano In2O3 đơn
tinh thể trên nền SiO2 / Si được thực hiện, tuy nhiên việc
chế tạo kiểm soát được hình thái và kích thước dây nano
In2O3 trên điện cực vẫn là một thách thức lớn. Trong nghiên
cứu này, chúng tôi đã chế tạo cảm biến khí cấu trúc dây
nano oxit indium đơn tinh thể trên điện cực cài răng lược
Pt bằng phương pháp CVD. Các kết quả nghiên cứu hình
thái và cấu trúc nano bằng phương pháp kính hiển vi điện
tử quét (FE - SEM) và nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy cấu
trúc dây nano đã được chế tạo thành công trên điện cực.
Các mẫu cảm biến này được tiến hành đo nhạy khí NO2 với
các nồng độ 2.5, 5 và 10 ppm ở các nhiệt độ 250°C, 350°C,
450°C.
Hiện nay môi trường ở Việt Nam, cũng như trên thế giới
đang bị ô nhiễm đặc rất nghiêm trọng do sự xuất hiện hàng
loạt các khu đô thị và khu công nghiệp khiến cho lượng các
khí ô nhiễm xả thải ra môi trường ngày càng nhiều. Bởi vậy
việc nghiên cứu các loại cảm biến khí ứng dụng trong quan
trắc môi trường ngày càng phát triển và các nghiên cứu gần
đây tập trung mạnh vào việc phát triển các loại cảm biến
khí thế hệ mới trên cơ sở vật liệu có cấu trúc nano với nhiều
tính năng ưu việt như giá thành thấp, kích thước bé, độ ổn
định cao, công suất tiêu thụ nhỏ.
Trong những năm gần đây, việc chế tạo cấu trúc nano
một chiều đã thu hút nhiều sự chú ý do tính chất vật lý và
hóa học mới lạ của chúng và các tiềm năng ứng dụng trong
công nghệ nano [1, 2]. Ngoài ra, việc áp dụng các cấu trúc
này trong lĩnh vực cảm biến khí rất hứa hẹn do tiềm năng
thu nhỏ kích thước của cảm
II. THỰC NGHIỆM
Hiện nay các loại cảm biến khí thế hệ mới trên cơ sở vật
liệu có cấu trúc nano với nhiều tính năng ưu việt đang thu
hút được các nghiên cứu đặc biệt là các dây nano oxit bán
dẫn như SnO2, ZnO, TiO2 và In2O3...Trong nghiên cứu này,
biến và tỷ lệ diện tích bề mặt lớn so với thể tích ở kích
thước nano cho phép khuếch tán nhanh các phân tử khí.
Điều này giúp cho cảm biến khí có độ nhạy cao hơn và khả
Tác giả liên lạc: Lê Xuân Thành,
Email: thanhqn80@gmail.com
Đến tòa soạn: 18/10/2020, chỉnh sửa: 02/11/2020, chấp nhận đăng: 20/12/2020.
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông có mã
số 05-HV-2020-ĐT1.
SOÁ 04B (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
75
CHẾ TẠO CẢM BIẾN KHÍ CẤU TRÚC DÂY NANO IN2O3 TRÊN ĐIỆN CỰC BẰNG PHƯƠNG PHÁP CVD
chúng tôi đã chế tạo dây nano oxit indium đơn tinh thể
(NW) trên điện cực cài răng lược Platin bằng phương pháp
CVD. Phân tích hình thái và cấu trúc của các dây nano
In2O3 (NWs) bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và nhiễu
xạ tia X (XRD) cho thấy rằng các dây nano In2O3 là đơn
tinh thể và có đường kính khoảng 100-200nm. Tính chất
nhạy khí của cảm biến dây nano In2O3 đối với NO2 đã được
tiến hành đo trong khoảng nhiệt độ từ 250 oC đến 450 °C.
có sự tiếp xúc, đan xen vào nhau. Nhờ có sự tiếp xúc này
nên giữa hai điện cực cài răng lược hình thành một cấu trúc
dẫn điện bởi các sợi dây nano. Điện trở giữa 2 điện cực này
chính là điện trở của cảm biến và sự thay đổi điện trở khi
có các nồng độ khí khác nhau được đưa vào là đặc trưng
điện của cảm biến.
Sơ đồ của thiết bị thí nghiệm được sử dụng để chế tạo
dây nano In2O3 được thể hiện trong hình 1. Điện cực được
sử dụng cho cảm biến là điện cực cài răng lược có diện tích
800 µm × 1600 µm, được chế tạo bằng phương pháp phún
xạ Pt trên đế SiO2/Si. Để chế tạo dây nano, chúng tôi đặt
vật liệu nguồn (0,2 g kim loại indium, độ tinh khiết 99,9%)
trên thuyền alumin và đặt ở phần trung tâm của ống thạch
anh nằm ngang dài 50 cm trong lò. Đế điện cực Pt được đặt
cách vật liệu nguồn trong ống 6-13 cm. Hệ thống được đốt
nóng lên đến 900 °C trong 30 phút dưới dòng khí Ar không
đổi với tốc độ 50 sccm. Sau đó, dòng O2 có tốc độ 1 sccm
được đưa vào buồng và nhiệt độ được giữ ở 900 °C trong
40 phút. Nhiệt độ lắng đọng trên đế là 800 °C. Sau khi để
nguội đến nhiệt độ phòng, quan sát thấy các lớp màu trắng
mờ trên điện cực là do các cấu trúc dây nano In2O3 đã được
hình thành. Để khảo sát hình thái, cấu trúc dây nano, các
mẫu sau khi chế tạo được đưa đi chụp ảnh hiển vi điện tử
quét phát xạ trường - SEM (Scanning Electron microscope.
Cấu trúc tinh thể của mẫu được phân tích bằng phương
pháp chụp ảnh nhiễu xạ tia X (XRD). Điện trở của các cảm
biến được đo liên tục bằng thiết bị Keithley (2700) được
kết nối với máy tính trong khi không khí khô và khí phân
tích được bật và tắt trong mỗi chu kỳ.
b)
Hình 1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm sử dụng để chế tạo dâ y
nano In2O3 trên đế bằng phương pháp CVD
Hì nh 2. Hì nh ảnh FE-SEM của cấu trúc dâ y nano In2O3
trên điện cực
Thí nghiệm được nhóm nghiên cứu thực hiện tại Viện
Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS) của trường
Đại học Bách Khoa Khà Nội, bao gồm các thành phần
chính như lò nhiệt, hệ van khí, hệ điều khiển lưu lượng khí,
bình khí và bơm chân không.
Hình 2 (c) cho thấy các dây nano In2O3 có cấu trúc đinh
ghim (nanopushpins) thân có dạng thanh nhưng có tinh thể
bát diện trên đầu. Các dây In2O3 có chiều dài khoảng vài
chục micromet và đường kính khoảng 100-200 nm. Các cấu
trúc này được cho là mọc theo cơ chế VS [16] với các quá
trình động học của sự tăng trưởng cấu trúc theo bề mặt tinh
thể. Hình 3 mô tả cơ chế hình thành cấu trúc đinh ghim của
dây nano In2O3. Khi nồng độ hơi In quá bão hòa trên bề mặt
đế cao đã hình thành nên các mầm tinh thể bát diện In2O3
hoặc InxO (x = 1, 2) theo phương trình (1, 2). Các mầm tinh
III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Hình 2 (a) - (c) là hình ảnh chụp FE-SEM với các độ
phóng đại khác nhau thể hiện hình thái cấu trúc của các dây
nano In2O3 được tổng hợp ở 800 °C. Ảnh FE-SEM cho thấy
các dây nano In2O3 được mọc trên điện cực và các dây nano
SOÁ 04B (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
76
Lê Xuâ n Thành
thể InxO là trạng thái giả bền và dễ bị chuyển thành trạng
thái bền In2O3 [16].
In (v) + O2 → 2In2O (v)
hoặc In (v) + O2 → 2InO (v)
4InO (v) + 2O2) → In2O3
(1)
(2)
hoặc In2O(v) + O2 → In2O3
Hình 3 mô tả cơ chế hình thành cấu trúc đinh ghim của
dây nano In2O3. Bằng việc kết hợp giữa cơ chế mọc VS với
các quá trình động học của sự tăng trưởng cấu trúc theo bề
mặt tinh thể, hình thái của cấu trúc lá kim cũng được giải
thích như hình 4. Khi duy trì được lượng lớn hơi vật liệu In
trên bề mặt tại nơi các mầm tinh thể bát diện được tạo thành
thì sự phát triển cấu trúc dây nano In2O3 sẽ chủ yếu diễn
theo hướng [16] còn sự phát triển theo hướng khác rất chậm
thậm chí bị ngừng [17]. Sự phát triển theo hướng [18] của
mặt tinh thể (100) ở phía dưới sẽ tạo ra thân của cấu trúc
đinh ghim.
Hì nh 5. (a) Phâ n tí ch phổ XRD và (b) EDX của dâ y nano
In2O3 được tổng hợp ở 800◦C
Hình 3. Sơ đồ minh hoạ cơ chế hì nh thành cấu trúc đinh
ghim của dâ y nano In2O3
Hình 4. Cơ chế mọc cấu trúc lá kim
Cấu trúc tinh thể và độ tinh khiết của mẫu được xác định
bằng phương pháp phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD) và
XRD của các cấu trúc dây nano In2O3 dùng phương bốc
bay sử dụng bột In ở nhiệt độ lắng đọng 800oC. Giản đồ
phổ nhiễu xạ tia X được thực hiện với góc 2ϴ nằm trong
khoảng 10o – 70o . Qua giản đồ phổ nhiễu xạ tia X kết hợp
với tra cứu thư viện phổ chuẩn JCPDS (thẻ 00 – 06 – 0416),
cho kết quả các mẫu đều có cấu trúc tinh thể dạng cubic,
với các thông số mạng a = b = c = 10.118 Å, α = β = γ =
90o. Trên giản đồ phổ nhiễu xạ tia X đỉnh nhiễu xạ trên mặt
tinh thể (222) có cường độ lớn nhất. Các đỉnh nhiễu xạ
mạnh và sắc nét chỉ ra rằng các cấu trúc nano là các cấu
trúc đơn tinh thể. Đỉnh 420 và 422 chưa được xác định
tương ứng với chất nền của điện cực. Ảnh EDX của các của
dây nano In2O3 được thể hiện trên hình 5 (b). Phổ EDX chỉ
ra rằng các dây nano được cấu tạo bởi oxy và indium. Kết
quả tỷ lệ mol của In: O được tính toán là 5: 3. Sự thiếu oxy
so với phép đo phân lớp In2O3 cho thấy kim loại indium có
thể bị oxy hóa không hoàn toàn để tạo thành In2O3.
SOÁ 04B (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
77
CHẾ TẠO CẢM BIẾN KHÍ CẤU TRÚC DÂY NANO IN2O3 TRÊN ĐIỆN CỰC BẰNG PHƯƠNG PHÁP CVD
Hì nh 6. Phổ XRD của cá c cấu trúc thanh nano, lá kim, dâ y
nano
Giản đồ phổ nhiễu xạ tia X được thực hiện với góc 2ϴ
nằm trong khoảng 10o – 70o . Qua giản đồ phổ nhiễu xạ tia
X kết hợp với tra cứu thư viện phổ chuẩn JCPDS (thẻ 00 –
06 – 0416 ), cho kết quả các mẫu đều có cấu trúc tinh thể
dạng cubic, với các thông số mạng a = b = c = 10.118 Å, α
= β = γ = 90o. Trên giản đồ phổ của tất cả các mẫu đỉnh
nhiễu xạ trên mặt tinh thể (222) có cường độ lớn nhất.
Hình 6 (a) và (c) cho thấy sự xuất hiện của 1 số đỉnh
phổ của Au, và Si bên cạnh các đỉnh phổ của In2O3. Sự xuất
hiện của các đỉnh phổ Au có thể được giải thích bởi cơ chế
mọc của thanh nano và dây nano theo cơ chế VLS với giọt
Au trên đầu. Còn sự xuất hiện của đỉnh phổ Si là do sự ảnh
hưởng của đế nền.
Hình 6 (b) cho thấy không có đỉnh phổ của tạp chất nào
khác được phát hiện cho thấy độ tinh khiết của mẫu theo cơ
chế mọc tự xúc tác – cơ chế VS.
Hình 7. Đáp ứng nhạy khí của cảm biến dâ y nano theo
nồng độ khí NO2 (2.5–10 ppm) được đo ở 250 oC (a), 350
oC (b), 450 oC (c); Độ nhạy khí ((Rg-Ra) /Rg) như một hàm
của nhiệt độ hoạt động (d).
Hình 7 (a) – (c) thể hiện đáp ứng nhạy khí của cảm biến
dây nano theo nồng độ khí NO2 (2.5–10 ppm) được đo ở
các nhiệt độ tương ứng 250 oC, 350 oC, 450 oC. Từ đồ thị
ta thấy điện trở của các cảm biến tăng lên khi tiếp xúc với
khí NO2 sau đó giảm về giá trị ban đầu khi tiếp xúc với
không khí khô. Khi nồng độ khí NO2 tăng lên khả năng
đáp ứng của các cảm biến cũng tăng. Kết quả này chỉ ra
rằng các cảm biến dây nano In2O3 là một cảm biến bán dẫn
loại n điển hình và điều này cũng phù hợp với các mô hình
giải thích về cơ chế nhạy khí của vật liệu dây nano In2O3
[18,19]. Khi bề mặt vật liệu In2O3 tiếp xúc với khí oxy hoá
như NO2 thì các phân tử khí NO2 sẽ phản ứng với các
nguyên tử, phân tử oxy hấp phụ trên bề mặt In2O3 làm giảm
số lượng các điện tử trong vùng dẫn, khiến cho điện trở của
các cảm biến tăng. Các đường đặc trưng nhạy khí cho thấy
các cảm biến khí trên cơ sở cấu trúc dây nano In2O3 có khả
năng đáp ứng và hồi phục khá nhanh, chỉ khoảng vài chục
giây. Nhiệt độ càng cao thì khả năng đáp ứng và hồi phục
càng tốt.
Hình 7 (d) thể hiện độ nhạy khí của cảm biến như là
một hàm của nồng độ khí NO2 ở các nhiệt độ đo khác nhau.
Đặc trưng độ nhạy khí của cảm biến được định nghĩa là S
= (Rg-Ra) / Rg), trong đó Ra và Rg lần lượt là điện trở của
cảm biến trong không khí khô và khí phân tích. Độ nhạy
khí của cảm biến tăng lên khi nồng độ khí NO2 tăng lên ở
tất cả các nhiệt độ đo được. Độ nhạy khí đạt được cao nhất
SOÁ 04B (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
78
Lê Xuâ n Thành
o
ở 350 C. Khi nhiệt độ thấp hoặc vượt lên cao hơn vùng
CREATING NANO IN2O3 STRUCTURE
SENSOR ON ELECTRICITY BY CVD METHOD
nhiệt độ 350 oC thì độ nhạy khí của cảm biến lại giảm dần.
Abstract: Currently, new generation gas sensors based
on nanostructured materials with many outstanding
features are attracting special studies, especially
semiconductor oxide nanowires such as SnO2, ZnO, TiO2
and In2O3. .. In this study, we fabricated single crystal
indium (NW) nanowires on platinum comb toothed
electrodes by CVD method. Morphological and structural
analysis of the In2O3 (NWs) nanowires by scanning
electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD)
showed that the In2O3 nanowires were monocrystalline and
had a diameter of about 100 -200nm. The gas-sensitive
properties of the In2O3 nanowire sensor for NO2 were
measured in the temperature range from 250 oC to 450 °C.
IV. KẾT LUẬN
Trong nghiên cứu này, cảm biến khí trên cơ sở dây nano
oxit indium đơn tinh thể (NW) trên điện cực cài răng lược
Platin đã được chế tạo bằng phương pháp CVD. Phân tích
SEM, XRD và EDX cho thấy rằng các dây nano In2O3 là
đơn tinh thể và có đường kính khoảng 100-200nm. Đặc
trưng nhạy khí của cảm biến dây nano In2O3 đối với NO2
cho thấy các cảm biến khí có khả năng đáp ứng và hồi phục
o
nhanh. Độ nhạy khí đạt được cao nhất ở 350 C. Kết quả
nghiên cứu cho thấy rõ tiềm năng sử dụng In2O3 làm nền
tảng phát triển cảm biến khí hóa học trong tương lai. Trong
thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tiến hành biến tính bề
mặt dây nano In2O3 bằng các hạt nano kim loại quý như
Au, Pd nhằm cải thiện tính nhạy khí và độ chọn lọc của cảm
biến; tiến hành đo nhạy khí thêm với các khí khác như H2,
NO2, H2S.
Keywords: Gas sensor, Nanowire structure, In2O3
nanowires, nanowire fabrication, CVD method
Lê Xuâ n Thành tốt nghiệp
đại học năm 2003 và cao học
năm 2010 tại Học viện Cô ng
nghệ Bưu chính Viễn thô ng.
Hiện nay, tá c giả là giảng viên
khoa Kỹ thuật điện tử 1, Học
viện Cô ng nghệ Bưu chính
Viễn thô ng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Y. Xia, P. Yang, Y. Sun, Y. Wu, B. Mayers, B. Gates, Y.
Yin, F. Kim, H. Yan, Advanced Material, 15, 353(2003)
[2] F. Leonard, A.A. Talin, Phys. Rev. Lett. 97, 026804, (2006)
[3] R.K. Joshi, Q. Hu, F. Alvi, N. Joshi, A. Kumar, J. Phys.
Chem. C 113, 16199–16202 (2009)
[4] I. Aruna, F.E. Kruis, S. Kundu, M. Muhler, R. Theissmann,
Lĩnh vực nghiên cứu: Xử lý
tín hiệu số, Điện tử tương tự…
M. Spasova, J. Appl. Phys. 105, 1–8/064312 (2009)
[5] P. Xu, Z. Cheng, Q. Pan, J. Xu, Q. Xiang, W. Yu, Y. Chu,
Sens. Actuat. B: Chem. 130, 802–808 (2008)
[6] Yang L X, Luo S L, Cai Q Y, Chin Sci Bull, 55, 331–
338(2010)
[7] J.Q. Xu, Y.P. Chen, Q.Y. Pan, Q. Xiang, Z.X. Cheng, X.W.
Dong, Nanotechnology 18, 1–7, (2007)
[8] Y.S. Li, J. Xu, J.F. Chao, D. Chen, S.X. Ouyang, J.H. Ye,
G.Z. Shen, J. Mater. Chem. 21, 12853–12857, (2011)
[9] R.Q. Xing, Q.L. Li, L. Xia, J. Song, L. Xu, J.H. Zhang, Y.
Xie, H.W. Song, Nanoscale 7, 13051–13060, (2015)
[10] L. Xu, B. Dong, Y. Wang, X. Bai, Q. Liu, H.W. Song, Sens.
Actuators B: Chem. 147, 531–538, (2010)
[11] J. Xiang, W. Lu, Y. Hu, Y. Wu, H. Yan, C.M. Lieber, Nature
441, 489–493 (2006)
[12] O. Hayden, A.B. Greytak, D.C. Bell, Adv. Mater. 17,
701(2005).
[13] M. Law, L.E. Greene, J.C. Johnson, R. Saykally, P. Yang,
Nat. Mater. 4, 455 (2005)
[14] R. Sui, P. Charpentier, Fluids. Chem. Rev., 112, 3057–
3082, (2012)
[15] Pan Z. W., Dai. Z. R. and Wang Z. L., Science 291, 1947–9
(2001)
[16] Wenyan Yin, Minhua Cao, Shengjun Luo, Changwen Hu,
2178 (2009)
[17] Nandan Singh, Tao Zhang and Pooi See Lee,
Nanotechnology, 20, 195605 (2009)
(2009)
[19] K.D. Schierbaum, U. Weimar, W. Go¨pel, R. Kowalkowski,
Sens. Actuators B, 3, 205–214 (1991).
SOÁ 04B (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
79
5 trang
11640
Free
Bạn đang xem tài liệu "Chế tạo cảm biến khí cấu trúc dây nano IN₂O₃ trên điện cực bằng phương pháp CVD", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- che_tao_cam_bien_khi_cau_truc_day_nano_ino_tren_dien_cuc_ban.pdf
