Thạc Sĩ Khảo sát tính nhạy khí của màng SnO2 pha tạp SP

LỜI MỞ ĐẦU

Bắt nguồn từ nhu cầu thực tiễn, con người đã nhận thấy sự quan trọng và cần
thiết của cảm biến trong các lĩnh vực nhiều thế kỷ qua. Trong kĩ thuật, cảm biến
dùng để đo lực, trọng lượng, áp suất, tốc độ Ngoài ra, cảm biến có thể phát hiện
các loại chất khí dễ cháy nổ (CH4, H2, C3H7, C4H8 ), các chất khí độc hại (CO,
NO, NO2, H2S, CH3OH, C2H5OH ). Việc phát hiện các loại khí độc hại và kiểm
soát lượng khí thải ra môi trường là rất quan trọng trong thời điểm công nghiệp hiện
nay. Vì thế, việc chế tạo các cảm biến khí để kiểm tra nồng độ của chúng là một vấn
đề hết sức cấp thiết.
Trong số các loại vật liệu dùng làm cảm biến khí thì loại vật liệu nhận được
nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học là vật liệu SnO2 vì SnO2 có tính trơ hoá
học, tính ổn định nhiệt rất cao và có giá thành rẻ. Cơ chế nhạy khí của oxit bán dẫn
chủ yếu là xảy ra những phản ứng hoá học trên bề mặt, dẫn đến độ dẫn ở bề mặt của
vật liệu thay đổi khi tương tác với các loại khí dò trong khoảng nhiệt độ từ 200oC
đến 600oC. Sự thay đổi độ dẫn của cảm biến phụ thuộc vào từng loại khí cần dò,
bản chất của vật liệu làm cảm biến và những chất phụ gia sử dụng để pha tạp vào
vật liệu làm cảm biến.
Cảm biến oxit kim loại có thể được chế tạo ở dạng bột, viên, màng mỏng hay
màng dày. Cảm biến màng mỏng bán dẫn hiện đang là hướng nhiều nhóm nghiên
cứu quan tâm do chúng có rất nhiều ưu điểm như độ nhạy cao, thời gian đáp ứng
nhanh, dễ tích hợp với các mạch điện hiển thị và có giá thành thấp.
Trong luận văn này, chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo thành công màng mỏng
SnO2 pha tạp Sb và đưa màng SnO2:Sb vào khảo sát khả năng dò hơi rượu của
chúng. Phương pháp solgel đã được chúng tôi lựa chọn để chế tạo màng SnO2:Sb vì
lí do đơn giản về thiết bị, dụng cụ, nhưng quan trọng hơn là vì khả năng tạo được
màng SnO2:Sb gồm các hạt vi tinh thể có kích thước rất nhỏ (khoảng 15-25 nm),
vốn là điều kiện tăng cường khả năng nhạy khí. Để khảo sát một số tính chất có ảnh
hưởng lớn tới việc dò khí của màng gồm (kích thước hạt vi tinh thể, định hướng
phát triển của màng, điện trở, độ dày màng, độ gồ ghề của bề mặt), chúng tôi đã tiến
hành đo phổ nhiễu xạ tia X (XRD), đo độ gồ ghề bằng kính hiển vi lực nguyên tử
(AFM)
Để khảo sát độ nhạy của màng, chúng tôi đã tiến hành đo độ nhạy của màng
tại những nồng độ, độ dày và nhiệt độ hoạt động khác nhau. Khí được dùng làm khí
dò là khí ethanol.
MỤC LỤC
MỤC LỤC . 1
LỜI CẢM ƠN . 4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT . 5
DANH MỤC CÁC BẢNG . 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ . 7
LỜI MỞ ĐẦU . 10
CHƯƠNG 1 CẢM BIẾN KHÍ OXIT BÁN DẪN 12
1.1. Giới thiệu . 12
1.2. Định nghĩa 12
1.3. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động . 13
1.3.1. Cấu tạo 13
1.3.2. Nguyên tắc hoạt động .13
1.3.2.1. Cơ chế dò khí khối .14
1.3.2.2. Cơ chế dò khí bề mặt .15
1.4. Một số đặc trưng cơ bản của cảm biến khí . 17
1.4.1. Độ nhạy .17
1.4.2. Tính lọc lựa khí .17
1.4.3. Thời gian đáp ứng/ Thời gian hồi phục 18
1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy khí . 19
1.5.1. Nhiệt độ 19
1.5.2. Cấu trúc màng xếp chặt và cấu trúc màng xốp .20
1.5.3. Kích thước hạt 23
1.5.4. Sự pha tạp – vai trò của chất xúc tác 24
CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU SnO2 VÀ CƠ CHẾ NHẠY KHÍ . 26
2.1. Giới thiệu . 26
2.2. Cấu trúc và tính chất của SnO2 . 26
2.2.1. Cấu trúc tinh thể của SnO2 .26
2.2.2. Cấu trúc vùng năng lượng 27
2.2.3. Tính chất điện của SnO2 .28
2.3. Cơ chế nhạy khí . 30
2.3.1. Cơ chế thay đổi điện trở theo nhiệt độ 30
2.3.2. Cơ chế thay đổi điện trở do hấp phụ Oxi 30
2.3.3. Cơ chế thay đổi điện trở của màng khi có khí dò .32
2.4. Vật liệu SnO2 pha tạp Sb 34
CHƯƠNG 3 TIẾN TRÌNH THỰC NGHIỆM 37
3.1. Mục đích của đề tài . 37
3.2. Phương pháp Solgel 37
3.3. Tiến trình thực nghiệm . 41
3.3.1. Qui trình thực nghiệm .41
3.3.2. Tạo dung dịch sol .42
3.3.2.1. Hóa chất .42
3.3.2.2. Chuẩn bị dung dịch 42
3.3.3. Chuẩn bị đế .44
3.3.4. Tạo màng 45
3.3.5. Xử lý nhiệt cho màng .46
3.4. Tạo điện cực . 47
3.5. Kỹ thuật phân tích mẫu 47
3.5.1. Xác định cấu trúc màng 47
3.5.2. Khảo sát hình thái bề mặt màng .48
3.6. Hệ đo độ nhạy khí . 48
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 52
4.1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ pha tạp Sb đến độ nhạy khí 53
4.2.1. Cấu trúc màng .53
4.2.2. Hình thái bề mặt màng 57
4.2.3. Độ nhạy khí của màng 58
4.2. Khảo sát ảnh hưởng của độ dày màng đến độ nhạy khí . 61
4.2.1. Cấu trúc màng .61
4.2.2. Hình thái bề mặt màng 63
4.2.3. Độ nhạy khí .63
4.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt động đến độ nhạy khí của màng .
. 65
4.4. Thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục của màng 67
4.5. Kết luận thực nghiệm . 69
KẾT LUẬN . 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 72