Luận án Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng/ tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NHẠY KHÍ TRÊN CƠ SỞ SnO2 VÀ ZnO HOẠT ĐỘNG Ở NHIỆT ĐỘ PHÒNG/ TỰ ĐỐT NÓNG NHẰM PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN KHÍ TRÊN ĐỂ DẺO

Ngành:

Khoa học vật liệu

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án này tập trung vào nghiên cứu và chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng/tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo. Bối cảnh nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu ngày càng tăng đối với cảm biến khí trên đế dẻo trong các ứng dụng điện tử đeo tay, RFID, bao bì thông minh và giám sát sức khỏe. Các thách thức chính bao gồm việc lựa chọn đế dẻo chịu nhiệt và tích hợp vật liệu nhạy khí mà không làm giảm hiệu suất, do đa số đế polyme hiện có có giới hạn nhiệt độ hoạt động.

Luận án đã thành công trong việc chế tạo các cấu trúc nano một chiều (thanh nano và dây nano) của ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt, có khả năng phát hiện khí NO2 ở nhiệt độ phòng. Các cảm biến này thể hiện độ kết tinh cao, đơn pha và có tiềm năng ứng dụng trên đế dẻo. Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng chế tạo thành công các cấu trúc rẽ nhánh giữa dây nano ZnO và dây nano SnO2 (gồm SnO2/ZnO, ZnO/SnO2, SnO2/SnO2, ZnO/ZnO) bằng phương pháp bốc bay nhiệt CVD. Các cấu trúc rẽ nhánh này có độ kết tinh và hình thái tương đồng, với cấu trúc dị thể SnO2/ZnO cho độ đáp ứng vượt trội (390 lần) đối với 1 ppm khí NO2 ở nhiệt độ phòng, cùng độ chọn lọc cao, phù hợp cho phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.

Đặc biệt, luận án đã chế tạo thành công cảm biến khí H2 hoạt động ở nhiệt độ phòng/tự đốt nóng sử dụng vật liệu màng mỏng SnO2 biến tính Pt trên đế dẻo Kapton bằng phương pháp phún xạ DC. Cảm biến này đạt độ đáp ứng 3 lần với 500 ppm H2 ở chế độ tự đốt nóng với công suất tiêu thụ cực thấp (89 µW), và độ đáp ứng 991 lần với 2000 ppm H2 ở chế độ Schottky tại 0,7 V. Các đóng góp mới của luận án bao gồm việc tối ưu hóa quy trình chế tạo các cấu trúc nano đã nêu và cung cấp các quy trình chi tiết cho chế tạo chip điện cực và vật liệu nhạy khí, làm cơ sở tham khảo quan trọng cho nghiên cứu và phát triển cảm biến khí trên đế dẻo trong tương lai.

Mục lục chi tiết:

• MỞ ĐẦU

  • 1. Tính cấp thiết của đề tài

• 2. Mục tiêu nghiên cứu

  • (1) Nghiên cứu, chế tạo vật liệu có cấu trúc thanh nano và dây nano của ô xít ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt có khả năng phát hiện được khí NO2 ở nhiệt độ phòng nhằm ứng dụng phát triển cảm biến khí trên để dẻo.
  • (2) Nghiên cứu, chế tạo vật liệu có cấu trúc nano rẽ nhánh giữa dây nano ZnO và dây nano SnO2 bằng phương pháp bốc bay nhiệt hệ CVD có khả năng phát hiện được khí NO2 ở nhiệt độ phòng nhằm ứng dụng phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.
  • (3) Nghiên cứu, chế tạo vật liệu màng mỏng SnO2/Pt bằng phương pháp phún xạ DC trên đế dẻo Kapton có khả năng phát hiện khí H2 ở nhiệt độ phòng/ tự đốt nóng.
  • (4) Nghiên cứu và đưa ra quy trình chế tạo các chíp cảm biến, quy trình chế tạo vật liệu, tìm hiểu các cơ chế nhạy khí của vật liệu ở nhiệt độ phòng/ tự đốt nóng, áp dụng giải thích các đặc trưng nhạy khí của các cảm biến chế tạo được.

• 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• 4. Phương pháp nghiên cứu

• 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

• 6. Những đóng góp mới của đề tài

• 7. Cấu trúc của luận án

  • Chương 1: Tổng quan
  • Chương 2: Thực nghiệm
  • Chương 3: Cảm biến khí NO2 hoạt động ở nhiệt độ phòng trên cơ sở vật liệu SnO2 và ZnO nhằm ứng dụng phát triển cảm biến khí trên đế dẻo
  • Chương 4: Cảm biến khí hydro ở nhiệt độ phòng/ tự đốt nóng dùng vật liệu màng mỏng SnO2/Pt trên để dẻo Kapton
  • Kết luận và kiến nghị

• CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

  • 1.1. Cảm biến khí trên đế dẻo dùng vật liệu SMO cấu trúc nano
  • 1.2. Hiện tượng hấp phụ trên bề mặt vật liệu SMO
  • 1.3. Vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO thuần hoạt động ở nhiệt độ phòng/ tự đốt nóng
  • 1.4. Vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO biến tính bằng kim loại quý hoạt động ở nhiệt độ phòng
  • 1.5. Vật liệu nhạy khí trên cơ sở cấu trúc dị thể của vật liệu SMO hoạt động ở nhiệt độ phòng
  • 1.6. Hiệu ứng Schottky và hiệu ứng tự đốt nóng

• CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

  • 2.1. Quy trình chế tạo các cảm biến cấu trúc 1 chiều (1D) của vật liệu ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt
  • 2.1.1. Thực nghiệm chế tạo chíp điện cực Silic cho cảm biến
  • 2.1.2. Thực nghiệm chế tạo cấu trúc thanh nano và dây nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt
  • 2.2. Thực nghiệm chế tạo các cấu trúc dây nano rẽ nhánh theo phương pháp bốc bay nhiệt bằng hệ CVD
  • 2.2.4. Quy trình tổng hợp các cấu rẽ nhánh giữa SnO2 và ZnO
  • 2.3. Quy trình chế tạo cảm biến trên cơ sở màng mỏng SnO2/Pt
  • 2.4. Các phương pháp phân tích hình thái và vi cấu trúc
  • 2.5. Khảo sát tính chất điện và tính nhạy khí của các cảm biến

• CHƯƠNG 3. CẢM BIẾN KHÍ NO2 HOẠT ĐỘNG Ở NHIỆT ĐỘ PHÒNG TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU SnO2 và ZnO NHẰM PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN KHÍ TRÊN ĐẾ DẺO

  • 3.1. Cảm biến khí NO2 ở nhiệt độ phòng trên cơ sở cấu trúc nano 1-D của vật liệu ZnO
  • 3.1.1. Khảo sát hình thái của thanh nano ZnO và dây nano ZnO
  • 3.1.2. Vi cấu trúc thanh nano và dây nano ZnO
  • 3.1.3. Tính chất điện và đặc trưng nhạy khí của cảm biến dựa trên vật liệu thanh nano và dây nano ZnO
  • 3.2. Cảm biến khí NO2 ở nhiệt độ phòng trên cơ sở các cấu trúc rẽ nhánh giữa dây nano ZnO và dây nano SnO2
  • 3.2.1. Vi cấu trúc và hình thái các cấu trúc rẽ nhánh
  • 3.2.2. Khảo sát đặc trưng nhạy khí NO2 ở nhiệt độ phòng

• CHƯƠNG 4. CẢM BIẾN KHÍ HYDRO Ở NHIỆT ĐỘ PHÒNG/ TỰ ĐỐT NÓNG DÙNG VẬT LIỆU MÀNG MỎNG SnO2/Pt TRÊN ĐẾ DẺO KAPTON

  • 4.1. Khảo sát vi cấu trúc và hình thái của màng vật liệu SnO2/Pt
  • a. Hình thái bề mặt
  • b. Vi cấu trúc màng SnO2/Pt
  • 4.2. Khảo sát hiệu ứng Schottky trên màng mỏng SnO2/Pt (1:1)
  • 4.2.1. Đặc trưng I – V cảm biến SnO2/Pt theo các chiều dày màng
  • 4.2.2. Tính chất nhạy khí H2 của cảm biến theo chiều dày màng
  • 4.3. Khảo sát hiệu ứng tự đốt nóng màng SnO2/Pt
  • 4.3.1. Đặc trưng I-V màng SnO2/Pt (50 nm – 2:1)
  • 4.2.1. Đặc trưng nhạy khí

• KẾT LUẬN