nghiên cứu chế tạo cảm biến khí co và co2 trên cơ sở vật liệu dây nano sno2(thông tin đưa lên website)

1




A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam đang trong quá trình hội nhập sâu rộng vào
nền kinh tế thế giới và khu vực. Sự phát triển mạnh mẽ của các
vùng cũng như các ngành kinh tế trọng điểm, cùng với sự mở
rộng và phát triển của các cơ sở kinh tế tư nhân, quá trình công
nghiệp hóa, tốc độ đô thị hóa ở hầu hết các địa phương đã và
đang diễn ra nhanh chóng, tất yếu dẫn đến hàng loạt các vấn đề
liên quan đến ô nhiễm môi trường nói chung cũng như môi
trường khí. Không khí bị ô nhiễm là do các khí như CO, CO
2
,
H
2
S, NO
2
, NO, v.v có nồng độ vượt quá giới hạn cho phép,
chúng sinh ra trong quá trình sản xuất công nghiêp, quá trình
cháy của các loại nhiên liệu hóa thạch cũng như khí thải từ các
phương tiện giao thông. Việc phát hiện và cảnh báo sự có mặt
của các khí độc hại này nhằm kiểm soát chất lượng không khí
trong môi trường sống là rất cần thiết và quan trong đối với
sức khỏe con người cũng như mang lại những lợi ích kinh tế
cho xã hội.
Dây nano oxit kim loại bán dẫn có diện tích bề mặt riêng
lớn và tính tinh thể cao nên cảm biến dây nano ngoài có độ

nhạy cao chúng còn có độ ổn định tốt. Đường kính của dây
nano tương đương với chiều dày Debye nên các tác động trên
bề mặt có thể dẫn đến sự thay đổi lớn về độ dẫn của chúng. Vì
vậy, dây nano dễ dàng biến tính bề mặt với các loại hạt xúc tác
nhằm tăng cường độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến. Những
hiểu biết này có vai trò quan trọng trong việc phát triển các thế
hệ cảm biến mới với nhiều tính năng vượt trội so với các loại
cảm biến truyền thống.
Ở nước ta, vấn đề nghiên cứu ứng dụng vật liệu cấu có trúc
nano cho cảm biến khí được thực hiện ở một vài nhóm nghiên
cứu như Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Khoa học Vật liệu.
2




Ngoài ra, hướng nghiên cứu về ứng dụng vật liệu dây nano
SnO
2
cho cảm biến khí CO, CO
2
chưa có tác giả nào thực hiện.
2. Mục tiêu nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn
* Mục tiêu nghiên cứu của luận án là:
(i) Phát triển được công nghệ chế tạo dây nano SnO
2
bằng
phương pháp bốc bay nhiệt và tiến tới điều khiển hình thái, cấu
trúc cũng như tích hợp đưa lên nhiều loại đế khác nhau.
(ii) Chế tạo được cảm biến khí CO và CO

2
trên cơ sở dây
nano SnO
2
nhằm ứng dụng để kiểm soát chất lượng không khí.
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Ý nghĩa khoa học của đề tài là có được những hiểu biết
quan trọng về tính chất nhạy khí của một số cấu trúc nano một
chiều. Những hiểu biết này là cơ sở để nghiên cứu và phát
triển các thế hệ cảm biến nano mới với nhiều tính năng vượt
trội so với các loại cảm biến truyền thống trên cơ sở các cấu
trúc nano một chiều nhằm ứng dụng trong quan trắc môi
trường khí cũng như cảnh báo nguy cơ cháy, nổ.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là đã minh chứng được tiềm
năng ứng dụng to lớn của các loại vật liệu có cấu trúc nano
trong việc phát triển các loại cảm biến khí. Ngoài ra, các kết
quả nghiên cứu này còn là cơ sở để thu hút thêm sự tham gia
của các nhà khoa học cho việc nghiên cứu phát triển các loại
cảm biến ứng dụng trong một số lĩnh vực khác như quan trắc
môi trường nước, an toàn vệ sinh thực phẩm cũng như các loại
cảm biến phục vụ trong an ninh, quốc phòng.
3. Những đóng góp mới của luận án
(i) Đã ổn định được quy trình chế tạo dây nano SnO
2
bằng
phương pháp bốc bay nhiệt ở nhiệt độ 700-800
o
C sử dụng bột
Sn và ở nhiệt độ 920-980
o

C sử dụng bột SnO. Các quy trình
chế tạo này có độ ổn định và khả năng lặp lại cao.
(ii) Đã tìm ra được hai quy trình chế tạo cảm biến dây nano
3




SnO
2
bằng cách mọc trực tiếp lên điện cực kiểu bắc cầu và
kiểu mạng lưới. Cảm biến chế tạo theo quy trình này đã cải
thiện đáng kể các thông số đặc trưng của nó.
(iii) Đã chế tạo được cảm biến khí CO
2
trên cơ sở dây nano
SnO
2
biến tính bề mặt bằng hạt LaOCl. Cảm biến này có độ
đáp ứng, độ chọn lọc, thời gian đáp ứng và hồi phục được cải
thiện đáng kể so với các công trình đã công bố.
(iv) Đã chế tạo được cảm biến khí CO sử dụng dây nano
SnO
2
biến tính hạt Pd bằng phương pháp khử trực tiếp. Cảm
biến này có khả năng phát hiện khí CO ở nồng độ thấp (1 ppm)
4. Bố cục của luận án
Luận án gồm 125 trang được chia thành các phần như sau:
Mở đầu 4 trang; Chương 1: Tổng quan 31 trang; Chương 2:
Chế tạo và tính chất nhạy khí của dây nano SnO

2
gồm 36
trang; Chương 3: Cảm biến khí CO
2
trên cơ sở dây nano SnO
2

biến tính LaOCl gồm 26 trang và Chương 4: Cảm biến khí CO
trên cơ sở dây nano SnO
2
biến tính Pd gồm 25 trang. Kết luận
và kiến nghị 2 trang. Ngoài ra, luận án có 6 bảng; 92 hình vẽ
và đồ thị; 173 tài liệu tham khảo.

B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Mở đầu
Sự tiến bộ của công nghệ nano trong những năm qua đã cho
phép chế tạo được vật liệu có cấu trúc nano một chiều với các
tên gọi khác nhau tùy thuộc vào hình thái của chúng. Các vật
liệu nano oxit kim loại bán dẫn điển hình như SnO
2
, ZnO,
In
2
O
3
, TiO
2
, WO

3
, được quan tâm nghiên cứu ở cả phương
diện nghiên cứu cơ bản và ứng dụng. Chúng đã được nghiên
4




cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như cảm biến
khí, pin mặt trời, thiết bị quang điện tử, điện cực trong suốt,
xúc tác, tế bào nhạy quang,…. Trong số các vật liệu oxit kim
loại bán dẫn kể trên thì ZnO và SnO
2
thu hút được nhiều sự
quan tâm nghiên cứu hơn cả bởi chúng có nhiều ưu điểm như
giá thành rẻ, dễ chế tạo, thân thiện với môi trường, v.v.
1.3. Phương pháp chế tạo vật liệu cấu trúc nano một
chiều
Có 2 phương pháp để chế tạo vật liệu cấu trúc nano một
chiều là:
* Phương pháp từ trên xuống (top-down): xuất phát từ mẫu
có kích thước lớn sau đó bằng các kỹ thuật khác nhau người ta
sẽ giảm kích thước các chiều xuống thang nanomet.
* Phương pháp từ dưới lên (bottom-up): bắt đầu bằng
những nguyên tử hoặc phân tử riêng rẽ và từ đó tạo ra những
cấu trúc mong muốn, trong một vài trường hợp có thể lợi dụng
hiện tượng tự sắp xếp của các nguyên tử, phân tử.
1.4. Một số ứng dụng vật liệu cấu trúc nano một chiều
Các vật liệu ôxit kim loại một chiều như SnO
2

, ZnO, In
2
O
3
,
TiO
2
, WO
3
được quan tâm nghiên cứu ở cả phương diện
nghiên cứu cơ bản và ứng dụng. Chúng được ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực khác nhau như cảm biến khí, pin mặt trời, thiết
bị quang điện tử, điện cực trong suốt, xúc tác, thiết bị phát hiện
ánh sáng UV,…
1.6. Một số phương pháp chế tạo dây nano SnO
2

1.6.1. Phương pháp bốc bay nhiệt theo cơ chế hơi-lỏng-rắn
(Vapour-Liquid-Solid)
Dây nano và một số cấu trúc nano một chiều khác như
thanh nano, nano hình sao và cấu trúc răng lược có thể được
5




chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt từ nguồn vật liệu rắn.
Phương pháp này được sử dụng để chế tạo dây nano của nhiều
vật liệu khác nhau như: ZnO, SnO
2

, In
2
O
3
, WO
3
Quy trình
chế tạo những vật liệu này là dùng bột kim loại hoặc oxit kim
loại đóng vai trò là vật liệu nguồn, sau đó nung đến nhiệt độ
bay hơi của chúng trong điều kiện chân không hoặc thổi khí
trơ làm khí mang rồi thổi oxy với lưu lượng thích hợp để xảy
ra phản ứng với hơi của vật liệu nguồn. Dây nano sẽ hình
thành trong vùng nhiệt độ thấp, nơi vật liệu nguồn lắng đọng
từ pha hơi lên đế. Đối với dây nano SnO
2
thường được chế tạo
bằng phương pháp bốc bay nhiệt sử dụng vật liệu nguồn là bột
Sn, SnO hoặc SnO
2
.
1.6.2. Phương pháp bốc bay chùm điện tử
Để hạn chế những nhược điểm của phương pháp bốc bay
nhiệt người ta sử dụng phương pháp bốc bay chùm điện tử.
Phương pháp này có một số ưu điểm như: (1) Độ chân không
cao có thể làm giảm sự nhiễm bẩn hoặc sự oxi hóa bề mặt vật
liệu; (2) Nhiệt độ mọc dây nano thấp và tốc độ mọc cao nên
ngăn chặn sự khuếch tán lẫn nhau của cấu trúc nano; (3) Có
thể điều khiển quá trình mọc trực tiếp; (4) Tất cả các thông số
mọc có thể được điều chỉnh chính xác và tách biệt nhau.
1.6.3. Phương pháp mọc trong dung dịch

Phương pháp này cho phép chế tạo dây nano với thiết bị
đơn giản, hiệu suất cao, giá thành rẻ, dễ dàng điều khiển hình
dạng và thành phần hóa học của vật liệu đồng thời có độ lặp lại
cao. Đặc biệt phương pháp này còn có thể kết hợp với những
vật liệu khác để hình thành cấu trúc lai hóa với nhiều chức
năng có thể ứng dụng trong công nghệ vi điện tử và hệ sinh
học. Tuy nhiên, cấu trúc tinh thể được tạo thành thường có độ
tinh thể thấp nhưng nếu tổng hợp ở điều kiện không thủy phân
tại nhiệt độ cao thì cấu trúc tinh thể sẽ tốt hơn.
6




1.6.4. Phương pháp sử dụng khuôn
Phương pháp chế tạo dây nano dùng khuôn rất đơn giản và
sử dụng rộng rãi chế tạo cấu trúc nano. Dây nano được tạo ra
bằng cách điền đầy vật liệu vào khuôn và kết tinh lại. Yêu cầu
đối với khuôn là phải bền hóa học và bền cơ học. Các thông số
như: đường kính, mật độ và độ đồng đều của lỗ xốp rất quan
trọng sẽ ảnh hưởng đến hình thái của vật liệu tạo thành.

CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT NHẠY
KHÍ CỦA DÂY NANO SnO
2

2.1. Mở đầu
Dây nano SnO
2
được sử dụng rộng rãi trong chế tạo cảm

biến khí. Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày hai quy
trình chế tạo dây nano SnO
2
bằng phương pháp bốc bay nhiệt,
khảo sát các yếu tố ảnh hưởng và tính chất nhạy khí của cảm
biến chế tạo bằng các phương pháp khác nhau.
2.2. Chế tạo dây nano SnO
2
bằng phương pháp bốc bay
nhiệt
2.2.1. Thiết bị và hóa chất
Để tổng hợp dây nano SnO
2
chúng tôi sử dụng thiết bị bốc
bay nhiệt nằm ngang tại Viện ITIMS cấu tạo gồm:
 Lò nhiệt nằm ngang có tốc độ tăng nhiệt khoảng 60
o
C/phút và đường kính ống lò 3 cm;
 Buồng phản ứng là ống thạch anh có đường kính 3 cm và
chiều dài 150 cm;
 Hệ điều khiểu lưu lượng khí điện tử có thể điều khiển
được lưu lượng khí Ar và O
2
lần lượt trong các khoảng 0-500
sccm và 0-10 sccm với sai số 0,15 %;
7

 Bơm chân không có thể đạt chân không ~ 5x10
-3
torr;
 Đầu đo chân không có dải đo trong khoảng 0-10
-4
torr;
Trong quy trình này, chúng tôi đã sử dụng các nguyên vật
liệu chính sau: Bột Sn (Alfa Aesar) có độ tinh khiết 99,8 %;
Đế Si đơn tinh thể; Ống thạch anh có đường kính 3 cm và 2,5
cm; Khí Ar (99,99 %); Khí O
2
(99,99 %); Dung dịch HNO
3

100 %; Dung dịch HNO
3
65 %; Dung dịch HF 1 %; Nước khử
ion tinh khiết (~18 M);
2.2.2. Quy trình chế tạo dây nano SnO
2

Quy trình chế tạo vật liệu gồm 4 giai đoạn sau:
Giai đoạn I: Làm sạch và hút chân không trong ống.
Giai đoạn II: Nâng nhiệt từ nhiệt độ phòng lên nhiệt độ
phản ứng mọc dây nano.
Giai đoạn III: Phản ứng hình thành dây nano
Giai đoạn IV: Kết thúc phản ứng
Hai quy trình chế tạo vật liệu sử dụng vật liệu nguồn là bột
Sn (ở nhiệt độ 700, 750 và 800
o

C) và bột SnO (ở nhiệt độ 920,
950 và 980
o
C) được sử dụng để nghiên cứu, khảo sát quá trình
chế tạo vật liệu.
2.2.3. Kết quả nghiên cứu hình thái và cấu trúc vật liệu
2.2.3.1. Kết quả chế tạo dây nano SnO
2
sử dụng bột Sn
Dây nano sau khi chế tạo xong đem đi khảo sát hình thái,
cấu trúc bằng ảnh hiển vi điện tử quét phát xạ trường
(FESEM), ảnh hiển vi truyền qua (TEM), nhiễu xạ điện tử tia
X (XRD) và phổ tán xạ năng lượng (EDS). Kết quả chụp ảnh
FESEM và TEM của dây nano SnO
2
mọc ở nhiệt độ 700-800
o
C bằng phương pháp bốc bay nhiệt sử dụng bột Sn được chỉ
ra trong hình 2.7. Ta có thể thấy dây nano SnO
2
mọc rất đồng
đều, phân bố đồng nhất và được tổng hợp trên diện tích lớn.
Trong cả ba mẫu, đường kính dây nano khoảng 50 đến 150 nm
và chiều dài từ 50 đến 150 µm. Tuy nhiên, quan sát ta có thể
nhận thấy rằng mẫu mọc ở 700
o
C có độ đồng đều cao hơn, bề
8

mặt dây nano rất nhẵn và mọc đều dọc trục dây, đường kính
dây cũng nhỏ hơn so với mẫu mọc ở 750
o
C và 800
o
C.

Hình 2.7. Ảnh FE-SEM và TEM của dây nano SnO
2
tổng hợp ở
nhiệt độ thấp: 700
o
C (a), 750
o
C (b) và 800
o
C (c).

2.2.3.2. Kết quả chế tạo dây nano SnO
2
sử dụng bột SnO
Ảnh FE-SEM của các mẫu dây nano SnO
2
chế tạo ở nhiệt
độ 920
o
C, 950
o

C và 980
o
C sử dụng vật liệu nguồn là SnO
được thể hiện trên hình 2.11.
Quan sát ảnh FE-SEM có thể nhận thấy dây nano mọc với
chất lượng khá tốt, đồng đều nhau, dây nano có bề mặt nhẵn,
đường kính ít thay đổi dọc theo trục dây nano và có giá trị
khoảng 80-100 nm trong khi chiều dài dây tới vài chục μm.

9






Hình 2.11. Ảnh FE-SEM của dây nano mọc ở nhiệt độ cao
từ bột SnO: 920
o
C (a), 950
o
C (b) và 980
o
C (c).
2.2.4. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình chế
tạo dây nano
2.2.4.1. Ảnh hưởng của tốc độ tăng nhiệt độ
Chúng tôi đã tiến hành mọc dây nano SnO
2
ở nhiệt độ 750

o
C với thời gian là 12 phút, 24 phút và 48 phút tương ứng với
tốc độ gia nhiệt của lò lần lượt là 60, 30 và 15
o
C/phút. Kết quả
cho thấy dây nano mọc với tốc độ tăng nhiệt là 30
o
C/phút cho
kết quả tốt nhất.
2.2.4.2. Ảnh hưởng của thời gian mọc
Để khảo sát ảnh hưởng của thời gian mọc, chúng tôi tiến
hành mọc dây nano SnO
2
ở 750
o
C bằng phương pháp bốc bay
nhiệt sử dụng vật liệu nguồn là bột Sn với thời gian mọc lần
lượt là 15, 30 và 60 phút. Kết quả khảo sát cho thấy khi thời
gian mọc tăng lên thì lượng vật liệu lắng đọng trên đế tăng và
chiều dài dây nano cũng tăng lên.
2.2.4.3. Ảnh hưởng của chiều dày lớp xúc tác
10




Ảnh hưởng của chiều dày lớp xúc tác đến hình thái cũng
như kích thước dây nano được khảo sát bằng cách chế tạo vật
liệu ở 750
o

C trong thời gian 30 phút lên trên đế Si được phún
xạ lớp Au với chiều dày lần lượt là 5, 10 và 20 nm. Kết quả
chụp ảnh FESEM cho thấy dây nano mọc với chiều dày lớp
Au là 5 nm rất đồng đều, đường kính nhỏ, bề mặt dây mịn.
2.3. Công nghệ chế tạo và tính chất nhạy khí của cảm
biến dây nano SnO
2

2.3.1. Cảm biến chế tạo bằng phương pháp cạo phủ
Hình 2.19 cho thấy sự phụ thuộc của độ hồi đáp của cảm
biến dây nano SnO
2
chế tạo bằng phương pháp cạo phủ với các
nồng độ khí NO
2
là 5, 10, 25 và 50 ppm ở 150-250
o
C.







Hình 2.19. Đặc trưng nhạy khí NO
2
của cảm biến dây nano SnO
2

chế tạo bằng phương pháp cạo phủ ở nhiệt độ:150
o
C (a), 200
o
C (b), 250
o
C (c) và độ đáp ứng của cảm biến phụ thuộc nồng độ khí (d).
Kết quả khảo sát sự phụ thuộc độ hồi đáp của cảm biến theo
nồng độ của khí NO
2
cho thấy độ hồi đáp tăng khi nồng độ của
khí tăng. Độ hồi đáp của cảm biến thay đổi từ 1-3 khi thổi 5-50
ppm khí NO
2
đo ở 150
o
C trong khi giá trị này lần lượt là 3-11
lần và 1-7 lần khi đo ở 200
o
C và 250
o
C. Như vậy, ở 200
o
C
độ hồi đáp của cảm biến là cao nhất. Giá trị này cũng tương
0 300 600 900 1200
300.00k
450.00k
600.00k
750.00k

900.00k
50 ppm
25 ppm
10 ppm
R (ohm)
t (s)
SnO
2
- NO
2
@150
0
C
5 ppm
(a)
0 100 200 300 400 500 600
500.0k
1.0M
1.5M
2.0M
2.5M
3.0M
50 ppm
25 ppm
10 ppm
R (ohm)
t (s)
SnO
2
- NO

2
@200
0
C
5 ppm
(b)
0 10 20 30 40 50
2
4
6
8
10
R (R
g
/R
a
)
NO
2
(ppm)
150
0
C
200
0
C
250
0
C
(d)

0 100 200 300 400 500
300.0k
600.0k
900.0k
1.2M
50 ppm
25 ppm
5 ppm
R(Ohm)
t (s)
SnO
2
- NO
2
@250
0
C
(c)
10 ppm
11




đương với các công trình đã công bố.
2.3.2. Cảm biến chế tạo bằng phương pháp nhỏ phủ
Quy trình chế tạo cảm biến được tiến hành theo quy trình
như sau: Dây nano SnO
2
sau khi chế tạo trên đế Si được phân

tán trong dung dịch ethanol bằng máy rung siêu âm. Dung dịch
chứa dây nano đã phân tán được nhỏ lên điện cực răng lược
bằng pipet, sau đó được đem đi sấy khô ở 150
o
C trong 30
phút. Để tăng cường độ bám dính và tiếp xúc giữa vật liệu và
điện cực, cảm biến được đem đi ủ nhiệt ở 400
o
C trong 1 h.









Hình 2.21. Khảo sát các đặc tính của cảm biến: sự phụ thuộc của
điện trở vào nhiệt độ (a), đặc trưng I-V ở các nhiệt độ khác nhau (b), sự
thay đổi điện trở theo nồng độ khí NO
2
(c) và độ hồi đáp của cảm biến phụ
thuộc vào nồng độ khí (d).
Đặc trưng của cảm biến như sự thay đổi điện trở theo nhiệt
độ, đặc trưng I-V và sự phụ thuộc độ hồi đáp theo nồng độ khí
NO
2
đo ở 200
o

C được chỉ ra trên hình 2.21. Độ hồi đáp của
cảm biến là 1,37 khi thổi 5 ppm khí NO
2
và tăng lên khi tăng
nồng độ khí. Độ hồi đáp này là cao hơn nếu so sánh với màng
mỏng SnO
2
khi thổi 20 ppm NO
2
tại cùng nhiệt độ chỉ là 1,06.
-6 -4 -2 0 2 4 6
-30.0µ
-20.0µ
-10.0µ
0.0
10.0µ
20.0µ
30.0µ


Dßng ®iÖn
(A)
§iÖn ¸p
(V)
295 K
310 K
325 K
380 K
415 K
435 K

285 K
530 K
(b)
20 40 60 80 100 120
500.0k
1.0M
1.5M
2.0M
Thæi khÝ


5 ppm
10 ppm
40 ppm
20 ppm
R (

)
t (ph)
60 ppm
(c)
Ng¾t khÝ
0 20 40 60 80
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0

S (R
g
/R
a
)
NO
2
(ppm)
(D)
300 350 400 450 500 550
2
3
4
5
6
7


R (

)
NhiÖt ®é
(K)
(a)
12




2.3.4. Cảm biến chế tạo bằng phương pháp mọc trực tiếp

kiểu bắc cầu
Cảm biến dây nano kiểu bắc cầu được chế tạo bằng cách
mọc trực tiếp dây nano SnO
2
lên điện cực răng lược. Để khảo
sát ảnh hưởng của các tiếp xúc dây-dây đến tính chất nhạy khí
của cảm biến chúng tôi tiến hành thay đổi khối lượng vật liệu
nguồn. Trong quy trình này dây nano được chế tạo ở 750
o
C
với khối lượng bột nguồn Sn lần lượt là 4, 6, 10 và 20 mg. Kết
quả chụp ảnh FESEM của các mẫu cảm biến được thể hiện
trên hình 2.24.

Hình 2.24. Cảm biến mọc trực tiếp dây nano SnO
2
với khối lượng vật
liệu nguồn là: 2 mg (a,b), 4 mg (c,d), 6 mg (e,f) và 10 mg (g,h)

Nhiệt độ làm việc tối ưu của cảm biến dây nano SnO
2
-4 mg
là ở nhiệt độ 100
o
C. Độ đáp ứng của các cảm biến với khí
NO
2
ở nhiệt độ khoảng 100
o
C được chỉ ra trên hình 2.30.

13










Hình 2.30. Độ đáp ứng của cảm biến như là một hàm số của nồng độ
khí NO
2
đo ở 100
o
C
Có thể nhận thấy ngay rằng, mẫu cảm biến dây nano SnO
2
-
4 mg có mật độ dây nano giữa hai khe điện cực là ít nhất
nhưng độ đáp ứng với 10 ppm khí NO
2
ở 100
o
C là cao nhất
(khoảng 117 lần), trong khi giá trị này của cảm biến SnO
2
-6

mg, -10 mg và -20 mg lần lượt là 53, 46 và 11. Điều này có thể
rút ra kết luận rằng, mật độ dây nano càng thấp thì cảm biến có
độ đáp ứng càng cao với khí NO
2
.
2.3.5. Cảm biến chế tạo bằng phương pháp mọc trực tiếp
kiểu mạng lưới
Quy trình chế tạo cảm biến dạng màng mỏng mọc trực tiếp
dây nano SnO
2
lên đế Al
2
O
3
được bằng phương pháp bốc bay
nhiệt sử dụng vật liệu nguồn là bột Sn ở 750
o
C.
Sự thay đổi của điện trở của mẫu cảm biến dây nano sau khi
mọc với khí NO
2
ở các nồng độ 0,1; 0,25; 0,5 và 1 ppm ở các
nhiệt độ 150, 200 và 250
o
C được trình bày trên hình 2.35.
Cảm biến có độ nhạy tốt nhất ở nhiệt độ 150
o
C. Độ đáp ứng
của cảm biến khi tiếp xúc với nồng độ khí NO
2

từ 0,1 ppm đến
1 ppm tương ứng trong khoảng từ 9,2 đến 168,2. Độ đáp ứng
này cao hơn rất nhiều so với cảm biến kiểu tiếp xúc dây-dây ở
trên cũng như các công trình công bố trước đây.
0 2 4 6 8 10
0
20
40
60
80
100
120
SnO
2
-4 mg
SnO
2
-6 mg
SnO
2
-10 mg
SnO
2
-20 mg

NO
2
(ppm)
S (
R

g
/R
a
)
14





Hình 2.35. Đặc trưng nhạy khí NO
2
của cảm biến dây nano SnO
2
mọc
trên đế Al
2
O
3
ở các nhiệt độ: 150
o
C (a), 200
o
C (b), 250
o
C (c) và sự phụ
thuộc độ hồi đáp của cảm biến và nồng độ khí (d).

CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN KHÍ CO
2

TRÊN CƠ SỞ DÂY
NANO SnO
2
BIẾN TÍNH LaOCl
3.1. Mở đầu
3.1.1. Giới thiệu về khí CO
2

Điôxít cacbon (CO
2
) là một chất ở điều kiện bình
t
h
ườ
ng
có dạng khí, khối lượng riêng là 1,98 kg/m
3
ở 25
o
C và nặng
hơn không khí khoảng 1,5 lần. Khí CO
2
s inh r a từ nhiều
nguồn khác nhau, như thoát ra
từ
các núi lửa, quá trình sản
xuất, quá trình cháy các hợp chất hữu cơ, v.v.
3.1.2. Tình hình nghiên cứu cảm biến khí CO
2

Việc kiểm soát tốt nồng độ khí CO
2
trong môi trường sống
cũng như trong các quá trình sản xuất có liên quan đến sự phát
thải của nó, từ đó đưa ra các giải pháp can thiệp kịp thời là hết
sức cần thiết. Cho nên cảm biến khí CO
2
thu hút được sự quan
tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trên toàn thế giới.
1000 2000 3000 4000
0.0
30.0M
60.0M
90.0M
120.0M
300 600 900 1200 1500
5.0M
10.0M
15.0M
20.0M
300 600 900 1200
1M
2M
3M
4M
200 400 600 800 1000
40.0
80.0
120.0
160.0

1 ppm
0,5 ppm
0,25 ppm
0,1 ppm
SnO
2
- NO
2
, T
OP
=150
o
C
t (s)
R(

)
R(

)



1 ppm
0,5 ppm
0,25 ppm
0.1 ppm
SnO
2

- NO
2
, T
OP
=200
o
C
t (s)
SnO
2
- NO
2
, T
OP
=250
o
C

1 ppm
0,25 ppm
0,5 ppm
0,1 ppm
t(s)
R(

)


S (
R

a
/R
g
)
@ 150
o
C
@ 200
o
C
@ 250
o
C

NO
2
(ppb)
(a) (b)
(d)(c)
15




3.2. Kết quả nghiên cứu chế tạo cảm biến khí CO
2

3.2.1. Thực nghiệm
Quy trình chế tạo cảm biến được trình bày trong hình 3.1.
Quy trình gồm các bước sau: (i) Dây nano SnO

2
chế tạo ở
nhiệt độ thấp sử dụng bột Sn; (ii) Phân tán dây nano trong
dung dịch và nhỏ phủ lên điện cực răng lược; (iii) Dung dịch
LaCl
3
với các nồng độ khác nhau (2, 12, 24, 36, 60, 96 và 120
mM) được sử dụng để khảo sát nhằm tìm ra nồng độ tối ưu cho
quá trình pha tạp; (iv) Cuối cùng, cảm biến được đem đi xử lý
nhiệt ở 500, 600, 700
o
C trong 5 giờ.


Hình 3.1. Quy trình chế tạo cảm biến dây nano SnO
2
biến tính LaOCl
3.2.2. Kết quả chế tạo vật liệu và cảm biến
Cảm biến sau khi chế tạo được đem đi chụp ảnh FE-SEM
và TEM, kết quả cho thấy các hạt LaOCl bám trên bề mặt dây
nano, ngoài ra ảnh nhiễu xạ EDS cũng thấy xuất hiện các đỉnh
của nguyên tố La và Cl. Kết quả này có thể khẳng định rằng
chúng tôi đã biến tính thành công hạt LaOCl lên bề mặt dây
nano. Kết quả khảo sát nhiễu xạ tia X dây nano chưa biến tính
16




và có biến tính ủ ở nhiệt độ khác nhau được chỉ ra trên hình

3.3. Với mẫu dây nano SnO
2
chưa biến tính thì các đỉnh nhiễu
xạ rất nhọn do tính tinh thể cao của dây nano, điều này cũng
phù hợp với cấu trúc rutile của SnO
2
. Giản đồ nhiễu xạ tia X
của ba mẫu dây nano có pha tạp thì tương tự nhau. Các đỉnh
đặc trưng của pha SnO
2
và LaOCl cùng tồn tại trên giản đồ.









Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X dây nano SnO
2
chưa biến tính và biến
tính LaOCl ủ ở nhiệt độ 500, 600 và 700
o
C
3.2.3. Kết quả khảo sát tính chất nhạy khí CO
2
của cảm biến
3.2.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ

Cảm biến trên cơ sở dây nano SnO
2
được biến tính bằng
cách nhỏ dung dịch LaCl
3
với các nồng độ khác nhau (2-120
mM), sau đó tiến hành ủ nhiệt ở 500
o
C, 600
o
C và 700
o
C để
tìm ra nhiệt độ tối ưu của LaCl
3
chuyển hóa hoàn toàn thành
LaOCl và ổn định điện trở của cảm biến. Kết quả khảo sát tính
chất nhạy khí CO
2
trong khoảng nồng độ từ 250-4000 ppm tại
các nhiệt độ 300-450
o
C được chỉ ra trên hình 3.4. Độ đáp ứng
của cảm biến có pha tạp LaOCl khi thổi 4000 ppm CO
2
tại 400
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

Dây nano SnO
2

LaOCl JCPDS 08-0477
SnO
2
JCPDS 41-1445

Cêng ®é (
a
.u.)
Dây nano SnO
2
- LaOCl

@700
o
C
Dây nano SnO
2
- LaOCl

@500
o
C

Gãc quÐt 2


(
®é
)

Dây nano SnO
2
- LaOCl

@600
o
C
17




o
C là khoảng 6,8; trong khi đó cảm biến chưa biến tính là 1,2 ở
cùng điều kiện. Kết quả này cho thấy khi pha tạp LaOCl thì độ
nhạy của cảm biến được cải thiện đáng kể. Như vậy, LaOCl là
một vật liệu tiềm năng cho ứng dụng để chế cảm biến khí CO
2
.
Để khẳng định nhiệt độ xử lý nhiệt ở 600
o
C là tối ưu,
chúng tôi tiến hành khảo sát tính chất nhạy khí của cảm biến
chưa biến tính và biến tính bằng LaOCl lần lượt ở 500, 600 và
700
o
C.

Hình 3.4. Đặc trưng nhạy khí CO
2
của cảm biến dây nano SnO
2
trước
(a) và sau biến tính (c); độ đáp ứng như một hàm của nồng độ khí trước (b)
và sau (d) biến tính LaOCl
Kết quả đo tính chất nhạy khí CO
2
trong khoảng nồng độ từ
500-8000 ppm ở các nhiệt độ 350-450
o
C được chỉ ra trên hình
3.5. Cảm biến có biến tính LaOCl và xử lý nhiệt ở nhiệt độ 500
cũng như 700
o
C có độ đáp ứng khá thấp (1,2-1,8) khi thổi
4000 ppm CO
2
trong khi giá trị này của cảm biến có biến tính
18.0M
21.0M

24.0M
27.0M
7M
8M
9M
10M
0 400 800 1200 1600 2000 2400
240.0k
260.0k
280.0k
(1)
(4)
(5)
(3)
(2)
(1)
(5)
(4)
(3)
(2)

(1)
(1) 4000 ppm
(2) 2000 ppm
(3) 1000 ppm
(4) 5000 ppm
(5) 250 ppm
(a)
T
operating

=350
o
C
T
operating
=450
o
C
T
operating
=400
o
C

R(

)
(5)
(4)
(3)
(2)
Time (s)
8.0M
16.0M
24.0M
32.0M
8.0M
16.0M
24.0M
32.0M

8.0M
16.0M
24.0M
0 400 800 1200 1600 2000 2400
8.0M
16.0M
24.0M
(5)
(4)
(2)
(3)


T

=300
o
C
(1) 4000 ppm
(2) 2000 ppm
(3) 1000 ppm
(4) 500 ppm
(5) 250 ppm
(1)
(c)
(1)
(5)
(4)
(3)
(2)(1)

(5)
(4)
(3)
(2)
(1)
T

= 450
o
C
T

= 400
o
C
T

=350
o
C



R(

)
(5)
(4)(3)(2)

t (s)

0 1000 2000 3000 4000
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0

S(
R
a
/
R
g
)
350
400
450
CO
2
(ppm)
SnO
2

(b)
0 1000 2000 3000 4000
1.0
1.5
2.0

2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0

300
350
400
450
CO
2
(ppm)
S(
R
a
/
R
g
)
(d)
LaOCl-SnO
2

18




và xử lý ở 600
o
C khoảng 4,6-6,8 ở cùng nhiệt độ.
3.2.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch pha tạp
Việc khảo sát ảnh hưởng của mật độ hạt LaOCl đến độ hồi
đáp của cảm biến có thể được thực hiện bằng cách thay đổi
nồng độ dung dịch LaCl
3
từ 2-120 mM. Cảm biến sau khi biến
tính bằng dung dịch trên và xử lý nhiệt ở 600
o
C trong 5 h.
Chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu độ đáp ứng khí CO
2
(nồng
độ 250-8000 ppm) của cảm biến theo nồng độ dung dịch pha
tạp LaCl
3
ở các nhiệt độ 300, 350, 400 và 450
o
C. Kết quả
khảo sát được chỉ ra trên hình 3.7.

Hình 3.7. Độ đáp ứng khí CO
2
(4000 ppm) như một hàm của nồng độ
dung dịch biến tính (a) và nồng độ khí (b) ở nhiệt độ làm việc là 400
o
C.
3.2.3.3. Thời gian đáp ứng và hồi phục của cảm biến
Thời gian đáp ứng của cảm biến chưa pha tạp và có pha tạp
lần lượt là 41-57 giây và 3-20 giây, trong khi giá trị thời gian
hồi phục của cảm biến chưa pha tạp và có pha tạp tương ứng là
37-53 giây và 4-19 giây. Những phát hiện trên chỉ ra rằng cảm
biến trên cơ sở dây nano SnO
2
pha tạp LaOCl không những có
độ nhạy cao hơn mà còn có khả năng đáp ứng và hồi phục tốt.
Giá trị thời gian đáp ứng và hồi phục của bài báo này là nhỏ
hơn so với công bố trước đó sử dụng màng mỏng SnO
2
pha tạp
0 20 40 60 80 100 120
0.8
1.6
2.4
3.2
4.0

4.8
5.6
6.4
7.2
@ 4000 ppm
S (R
a
/R
g
)
C
M
(
LaCl
3
) [mM]
450
0
C
400
0
C
350
0
C
300
0
C
(a)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

1
2
3
4
5
6
7
S (R
a
/R
g
)
Nång ®é
CO
2
(ppm)
C
LaCl3
(M)
0.0x10
-2
M
0,2x10
-2
M
1,2x10
-2
M
2,4x10
-2

M
3,6x10
-2
M
6,0x10
-2
M
9,6x10
-2
M
120x10
-2
M
NhiÖt ®é @ 400
o
C
(b)
19




La
2
O
3
có các giá trị tương ứng xấp xỉ là 80 và 90 giây.
3.2.3.4. Độ chọn lọc của cảm biến
Độ chọn lọc đối với khí CO
2

là một thách thức lớn cho cảm
biến khí trên cơ sở vật liệu ôxit kim loại bán dẫn bởi vì sự ổn
định hóa học của khí CO
2
tốt hơn so với khí khác như CO,
NO
2
, C
2
H
5
OH, LPG, H
2
và NH
3
. Để khảo sát độ chọn lọc của
cảm biến, chúng tôi tiến hành đo tính chất nhạy khí của cảm
biến chưa biến tính và biến tính với một số khí trong khoảng
nhiệt độ 350-450
o
C, kết quả thu được cho thấy cảm biến có độ
chọn lọc tốt với khí CO
2
.

CHƯƠNG 4: CẢM BIẾN KHÍ CO TRÊN CƠ SỞ
DÂY NANO SnO
2
BIẾN TÍNH Pd
4.1. Cảm biến dây nano SnO

2
biến tính Pd bằng phương
pháp nhỏ phủ
Quy trình chế tạo loại cảm biến này gồm các bước sau:
Bước 1 là phủ lớp Au có chiều dày từ 5-10 nm lên đế Al
2
O
3

làm màng xúc tác cho quá trình mọc dây nano SnO
2
; Bước 2 là
phủ lớp Pt làm điện cực, khoảng cách giữa hai bản điện cực
được thiết kế là 1 mm; Bước 3 là tiến hành mọc dây nano
SnO
2
bằng phương pháp bốc bay nhiệt ở nhiệt độ 750
o
C với
bột nguồn là Sn; Bước 4 là lấy dung dịch PdCl
2
nhỏ lên điện
cực đã mọc dây nano SnO
2
rồi sấy ở 100
o
C trong vài phút.
Cuối cùng cảm biến được xử lý nhiệt ở 600
o
C trong 1,5 giờ.

Cảm biến sau đó được đem đi khảo sát hình thái, cấu trúc cũng
như tính chất nhạy khí của vật liệu. Đặc trưng nhạy khí CO
của cảm biến dây nano SnO
2
chưa biến tính và biến tính Pd
được chỉ ra trên hình 4.3. Cả hai cảm biến đều có nhiệt độ làm
việc tốt nhất là ở 400
o
C và thể hiện độ hồi đáp với khí CO
tương đối thấp. Cảm biến dây nano SnO
2
có giá trị độ đáp ứng
20




khi thổi 10 ppm khí CO ở 400
o
C là 1,25 trong khi cảm biến
dây nano Pd-SnO
2
cũng chỉ là 1,45 ở cùng điều kiện.

Hình 4.3. Độ đáp ứng như một hàm của nồng độ khí CO của cảm biến
dây nano SnO
2
(a,c) và SnO
2
-Pd (b,d) ở các nhiệt độ 350, 400, 450
o
C.
Như vậy, khi biến tính bề mặt dây nano SnO
2
bằng hạt Pd
thì độ hồi đáp của cảm biến có được cải thiện nhưng không
đáng kể. Điều này có thể là do khi biến tính Pd bằng phương
pháp nhỏ phủ nên các hạt Pd bị co cụm lại thành từng đám nên
làm giảm chiều cao rào thế Schottky.
4.2. Cảm biến dây nano SnO
2
biến tính Pd bằng phương
pháp khử trực tiếp
Để cải thiện các thông số đặc trưng của cảm biến, chúng tôi
tiến hành biến tính bề mặt dây nano SnO
2
bằng Pd sử dụng
phương pháp khử trực tiếp. Kết quả khảo sát cho hạt nano Pd
phân bố đều trên bề mặt dây nano SnO
2
.
Độ đáp ứng với 5 ppm CO được tính toán ở các nhiệt độ

làm việc 300, 350, 400 và 450
o
C được thể hiện trên hình 4.6.
2 4 6 8 10
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
S (R
a
/R
g
)
CO (ppm)
350
0
C
400
0
C
450
0
C
Pd-SnO
2
@CO
(d)
49k
50k

51k
28.0k
32.0k
36.0k
100 200 300 400 500 600 700 800
26.0k
28.0k
30.0k
3
6
9
12


10 ppm
5 ppm
2.5 ppm
1 ppm
SnO
2
@CO
(a)


@350
o
C
@450
o
C

@400
o
C

CO (ppm)
R (

)

t (s)
24.0k
28.0k
32.0k
20.0k
25.0k
30.0k
100 200 300 400 500 600 700 800
20.0k
24.0k
28.0k
3
6
9
12


10 ppm
5 ppm
2.5 ppm
1 ppm

SnO
2
-Pd @CO
(b)


@350
o
C
@450
o
C
@400
o
C

CO (ppm)
R (

)

t (s)
2 4 6 8 10 12
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
S (R
a

/R
g
)
CO (ppm)
350
o
C
400
o
C
450
o
C
SnO
2
@CO
(c)
21





Hình 4.6. Sự thay đổi điện trở của cảm biến SnO
2
-Pd với khí CO ở
nhiệt độ 300-450
o
C biến tính với dung dịch PdCl
2

1 mM (a), 10 mM (b) và
50 mM (c). Độ đáp ứng với 5 ppm CO như một hàm của nhiệt độ (d) và độ
đáp ứng tại 400
o
C như một hàm của nồng độ khí CO (e).
Ta có thể nhận thấy rằng, sự phụ thuộc của độ đáp ứng vào
nhiệt độ của tất cả các mẫu cảm biến khi đo với các nồng độ
khí đều có nhiệt độ tối ưu vào khoảng 400
o
C. Tại nhiệt độ
này, độ đáp ứng của mẫu cảm biến SnO
2
-Pd (1 mM) với khí
CO từ 1–10 ppm vào khoảng từ 1,1 đến 1,6.
4.3. Cảm biến dây nano SnO
2
biến tính Pd trên điện
cực thương phẩm
Điện cực thương phẩm là loại điện cực sử dụng đế
Al
2
O
3
, được phủ một lớp Au khoảng 5 nm bằng phương pháp
phún xạ. Sau đó sử dụng điện cực này mọc trực tiếp dây nano
SnO
2
bằng phương pháp bốc bay nhiệt ở nhiệt độ 750
o
C trong

30 phút sử dụng vật liệu nguồn là bột Sn. Kết quả chụp ảnh
TEM và HRTEM của vật liệu được trình bày trên hình 4.11.
1 5 0
2 0 0
2 5 0
3 0 0
1 5 0
2 0 0
2 5 0
1 0 0
1 5 0
2 0 0
2 0 0 4 00 6 00 8 00 1 00 0
1 0 0
1 5 0
2 0 0
4
8
1 2
1 p pm
2 .5 p pm
5 p pm

CO (ppm)
1 0 p p m
(a )
@ 3 00
o
C
Sn O

2
- P d( 1 m M )
R (k

)
@ 3 50
o
C
S n O
2
- Pd (1 m M )
@ 4 0 0
o
C
S nO
2
-P d (1 m M )
T im e (s )
@ 4 50
o
C
S n O
2
- Pd (1 m M )
8 00.0 k
1 .0 M
1 .2 M
8 0 0 k
9 0 0 k
1 M

6 0 0 k
7 0 0 k
8 0 0 k
2 0 0 4 00 6 00 8 0 0
3 00.0 k
3 60.0 k
4 20.0 k
4
8
1 2
1 p p m
2 .5 ppm
5 p p m

CO (ppm)
1 0 p p m
(b )
@ 3 0 0
o
C
S nO
2
-P d (1 0m M )
R (

)
@ 3 5 0
o
C
S nO

2
-P d (1 0m M )

@ 400
o
C
S nO
2
-P d( 10 m M )
T im e (s )
@ 4 5 0
o
C
S nO
2
-P d (1 0m M )
8 0 0 .0 k
1 .0 M
1 .2 M
6 0 0 .0 k
8 0 0 .0 k
1 .0 M
4 0 0 .0 k
6 0 0 .0 k
8 0 0 .0 k
2 0 0 400 60 0 80 0
3 0 0 k
4 0 0 k
5 0 0 k
4

8
1 2
1 p pm
2 .5 p p m
5 p pm

CO (ppm)
1 0 p p m
(c )
@ 3 0 0
o
C
S nO
2
-P d( 50 m M )
R (

)
@ 350
o
C
S nO
2
-P d( 50 m M )

@ 4 00
o
C
Sn O
2

- P d( 5 0 m M )
T im e (s)
@ 450
o
C
S nO
2
-P d( 50 m M )
1 1 0
1 2 0
1 3 0
1 4 0
3 0 0 3 5 0 4 0 0 450
0 2 4 6 8 1 0
1 0 0
1 2 0
1 4 0
1 6 0
1 8 0
C O (p p m )
T (
o
C )

S n O
2
- P d(1 m M )
S n O
2
- P d(1 0m M )

S n O
2
- P d(5 0m M )

@ 5 p pm C O
(d )
R
a
/R
g
(%)
(e )
@ 40 0
o
C
R
a
/R
g
(%)
22





Hình 4.11. Ảnh TEM của dây nano SnO
2
(A, B), hạt nano Pd biến
tính trên bề mặt dây SnO

2
(C, D); và hạt nano Pd (E, F)
Kết quả khảo sát tính chất nhạy khí của cảm biến biến
tinh Pd trên điện cực thương phẩm và cảm biến chưa biến tính
được chỉ ra trên hình 4.14 và 4.15. Cảm biến dây nano SnO
2

biến tính Pd thể hiện độ hồi đáp cao hơn so với cảm biến chưa
biến tính và có khả năng phát hiện CO ở nồng độ 1-25 ppm.






Hình 4.14. Đặc trưng nhạy khí CO cảm biến dây nano SnO
2
và SnO
2
-Pd.
0 50 10 0 150 200 25 0 300
0.0
40.0 k
80.0 k
120.0k
160.0k
CO
Kh«ng
khÝ

R (

)
t (s)
SnO
2
Pd-SnO
2
Kh«ng k hÝ
(A)
23









Hình 4.16. Đặc trưng nhạy khí CO ở nồng độ thấp của cảm biến
dây nano Pd-SnO
2
ở 400
o
C: (A) sự thay đổi điện trở khi thồi khí CO với
nồng độ khác nhau và (B) Độ ổn định của cảm biến sau 7 chu kỳ đóng/mở
khí CO với nồng độ 25 ppm ở 400
o

C.

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ
Đề tài “Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí CO và CO
2
trên
cơ sở vật liệu dây nano SnO
2
” đã được thực hiện tại Viện Đào
tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS). Những kết quả
nghiên cứu của luận án đã được công bố trên các tạp chí quốc
tế và hội thảo khoa học chuyên ngành, đặc biệt có 04 công
trình liên quan trực tiếp đến nội dung nghiên cứu của luận án
được công bố trên các tạp chí quốc tế thuộc hệ thống SCI.
Các kết quả của luận án đưa ra một số kết luận như sau:
1) Đã chế tạo thành công cấu trúc nano một chiều (dây
nano) của vật liệu SnO
2
bằng các phương pháp bốc bay nhiệt ở
nhiệt độ 700-800
o
C sử dụng bột Sn và ở nhiệt độ 920-980
o
C
sử dụng bột SnO. Đây là phương pháp đơn giản, có độ lặp lại
và độ tin cậy cao. Ngoài ra các tính chất về vi cấu trúc và tính
chất nhạy khí của chúng cũng đã được cơ bản nghiên cứu. Đã
phát triển được 2 quy trình công nghệ chế tạo cảm biến dây
nano SnO
2

: thứ nhất là chế tạo cảm biến dây nano dạng tiếp
xúc dây/dây. Độ đáp ứng (R
g
/R
a
) tối ưu với 1 ppm NO
2
vào
khoảng 22,7 ở nhiệt độ làm việc 100
o
C. Thứ hai là mọc trực
tiếp dây nano trên đế Al
2
O
3
tạo thành màng mỏng dạng lưới.
0 100 200 300 400 500 600 700 800
20
40
60
80
100
120
140
1 ppm
2.5 ppm
5 ppm
25 ppm
R (k


t (s)
10 ppm
SnO
2
-Pd, CO @ 400
o
C
(A)
0 200 400 600 800 1000
20
40
60
80
100
120
140
160
R (k

)
t (s)
SnO
2
-Pd, 25 ppm CO @ 400
o
C
(B)
7 chu ky
5 10 15 20 25
1.6

2.0
2.4
2.8
S (R
a
/R
g
)
CO (ppm)
24




Cảm biến này có độ đáp ứng tối ưu với 1 ppm NO
2
vào khoảng
184,2 ở nhiệt độ làm việc 150
o
C. Đây là cảm biến cho độ đáp
ứng khá cao so với các nghiên cứu đã công bố.
2) Đã chế tạo thành công cảm biến khí CO
2
trên cơ sở dây
nano SnO
2
biến tính bằng LaOCl. Các kết quả nghiên cứu chỉ ra
rằng cảm biến dây nano SnO
2
-LaOCl xử lý nhiệt ở 600

o
C trong
5 giờ, nồng độ dung dịch biến tính là 96 mM cho độ đáp ứng
khí cao nhất tại 400
o
C. Các thông số đặc trưng của cảm biến
như độ đáp ứng, độ chọn lọc, thời gian đáp ứng và hồi phục
cũng được nghiên cứu. Kết quả này có thể khẳng định rằng
LaOCl là vật liệu tiềm năng trong chế tạo cảm biến khí CO
2
.
3) Đã biến tính thành công dây nano SnO
2
với Pd bằng
phương pháp khử trực tiếp từ PdCl
2
ứng dụng làm cảm biến khí
CO. Mật độ biến tính Pd trên dây nano SnO
2
cũng đã được
nghiên cứu. Độ đáp ứng với 1 ppm CO ở nhiệt độ làm việc 400
o
C vào khoảng 1,16. Loại cảm biến này hoàn toàn có khả năng
ứng dụng làm cảm biến khí CO làm việc trong giải nồng độ khí
từ 1 ppm đến 10 ppm.
4) Đã hoàn thiện quy trình chế tạo các cảm biến khí CO,
CO
2
trên cơ sở kết hợp công nghệ MEMS với vật liệu dây nano
dây nano SnO

2
biến tính Pd và LaOCl.
Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu này mới chỉ là khởi đầu,
cần có những nghiên cứu sâu sắc và hệ thống hơn nhằm định
hướng ứng dụng trong thực tế.
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Tiếp tục nghiên cứu để tìm ra những vật liệu phù hợp để
biến tính bề mặt dây nano nhằm cải thiện các thông số đặc
trưng của cảm biến.
- Khảo sát ảnh hương của các thông số môi trường như độ
ẩm, ánh sáng,… để tiến tới có thể ứng dụng trong thực tế.
- Nghiên cứu và hoàn thiện sản phẩm cảm biến có thể ứng
dụng trong việc phát hiện và cảnh báo sự có mặt của khí độc
trong môi trường.