Thạc Sĩ Cảm biến khí trên nền vật liệu graphene

Lời mở đầu
Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học và kĩ thuật, đã giúp con người đạt được nhiều tiện ích trong cuộc sống tuy nhiên cùng với những tiện ích đó thì các tác nhân gây hại song hành cũng xuất hiện, ví dụ: tủ lạnh, máy lạnh và các thiết bị làm lạnh nói chung được sử dụng để bảo quản thực phẩm cũng như tạo môi trường dễ chịu, tuy nhiên các loại khí làm lạnh mà các thiết bị này sử dụng như NH3, CH3Cl, SO2, hay gần đây là khí freon đều rất độc hại. Khí freon là một chất khí không màu không mùi, khi nồng độ chất khí này là 20% thì con người sẽ không cảm nhận được, nếu tăng lên 80% thì con người sẽ ngạt thở và chết, ngoài ra freon còn là chất có hại cho tầng ozôn gây ảnh hưởng đến bầu khí quyển chung của trái đất. Tổng thể các nguy hại này thể hiện qua việc nóng lên của toàn cầu dẫn đến các hậu quả khó lường như thiên tai bão lụt, hạn hán, biến đổi khí hậu toàn cầu .
Việc phát hiện ra các khí thải độc hại ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường là một vấn đề cấp bách cần nghiên cứu. Tuy chúng chỉ đóng một vai trò nhỏ trong toàn bộ quá trình cấp tiến để khôi phục môi trường và an toàn sức khỏe cộng đồng, nhưng rất quan trọng vì chúng cảnh báo được các nguy cơ tiềm ẩn và đưa ra các chỉ tiêu thông số định hướng cho các ngành công nghiệp khác phải tuân theo (ví dụ nồng độ (mg/Nm3) khí thải tối đa của một số chất như CO là 1000, NH3 là 76, Cl2 là 32 [QCVN 19: 2009/BTNMT] ). Trên cơ sở đó sẽ tạo ra một nền công nghiệp phục vụ cho nhu cầu lợi ích con người nhưng vẫn thỏa mản yêu cầu sạch và xanh.
Bởi bản chất khó phát hiện của hầu hết các chất khí độc hại, yêu cầu phải có những hệ thống phát hiện hay những cảm biến có hiệu quả cao. Một cảm biến đạt yêu cầu, sẽ phải có khả năng phát hiện khí hay chất hóa học mong muốn ở mức độ một nguyên tử/phân tử khí hay chất hóa học đó. Có thể kể ra một số loại cảm biến như:
 Cảm biến điện giải rắn: cảm biến dựa trên độ dẫn của ion
 Cảm biến xúc tác: cảm biến dựa trên sự thay đổi điện trở bởi nhiệt độ
 Cảm biến khí oxit bán dẫn : cảm biến dựa trên sự thay đổi của hạt tải gây ra bởi phản ứng của các phân tử.
Thế hệ cảm biến mới được phát triển sau khi những hợp chất mới được cấu thành từ carbon như fullerene và carbon nanotube CNT được khám phá. Những cảm biến điện tử chế tạo bởi fullerene rất nhạy với các phân tử ngoại lai hấp thụ lên nó. Nguyên nhân của điều đó là do mỗi nguyên tử trên fullerene đều là một nguyên tử bề mặt, điều này làm tăng khả năng tương tác của các nguyên tử trên fullerene với phân tử hấp thụ. Đối với CNT, điện tử truyền tải qua CNT bị ảnh hưởng bởi nhóm chức của những bức tường xung quanh, vì vậy bằng việc điều khiển những vị trí sai hỏng người ta có thể tăng cường độ nhạy của cảm biến sử dụng CNT làm lớp nhạy khí. Gần đây nhất, một thù hình mới của carbon, graphene, tổ hợp các đặc tính tốt của Fullerene, graphene có một diện tích bề mặt cực lớn mỗi nguyên tử đều là một nguyên tử bề mặt (số lượng nguyên tử bề mặt không hạn chế như fullerene), graphene có khả năng đính những nhóm chức khác nhau (tùy vào phương pháp chế tạo) cho phép mở rộng dải khí hấp thụ mà nó có thể nhận biết được bằng cách đính vào hoặc pha tạp nhóm chức hoặc vật liệu phù hợp. Những khám phá gần đây, graphene là vật liệu hứa hẹn, đã và đang mở ra một hướng mới về những cảm biến điện siêu nhanh, siêu nhạy và có độ nhiễu điện thấp [7].
Trên cơ sở các nghiên cứu của bộ môn Vật lý Chất rắn về chế tạo graphene và nghiên cứu các tính chất đặc trưng của chúng tôi được thực hiện thành công trong những năm gần đây, chúng tôi mong muốn phát triển định hướng nghiên cứu ứng dụng cho loại vật liệu này, điển hình nhất được thể hiện qua luận văn này chính là cảm biến khí trên nền vật liệu graphene. Từ mục đích đó, đề tài nghiên cứu được trình bày heo cấu trúc sau: Tổng quan – Thực nghiệm và kết luận, trong đó phần thực nghiệm bao gồm tiến trình thực nghiệm và kết quả thảo luận.
 Trong phần tổng quan chúng tôi nêu rõ một số vấn đề, khái niệm về cảm biến, cảm biến khí hóa học, cũng như vật liệu chế tạo cảm biến khí hóa học gồm có graphene và một số vật liệu nano.
 Trong phần tiến trình thực nghiệm chúng tôi giới thiệu các thiết bị sử dụng trong đề tài đặc biệt là hệ đo nhạy khí được chúng tôi xây dựng phục vụ cho việc khảo sát linh kiện cảm biến mà chúng tôi chế tạo được.
 Trong phần kết quả thảo luận chúng tôi sẽ trình bày các khảo sát nhạy khí đối với cảm biến sử dụng vật liệu graphene, và cảm biến sử dụng tổ hợp vật liệu graphene- dây nano Ag. Ngoài ra đối với tổ hợp vật liệu graphene-dây nano Ag chúng tôi còn tiến hành các khảo sát thay đổi các thông số tạo mẫu cũng như thông số hệ đo.
Phần kết luận nêu rõ các kết quả đạt được của quá trình nghiên cứu và nhìn nhận thấy được các khiếm khuyết và các định hướng khắc phục nhằm mục đích hướng đến khả năng ứng dụng thực tiễn của cảm biến khí trên nền vật liệu graphene.

Mục lục
Lời cảm ơn . i
Mục lục ii
Danh mục hình ảnh v
Danh mục bảng biểu . ix
Danh mục các kí hiệu và các từ viết tắt x
Lời mở đầu 1
1. Tổng quan . 4
1.1 Tổng quan về cảm biến . 4
1.1.1. Phân loại cảm biến 4
1.1.2. Đặc tính cơ bản của cảm biến 7
1.2. Cảm biến khí trên nền vật liệu graphene 13
1.2.1. Graphene 13
1.2.1.1. Giới thiệu 13
1.2.1.2. Tính chất điện-điện tử của graphene . 15
1.2.2. Cảm biến khí trên nền vật liệu graphene . 26
1.3. Tổ hợp vật liệu graphene-vật liệu cấu trúc nano một chiều . 30
1.3.1. Vật liệu cấu trúc nano một chiều . 30
1.3.2. Tổ hợp graphene-vật liệu cấu trúc nano 32
1.3.2.1. Lai hóa ngoại biên . 32
1.3.2.2. Tinh thể hóa nội tại . 33
1.3.3. Tổ hợp graphene-dây nano Ag . 35
2. Thực nghiệm . 36
2.1. Mục đích của luận văn 36
2.2. Tiến trình thực nghiệm 38
2.2.1. Thiết bị phục vụ cho chế tạo mẫu . 38
iii
2.2.1.1. Hệ quay ly tâm 38
2.2.1.2. Hệ phủ quay 38
2.2.1.3. Hệ thống phun nhiệt phân (spray pyrolysis) . 39
2.2.1.4. Hệ bốc bay điện cực 39
2.2.1.5. Hệ nung nhiệt chân không cao 40
2.2.2. Các phương pháp đo đạc . 41
2.2.2.1. Hệ UV-vis . 41
2.2.2.2. Hệ đo FTIR . 41
2.2.2.3. Hệ nhiễu xạ tia X (Xray Diffraction) 42
2.2.2.4. Phổ tán xạ Raman . 42
2.2.2.5. Hệ đo điện trở mặt . 43
2.2.2.6. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) 44
2.2.2.7. Ảnh hiển vi lực nguyên tử (AFM) 44
2.2.3. Xây dựng hệ đo nhạy khí 45
2.2.3.1. Buồng tạo hơi bằng bọt khí . 46
2.2.3.2. Hệ thống điều khí 47
2.2.3.3. Buồng cảm biến và bộ phận thu nhận tín hiệu 48
3. Kết quả và bàn luận . 51
3.1. Graphene 51
3.1.1. Quy trình chế tạo vật liệu graphene . 51
3.1.1.1 Tách lớp graphite . 52
3.1.1.2. Oxi hóa graphite tách lớp 53
3.1.1.3. Khử graphene oxide (GO) thành graphene . 55
3.1.2. Kết quả và bàn luận . 57
3.2. Dây nano Ag (nanowire-Ag) 60
3.2.1. Quy trình chế tạo dây nano Ag 60
3.2.1.1. Hóa chất sử dụng . 60
3.2.1.2. Quy trình chế tạo . 61
3.2.1.3. Tổng hợp hình thành dây nano Ag 61
3.2.1.4. Tách sản phẩm phụ . 63
iv
3.2.1.5. Quay li tâm tách dây nano Ag . 64
3.2.2. Kết quả và bàn luận . 65
3.2.2.1. Khảo sát hình thái và cấu trúc của dây nano Ag . 65
3.2.2.2. Khảo sát độ dẫn của màng (dây nano Ag) theo hàm lượng dây nano Ag . 67
3.3. Tổ hợp graphene-dây nano Ag 68
3.4. Tạo cấu trúc linh kiện cảm biến 69
3.5. Khảo sát tính nhạy khí của tổ hợp vật liệu graphene-dây nano Ag . 72
3.5.1. Khảo sát tính nhạy khí của vật liệu graphene 72
3.5.2. Khảo sát tính nhạy khí của tổ hợp vật liệu graphene-dây nano Ag (G-nwAg) 74
3.5.3. Khảo sát tính nhạy khí của tổ hợp G-nwAg khi thay đổi nồng độ dây nano Ag 78
3.5.4. Khảo sát tính nhạy khí của tổ hợp G-nwAg khi thay đổi lưu lượng khí thử (NH3) 81
3.5.5. Khảo sát độ ổn định của cảm biến vật liệu graphene và vật liệu tổ hợp G-nwAg . 83
4. Kết luận . 85
5. Hướng phát triển của đề tài 87