Luận án Nghiên cứu chế tạo vật liệu biến hóa (metamaterials) ứng dụng trong cảm biến NDIR phát hiện khí CO2

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU BIẾN HÓA (METAMATERIALS) ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN NDIR PHÁT HIỆN KHÍ CO2

Ngành:

Vật liệu điện tử

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án tập trung nghiên cứu và phát triển vật liệu biến hóa (metamaterials - MMs) ứng dụng trong cảm biến khí CO2 sử dụng công nghệ hấp thụ hồng ngoại không tán sắc (NDIR). Bối cảnh nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu cấp thiết về giám sát chất lượng không khí và khí thải nông nghiệp trong bối cảnh biến đổi khí hậu gia tăng, đặc biệt là ở các quốc gia đang phát triển như Việt Nam, nơi các hệ thống giám sát hiện có còn hạn chế về chi phí và độ chính xác. Các cảm biến hóa học hiện tại thường có độ trôi cao, tuổi thọ ngắn và thiếu chọn lọc, trong khi cảm biến NDIR truyền thống dù có độ chọn lọc và độ tin cậy cao nhưng lại đắt tiền và cồng kềnh do sử dụng nguồn phát băng rộng và bộ lọc quang học.

Giải pháp được luận án đề xuất là tích hợp MMs để thay thế bộ lọc quang học truyền thống bằng cấu trúc siêu bề mặt có độ chọn lọc cao, tạo nguồn phát vi nhiệt dải hẹp và thu nhỏ kích thước cảm biến, phù hợp cho các ứng dụng IoT và nông nghiệp công nghệ cao. Mục tiêu chính của luận án là chế tạo thành công vật liệu MMs ứng dụng trong cảm biến khí CO2 tiên tiến, làm rõ cơ chế tương tác của MMs với bức xạ hồng ngoại, mô phỏng và thiết kế cấu trúc MMs lọc lựa hồng ngoại tại bước sóng 4.26 µm đặc trưng của CO2, cũng như thử nghiệm chế tạo MMs để tích hợp vào cảm biến NDIR.

Các kết quả nghiên cứu quan trọng đã đạt được bao gồm:

• Trong cấu hình truyền qua, MMs được ghép trên bề mặt nguồn vi nhiệt đã tạo ra nguồn phát hồng ngoại dải hẹp, đặc trưng cho tương tác với khí CO2. Cấu trúc đĩa cộng hưởng tròn – hốc cộng hưởng cho thấy hai đỉnh hấp thụ mạnh tại 3960 nm và 4197 nm với độ hấp thụ lần lượt 96,3% và 94,1%. Khi tích hợp với nguồn vi nhiệt zigzag, cấu trúc này giúp giảm khoảng 35% năng lượng tiêu thụ so với nguồn phát xạ vật đen, đồng thời đạt cường độ phát xạ cao (1.75×10^8 và 1.8×10^8 W.sr⁻¹.m⁻³), chứng minh khả năng phát xạ chọn lọc và tuổi thọ cao. Bên cạnh đó, vật liệu MMs khe chữ thập được mô phỏng làm bộ lọc quang dải hẹp tại bước sóng hấp thụ CO2 (4,26 µm), đạt độ truyền qua >90% và độ rộng phổ 180 nm, với tỷ lệ suy giảm tín hiệu 3,8% ở 573 K, khẳng định hiệu quả phát hiện chọn lọc CO2 và tiềm năng tiết kiệm năng lượng.
• Đối với cấu hình phản xạ, cảm biến NDIR tích hợp MMs dạng elip Si trên đế CaF2 đã được chế tạo và thử nghiệm. Kết quả cho thấy sự cải thiện rõ rệt về độ hấp thụ và độ nhạy của cảm biến: độ nhạy tăng từ 0,20134 lên 0,20991 / 1 ppm, giới hạn phát hiện (LoD) giảm từ 0,1569 ppm xuống 0,126 ppm, và độ lệch chuẩn (SD) giảm từ 19,87 ppm xuống 15,65 ppm trong dải nồng độ 0–10.000 ppm.

Tóm lại, luận án đã chứng minh vai trò của vật liệu biến hóa trong việc nâng cao hiệu suất, độ chọn lọc và độ nhạy của cảm biến NDIR, mở ra hướng phát triển mới cho các thiết bị phát hiện khí CO2 có khả năng tiết kiệm năng lượng và tích hợp cao.

Mục lục chi tiết:

• CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BIẾN HÓA ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN KHÍ

  • 1.1. Tổng quan về cảm biến khí hấp thụ hồng ngoại
    • 1.1.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến khí CO2
    • 1.1.2. Các phương thức cải tiến cảm biến NDIR
  • 1.2. Một số mô hình áp dụng MMs cho cảm biến NDIR
    • 1.2.1. Vật liệu MMs tích hợp trên bề mặt nguồn phát xạ hồng ngoại
    • 1.2.2. Vật liệu biến hóa tích hợp gần nguồn phát xạ IR (truyền qua)
  • 1.3. Kết luận chương 1

• CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU BIẾN HÓA VÀ THIẾT KẾ CẤU TRÚC CẢM BIẾN NDIR

  • 2.1. Phương pháp mô hình hóa sử dụng mạch LC tương đương
  • 2.2. Phương pháp mô phỏng vật lý
  • 2.3. Thiết kế cảm biến NDIR tích hợp MMs
    • 2.3.1. Cảm biến NDIR tích hợp MMs theo cấu hình truyền qua
    • 2.3.2. Cảm biến NDIR tích hợp MMs theo cấu hình phản xạ
  • 2.4. Kết luận Chương 2

• CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU CẤU TRÚC VẬT LIỆU BIẾN HÓA VÀO TRONG NGUỒN VI NHIỆT

  • 3.1. Nguồn vi nhiệt tạo đỉnh phát xạ đa cộng hưởng
    • 3.1.1. Mô phỏng và thiết kế
    • 3.1.2. Kết quả mô phỏng và thảo luận
  • 3.2. Nguồn vi nhiệt với cấu trúc hốc cộng hưởng
    • 3.2.1. Thiết kế và mô phỏng cấu trúc với vi nhiệt dạng xoắn
    • 3.2.2. Kết quả và thảo luận
  • 3.3. Tối ưu nguồn phát IR với vật liệu biến hóa MMs
    • 3.3.1. Thiết kế và mô phỏng
    • 3.3.2. Thiết kế nguồn vi nhiệt tích hợp vật liệu biến hóa
  • 3.4. Kết luận Chương 3

• CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ VẬT LIỆU BIẾN HÓA CHO ĐIỀU KHIỂN PHÁT XẠ HỒNG NGOẠI TRONG CẢM BIẾN NDIR

  • 4.1. Thiết kế cảm biến NDIR tích hợp MMs theo kiểu truyền qua
    • 4.1.1. Thiết kế cấu trúc cảm biến
    • 4.1.2. Kết quả cho cảm biến NDIR-MMs theo kiểu truyền qua
  • 4.2. Cảm biến NDIR-MMs theo cấu hình phản xạ
    • 4.2.1. Thiết kế cảm biến NDIR-MMs theo cấu hình phản xạ
    • 4.2.2. Hoạt động của NDIR-MMs theo cấu hình phản xạ
    • 4.2.3. Cơ chế hoạt động của tấm MMs
    • 4.2.4. Chế tạo gương phản xạ MMs điều khiển phổ hồng ngoại
    • 4.2.5. Chế tạo cảm biến khí NDIR-MMs theo cấu hình phản xạ
  • 4.3. Kết luận Chương 4