Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí co và co2 trên cơ sở vật liệu dây nano sno2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN KHÍ CO VÀ CO2
TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU DÂY NANO SnO2

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN KHÍ CO VÀ CO2
TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU DÂY NANO SnO2

Chuyên ngành: VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ
Mã số: 62440123

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

Hà Nội - 2014


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................................. 5

1.1. Mở đầu ......................................................................................................................... 5
1.2. Phân loại các cấu trúc nano một chiều ........................................................................... 6
1.3. Phương pháp chế tạo vật liệu có cấu trúc nano một chiều .............................................. 6
1.3.1. Phương pháp chế tạo từ trên xuống (top-down) ...................................................... 6
1.3.2. Phương pháp từ dưới lên (bottom-up) ..................................................................... 7
1.4. Một số ứng dụng quan trọng của vật liệu nano một chiều .............................................. 7
1.4.1. Ứng dụng làm laser ................................................................................................ 7
1.4.2. Ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời ....................................................................... 8
1.4.3. Ứng dụng trong linh kiện phát xạ trường ................................................................ 9
1.4.4. Ứng dụng trong cảm biến khí ................................................................................. 9
1.5. Cơ chế nhạy khí của cấu trúc nano một chiều .............................................................. 10
1.5.1. Cơ chế nhạy khí chung của vật liệu oxit kim loại bán dẫn ..................................... 10
1.5.2. Cơ chế nhạy khí của vật liệu cấu trúc nano một chiều (dây nano) ......................... 12
1.6. Tổng quan về vật liệu dây nano SnO2 ......................................................................... 13
1.6.1. Cấu trúc của vật liệu dây nano SnO2 ..................................................................... 13
1.6.2. Tính chất quang của dây nano SnO2 ..................................................................... 15
1.6.3. Tính chất điện của dây nano SnO2 ........................................................................ 16
1.6.4. Một số phương pháp chế tạo dây nano SnO2......................................................... 17

i


1.6.4.1. Phương pháp bốc bay nhiệt theo cơ chế hơi lỏng rắn (VLS) ........................... 17
1.6.4.2. Phương pháp bốc bay chùm điện tử................................................................ 21
1.6.4.3. Phương pháp mọc trong dung dịch ................................................................. 23
1.6.4.4. Phương pháp sử dụng khuôn .......................................................................... 24
1.7. Dây nano SnO2 ứng dụng trong cảm biến khí .............................................................. 26
1.7.1. Các đại lượng đặc trưng cơ bản của cảm biến khí ................................................. 26
1.7.1.1. Độ đáp ứng - độ nhạy..................................................................................... 26
1.7.1.2. Độ chọn lọc ................................................................................................... 27

1.7.1.3. Thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục ........................................................ 27
1.7.1.4. Độ ổn định – độ bền ....................................................................................... 27
1.7.2. Cảm biến khí trên cơ sở dây nano SnO2 ................................................................ 27
1.7.3. Một số phương pháp chế tạo cảm biến dây nano SnO2 .......................................... 31
1.7.3.1. Phương pháp chế tạo gián tiếp (post-synthesis) .............................................. 31
1.7.3.2. Phương pháp chế tạo mọc trực tiếp (on-chip growth) ..................................... 33
1.7.4. Biến tính bề mặt dây nano SnO2 ........................................................................... 34
1.8. Kết luận chương 1 ...................................................................................................... 36
CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ CỦA DÂY NANO SnO2 .......... 37
2.1. Giới thiệu ................................................................................................................... 37
2.2. Chế tạo dây nano SnO2 bằng phương pháp bốc bay nhiệt ............................................ 38
2.2.1. Thiết bị và hóa chất .............................................................................................. 38
2.2.2. Quy trình thực nghiệm chế tạo dây nano SnO2...................................................... 39
2.2.3. Kết quả nghiên cứu hình thái và cấu trúc của vật liệu ........................................... 42
2.2.3.1. Kết quả chế tạo dây nano SnO2 sử dụng bột Sn .............................................. 42
2.2.3.2. Kết quả chế tạo dây nano SnO2 sử dụng bột SnO ........................................... 47
ii


2.2.4. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình chế tạo dây nano ......................... 49
2.2.4.1. Ảnh hưởng của tốc độ tăng nhiệt .................................................................... 49
2.2.4.2. Ảnh hưởng của thời gian mọc ........................................................................ 51
2.2.4.3. Ảnh hưởng của chiều dày lớp xúc tác ............................................................. 52
2.3. Chế tạo và tính chất nhạy khí của cảm biến dây nano SnO2 ......................................... 53
2.3.1. Hệ khảo sát tính chất nhạy khí của vật liệu ........................................................... 53
2.3.2. Cảm biến chế tạo bằng phương pháp phủ màng dày (Paste-coating) ..................... 55
2.3.3. Cảm biến chế tạo bằng phương pháp phủ màng mỏng (Drop-coating) .................. 56
2.3.4. Cảm biến chế tạo bằng phương pháp mọc trực tiếp kiểu bắc cầu (Junctionnanowires) ..................................................................................................................... 59
2.3.5. Cảm biến chế tạo bằng phương pháp mọc trực tiếp kiểu mạng lưới (Networknanowires) ..................................................................................................................... 67
2.4. Kết luận chương 2 ...................................................................................................... 72

CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN KHÍ CO2 TRÊN CƠ SỞ DÂY NANO SnO2 BIẾN TÍNH
LaOCl .................................................................................................................................. 73
3.1. Mở đầu ....................................................................................................................... 73
3.1.1. Giới thiệu về khí CO2 ........................................................................................... 73
3.1.2. Tình hình nghiên cứu cảm biến khí CO2 ............................................................... 74
3.2. Kết quả nghiên cứu chế tạo cảm biến khí CO2............................................................. 76
3.2.1. Thực nghiệm ........................................................................................................ 76
3.2.2. Kết quả chế tạo và khảo sát tính chất của vật liệu ................................................. 77
3.2.3. Kết quả khảo sát tính chất nhạy khí CO2 của cảm biến ......................................... 80
3.2.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ .............................................................................. 80
3.2.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch biến tính .................................................. 83
3.2.3.3. Thời gian đáp ứng và hồi phục của cảm biến .................................................. 85
iii


3.2.3.4. Độ chọn lọc của cảm biến .............................................................................. 86
3.2.3.5. Cơ chế nhạy khí của cảm biến ........................................................................ 89
3.3. Hồn thiện sản phẩm cảm biến khí CO2 bằng cơng nghệ vi cơ điện tử (MEMS).......... 92
3.3.1. Quy trình chế tạo cảm biến sử dụng công nghệ MEMS......................................... 93
3.3.2. Kết quả khảo sát tính chất nhạy khí của cảm biến ................................................. 96
3.4. Kết luận chương 3 ........................................................................................................ 98
CHƯƠNG 4: CẢM BIẾN KHÍ CO TRÊN CƠ SỞ DÂY NANO SnO2 BIẾN TÍNH Pd 100
4.1. Mở đầu ..................................................................................................................... 100
4.1.1. Giới thiệu về khí CO .......................................................................................... 100
4.1.2. Tình hình nghiên cứu về cảm biến khí CO .......................................................... 102
4.2. Kết quả nghiên cứu chế tạo cảm biến khí CO ............................................................ 104
4.2.1. Cảm biến dây nano SnO2 biến tính Pd bằng phương pháp nhỏ phủ ..................... 104
4.2.1.1. Quy trình chế tạo cảm biến và biến tính Pd bằng phương pháp nhỏ phủ ....... 104
4.2.1.2. Kết quả chế tạo cảm biến và khảo sát tính chất nhạy khí .............................. 104
4.2.2. Cảm biến dây nano SnO2 biến tính Pd bằng phương pháp khử trực tiếp .............. 106

4.2.2.1. Quy trình biến tính Pd bằng phương pháp khử trực tiếp ............................... 106
4.2.2.2. Kết quả chế tạo cảm biến và khảo sát tính chất nhạy khí .............................. 107
4.2.3. Cảm biến dây nano SnO2 biến tính Pd trên điện cực thương phẩm ...................... 111
4.2.3.1. Quy trình chế tạo cảm biến trên điện cực thương phẩm ................................ 111
4.2.3.2. Kết quả chế tạo cảm biến và hình thái của vật liệu ....................................... 112
4.2.3.3. Kết quả khảo sát tính chất nhạy khí CO........................................................ 116
4.3. Hồn thiện sản phẩm cảm biến khí CO chế tạo bằng cơng nghệ MEMS .................... 121
4.3.1. Quy trình chế tạo cảm biến sử dụng cơng nghệ MEMS....................................... 121
4.3.2. Đặc trưng nhạy khí CO của cảm biến ................................................................. 122
iv


4.4. Kết luận chương 4 .................................................................................................... 123
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................ 125
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ .................................................................. 127
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 129

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
TT

Ký hiệu,
viết tắt

Tên tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

1.

CVD

Chemical Vapour Deposition

Lắng đọng hóa học pha hơi

2.

VLS

Vapour Liquid Solid

Hơi-lỏng-rắn

3.

VS

Vapour Solid

Hơi-rắn

4.

UV

Ultraviolet

Tia cực tím

5.

MFC

Mass Flow Controllers

Bộ điều khiển lưu lượng khí

6.

ppb

Parts per billion

Một phần tỷ

7.

ppm

Parts per million

Một phần triệu

8.

SEM

Scanning Electron Microscope

Kính hiển vi điện tử quét

9.

TEM

Transmission Electron Microscope Kính hiển vi điện tử truyền qua

10.

XRD

X-Ray Diffraction

Nhiễu xạ tia X

11.

FESEM

Field Emission Scanning Electron
Microsope

Kính hiển vi điện tử quét phát xạ
trường

12.

HRTEM

High Resolution Transmission
Electron Microsope

Kính hiển vi điện tử truyền qua
phân giải cao

13.

EDS/EDX

Energy Dispersive X-ray
Spectroscopy

Phổ tán sắc năng lượng tia X

14.

ITIMS

International Training Institute for
Materials Science

Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học
Vật liệu

15.

MEMS

Micro-Electro Mechanical
Systems

Hệ thống vi cơ điện tử

16.

SMO

Semiconducting Metal Oxides

Oxit kim loại bán dẫn

17.

JCPDS

Joint Committee on Powder
Diffraction Standards

Ủy ban về tiêu chuẩn nhiễu xạ của
vật liệu bột

18.

Ra

Rair

Điện trở đo trong khơng khí

19.

Rg

Rgas

Điện trở đo trong khí thử

20.

S

Sensitivity

Độ hồi đáp/Độ đáp ứng

21.

Donors

Các tâm cho điện tử

22.

Acceptors

Các tâm nhận điện tử

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Thống kê một số cơng trình cơng bố về cảm biến khí trên cơ sở dây nano
SnO2 ………………………………………………………………………………………..10
Bảng 2.1. Dải nồng độ khí NO2 (sử dụng khí chuẩn NO2 0,1 %) …………………….53
Bảng 3.1. Sản phẩm cháy của một số loại chất cháy …………………………………..72
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của khí CO2 đến sức khỏe con người …………………………..73
Bảng 3.3. So sánh độ đáp ứng khí CO2 (2000 ppm) của các loại cảm biến……………81
Bảng 4.1. Ảnh hưởng của nồng độ khí CO đến sức khỏe con người …….…………….99

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Thống kê số lượng các cơng trình cơng bố liên quan đến vật liệu ZnO, SnO2,
TiO2, In2O3 và WO3 trong 10 năm (2004-2013) [Nguồn ScienceDirect] ……………………..6
Hình 1.2. Các cấu trúc một chiều: (a) sợi nano; (b) cấu trúc lõi-vỏ; (c) ống nano; (d) cấu
trúc dị thể; (e), (f) đai/thanh nano; (g) cấu trúc hình cây; (h) cấu trúc nhánh; (i) dạng các nano
cầu kết hợp; (j) dạng lị xo …….………………………………………………………………7
Hình 1.3. Cấu trúc răng lược (a); Ảnh quang học trường xa của phát xạ ánh sáng từ dây
nano ZnO (b) và phổ phát xạ phụ thuộc vào năng lượng kích thích (c) …………….………..9
Hình 1.4. Sơ đồ biểu diễn sự thay đổi điện trở của cảm biến bán dẫn loại n và p ….....11
Hình 1.5. Mơ hình giải thích sự thay đổi rào thế của vật liệu oxit kim loại bán dẫn đối
với khí khử ………………………………………………………………………….……..…11
Hình 1.6. Mơ hình giải thích cơ chế nhạy khí của dây nano ……..………….………..13
Hình 1.7. Mơ hình cấu trúc ơ cơ sở của vật liệu SnO2 ………..……………………….14
Hình 1.8. Giản đồ nhiễu xạ điện tử (XRD) của vật liệu SnO2 ….……………………..14
Hình 1.9. Phổ huỳnh quang của dây nano SnO2 mọc ở 750-950 oC (a) và sơ đồ vùng
năng lượng của dây nano SnO2 (b) ……..……………………………………………………15
vii

Hình 1.10. Sơ đồ khảo sát tính chất điện dây nano SnO2 (a) và đường đặc trưng I-V của
tiếp xúc kim loại và bán dẫn (b) ……………………………………………………….……..16
Hình 1.11. Cơ chế mọc dây nano SnO2 sử dụng vật liệu nguồn là màng Sn …….…....19
Hình 1.12. Sơ đồ nguyên lý hệ bốc bay chùm điện tử ……..………………………….22
Hình 1.13. Ảnh FE-SEM của dây nano SnO2 chế tạo bằng phương pháp sol-gel
từ vật liệu nguồn SnCl2.2H2O ………………………………………………………………..23
Hình 1.14. Các loại khn dùng để chế tạo dây nano: (A) màng xốp oxit nhôm, (B)
khuôn đồng trùng hợp (copolymer) và (C) khn mềm …..……………………...…………25
Hình 1.15. Đặc trưng đáp ứng khí của cảm biến sử dụng hạt nano và dây nano SnO2..29
Hình 1.16. So sánh độ đáp ứng khí của cảm biến trên cơ sở hạt và dây nano SnO2 trước
(a,c) và sau 46 ngày (b,d)…………………………………………………………………..…29
Hình 1.17. Cảm biến khí trên cơ sở transistor hiệu ứng trường dây nano SnO2: mơ hình
linh kiện FET dây nano (a), linh kiện FET dây nano (b) và đặc trưng nhạy khí O2 khi đo dịng
nguồn máng IDS lúc có và khơng có O2……………………………………………………….30
Hình 1.18. Cảm biến sử dụng hiệu ứng tự đốt nóng trên cơ sở đơn dây nano SnO2: (a) sự
phụ thuộc của nhiệt độ đốt nóng vào dịng điện, (b) đặc trưng nhạy khí NO2 của cảm biến khi
áp dịng điện 0,1 nA và 10 nA……………………………………………………………..…31
Hình 1.19. Quy trình chế tạo cảm biến dây nano sử dụng khn PDMS ………….….32
Hình 1.20. Ảnh SEM với độ phóng đại thấp (a) và cao (b) của cảm biến dây nano SnO2
mọc trên điện cực răng lược (c) hình thái của dây nano và (d) ảnh TEM phân giải cao của dây
nano SnO2 …..………………….…………………………………………………………….33
Hình 1.21. Ảnh TEM của dây nano SnO2 (a), 5 nm Ag-SnO2 (b), 10 nm Ag-SnO2 (c),
50 nm Ag-SnO2 (d) và độ chọn lọc của các cảm biến với 100 ppm khí C2H5OH, NH3, H2, CO
ở 450 oC (e) …….……………….……………….……………………………………………35
Hình 1.22. Mơ hình giải thích cơ chế nhạy khí của dây nano biến tính bằng Pd (a): (1)
sự hấp phụ ion oxy trên bề mặt dây nano, (2) sự phân tách phân tử oxy thành ion dưới tác
dụng của hạt Pd, (3) sự hấp phụ oxy của dây nano tại bề mặt dây nano có biến tính Pd; giản
đồ vùng năng lượng của dây nano SnO2 và Pd-SnO2 (b) ….…………………………………36
viii

Hình 2.1. Thống kê số lượng cơng trình cơng bố về dây nano SnO2 và dây nano SnO2 ứng
dụng làm cảm biến khí trong 10 năm (2004-2013) [Nguồn ScienceDirect] …………...…36
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý và ảnh chụp hệ bốc bay nhiệt chế tạo vật liệu tại Viện
ITIMS…………………………………………………………………………………………38
Hình 2.3. Sơ đồ bố trí vật liệu nguồn và đế cho quá trình mọc dây nano từ bột Sn (SnO)
Hình 2.4. Giản đồ chu trình nhiệt của quá trình mọc dây nano ở 700-800 oC…………40
Hình 2.5. Giản đồ chu trình nhiệt của quá trình chế tạo dây nano ở 920-980 oC ….….41
Hình 2.6. Ảnh quang học mẫu dây nano chế tạo ở nhiệt độ 700-800 oC đặt trước và sau
thuyền (a) và ảnh FE-SEM dây nano mọc ở 680 oC (b)………………………………….…..42
Hình 2.7. Ảnh FE-SEM và TEM của dây nano SnO2 tổng hợp ở nhiệt độ: 700 oC (a),
750 oC (b) và 800 oC (c)………………………………………………………………...…….43
Hình 2.8. Giản đồ nhiễu xạ điện tử XRD (a) và phổ Raman đo ở nhiệt độ phòng (b) của
dây nano SnO2 chế tạo ở nhiệt độ 700 oC, 750 oC và 800 oC ………………………………..44
Hình 2.9. Phổ hấp thụ UV-VIS (a) và đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số hấp thụ
và năng lượng photon (b) của dây nano mọc ở nhiệt độ 700-800 oC…………………………45
Hình 2.10. Phổ huỳnh quang đo ở nhiệt độ phòng của dây nano SnO2 chế tạo ở các
nhiệt độ khác nhau: 700 oC, 750 oC và 800 oC ………………………………………………45
Hình 2.11. Ảnh FE-SEM của dây nano chế tạo từ bột SnO ở các nhiệt độ: 920 oC (a),
950 oC (b) và 980 oC (c) …………………………………………………………………..….47
Hình 2.12. Giản đồ XRD của dây nano SnO2 mọc ở 950 oC (a) và bột SnO2 thương
phẩm (b) ……………………………………………………………………………………...47
Hình 2.13. Ảnh TEM của dây nano SnO2 mọc ở 950 oC (a) và ảnh HR-TEM cho thấy
sự sắp xếp các nguyên tử (b). Ảnh nhiễu xạ điện tử của dây nano (ảnh nhỏ)………….……..48
Hình 2.14. Ảnh FE-SEM của dây nano SnO2 mọc ở 750 oC với tốc độ tăng nhiệt độ
lần lượt là 60 độ/phút (a), 30 độ/phút (b) và 15 độ/phút (c).....................................................49
Hình 2.15. Dây nano SnO2 chế tạo ở 750 oC với thời gian mọc khác nhau: 15 phút (a),
30 phút (b) và 60 phút (c)…………………………………………………………………….50
ix

Hình 2.16. Ảnh FE-SEM dây nano SnO2 mọc ở 750 oC trong 30 phút với chiều dày lớp
xúc tác Au khác nhau: 5 nm (a,b), 10 nm (c,d) và 20 nm (e,f)……………………………….51
Hình 2.17. Sơ đồ ngun lý hệ đo tính chất nhạy khí của cảm biến (a), thiết bị đo thế và
đo dịng (b)……………………………………………………………………………………53
Hình 2.18. Điện cực răng lược (a) và cảm biến trên cơ sở dây nano SnO2 chế tạo bằng
phương pháp phủ màng dày (b).....................................................................................................54
Hình 2.19. Đặc trưng nhạy khí NO2 của cảm biến dây nano SnO2 chế tạo bằng phương
pháp phủ màng dày ở: 150 oC (a), 200 oC (b), 250 oC (c) và độ đáp ứng của cảm biến phụ
thuộc nồng độ khí (d)…………..……………………………………………………………..55
Hình 2.20. Ảnh FE-SEM của cảm biến trên cơ sở dây nano chế tạo bằng phương pháp
phủ màng mỏng ..……………………………………………………………………………..56
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 NO2 (c)
và độ hồi đáp của cảm biến phụ thuộc vào nồng độ khí (d)………………………………….57
Hình 2.22. Quy trình chế tạo điện cực trên đế Si để mọc trực tiếp dây nano SnO2
tại Viện ITIMS ………………………………………………………………………………..58
Hình 2.23. Ảnh hiển vi quang học của cảm biến mọc trực tiếp dây nano lên điện cực ở
800oC với khối lượng bột Sn khác nhau: 4 mg (a), 6 mg (b), 10 mg (c) và 20 mg (d)………....59
Hình 2.24. Cảm biến mọc trực tiếp dây nano SnO2 với khối lượng vật liệu nguồn khác
nhau: 2 mg (a,b), 4 mg (c,d), 6 mg (e,f) và 10 mg (g, h) …..………………………………..…60
Hình 2.25. Đặc trưng nhạy khí của cảm biến SnO2-6mg: sự thay đổi điện trở của cảm biến
với 1 ppm khí NO2 trong dải nhiệt độ 50-200 oC (a) và độ đáp ứng của cảm biến với 1 ppm khí
NO2 như một hàm của nhiệt độ (b)……………………………….……………………..…61
Hình 2.26. Đặc trưng nhạy khí NO2 của cảm biến theo nồng độ khí NO2 (1; 2,5; 5 và 10
ppm) ở các nhiệt độ 50 oC, 100 oC và 150 oC; Sự phụ thuộc độ đáp ứng S (Rg/Ra) như một hàm
của nồng độ khí với các cảm biến: SnO2-4 mg (a), SnO2-6 mg (b), SnO2-10 mg (c), SnO2-20 mg
(d) ………………………………………………………………………………………….......62
Hình 2.27. Độ đáp ứng của cảm biến phụ thuộc vào nồng độ khí NO2 với cảm biến

SnO2-4 mg, SnO2-6 mg, SnO2-10 mg và SnO2-20 mg ở nhiệt độ 100 oC………………...….63
x


Hình 2.28. Mơ hình cảm biến dây nano kiểu bắc cầu: dây nano nối trự c tiếp hai điện cực
(a), các tiếp xúc dây-dây của dây nano giữa 2 điện cực (b) và kết hợp cả hai mơ hình trên (c)..65
Hình 2.29. Độ chọn lọc của cảm biến dây nano SnO2-4 mg khi đo với các loại khí khác
nhau: CO (10 ppm), H2S (10 ppm), C2H5OH (100 ppm), NH3 (100 ppm) và NO2 (1 ppm)...…65
Hình 2.30. Quy trình chế tạo cảm biến mọc trực tiếp dây nano SnO2 lên đế Al2O3….…66
Hình 2.31. Độ đáp ứng với 0,5 ppm khí NO2 ở 200 oC của các cảm biến chế tạo với khối
lượng vật liệu nguồn khác nhau: 0,05 g (a); 0,1 g (b) và 0,15 g (c)………………………..…..67
Hình 2.32. Đặc trưng nhạy khí NO2 của cảm biến dây nano SnO2 mọc trên đế Al2O3 ở
nhiệt độ: 150 oC (a), 200 oC (b), 250 oC (c) và sự phụ thuộc độ đáp ứng của cảm biến theo nồng
độ khí (d)………………………………………………………………………………………68
Hình 2.33. Đặc trưng nhạy khí của cảm biến dây nano SnO2 dạng màng mỏng chế tạo
trên đế SiO2/Si (a) và Al2O3 (b); độ đáp ứng của hai mẫu cảm biến như một hàm của nồng độ
khí NO2 (c); ảnh FE-SEM của cảm biến dây nano trên đế Si (d) và Al2O3 (e)…………….…69
Hình 2.34. Đồ thị so sánh độ đáp ứng của cảm biến khí NO2 sử dụng dây nano chế tạo
bằng phương pháp phủ màng dày, phủ màng mỏng ở 200 oC và mọc trực tiếp kiểu bắc cầu,
kiểu mạng lưới ở 150 oC …………………………………...………………………………...70
Hình 3.1. Quy trình chế tạo cảm biến trên cơ sở dây nano SnO2 biến tính LaOCl bằng
phương pháp phủ mảng mỏng ………………………………………………………………..75
Hình 3.2. Ảnh FE-SEM của dây nano SnO2 trước (a) và sau biến tính LaOCl (b); phổ
tán xạ tia X (EDX) của dây nano SnO2 (c) và SnO2-LaOCl (d); Ảnh TEM của dây nano SnO2
(e) và SnO2-LaOCl (f)………………………………………………………………………...77
Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xa tia X của mẫu dây nano SnO2 chưa biến tính và biến tính với
LaOCl ủ ở các nhiệt độ 500, 600 và 700 oC………………………………………….……….78
Hình 3.4. Đặc trưng nhạy khí CO2 của cảm biến dây nano SnO2 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.…..80
Hình 3.5. Đặc trưng nhạy khí CO2 của cảm biến dây nano SnO2- LaOCl xử lý nhiệt ở 500

o

C (a) và 700 oC (b) ở nhiệt độ 350, 400, 450 oC; Độ đáp ứng với 4000 ppm khí CO2 của cảm

biến ở 400 oC (c) và độ đáp ứng của các cảm biến như một hàm của nồng độ khí CO2 (d)..…..82

xi


Hình 3.6. Đặc trưng nhạy khí CO2 của cảm biến biến tính bằng LaOCl với nồng độ
khác nhau: 0 mM, 2 mM, 12 mM, 24 mM, 36 mM, 60 mM, 96 mM và 120 mM đo tại 300 (a),
350 (b), 400 (c) và 450 oC (d)………………………………………………………………...83
Hình 3.7. Độ đáp ứng với khí CO2 (4000 ppm) như một hàm của nồng độ dung dịch
biến tính (a) và một hàm của nồng độ khí (b) ở nhiệt độ làm việc là 400 oC………….…..…84
Hình 3.8. Đặc trưng hồi đáp với một chu kỳ của cảm biến trước (a) và sau biến tính (c);
thơi gian hồi đáp và hồi phục của cảm biến trước (b) và sau biến tính (d)…………………..85
Hình 3.9. Đặc trưng nhạy khí NH3 (a,b) và LPG (c,d) của cảm biến dây nano SnO2 chưa
biến tính và biến tính bằng dung dịch LaCl3 96 mM đo tại các nhiệt độ khác nhau………..….86
Hình 3.10. Đặc trưng nhạy khí CO (a,b), C2H5OH (c,d) và H2 (e,f) của cảm biến dây nano
SnO2 chưa biến tính và biến tính bằng dung dịch LaCl3 96 mM đo ở nhiệt độ khác nhau….…87
Hình 3.11. Kết quả nghiên cứu độ chọn lọc của cảm biến chưa biến tính (a) và biến tính
bằng LaOCl (b) với nhiều loại khí khác nhau như CO, C2H5OH, H2, LPG, NO2, NH3……...88
Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn khả năng hấp phụ và giải hấp phụ khí N2 của dây nano SnO2
(a) và SnO2-LaOCl (c) đo ở 77 K. Diện tích bề mặt riêng và thể tích mao quản của dây nano
SnO2 (b) lần lượt là 4 m2/g và 0,044 cm3/g; SnO2-LaOCl (d) là 2,2 m2/g và 0,0065 cm3/g……89
Hình 3.13. Đặc trưng nhạy khí CO2 của vật liệu LaOCl (a), sự thay đổi điện trở theo
nhiệt độ của dây nano SnO2 và SnO2-LaOCl (b) và mơ hình giải thích sự thay đổi vùng nghèo
do biến tính bề mặt dây nano SnO2 bằng LaOCl (c)...………………………………………..90
Hình 3.14. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) dây nano SnO2 và SnO2-LaOCl..…91
Hình 3.15. Cấu tạo của cảm biến khí loại một mặt chế tạo bằng cơng nghệ MEMS….92

Hình 3.16. Quy trình chế tạo điện cực trên cơ sở cơng nghệ MEMS………………….93
Hình 3.17. Cảm biến được chế tạo hàng loạt trên phiến SiO2/Si/ SiO2; (a) mặt trên
phiến; (b) mặt sau phiến……………………………………………………………..………..94
Hình 3.18. Giá trị nhiệt độ lò vi nhiệt phụ thuộc vào điện trở (a), điện áp (b) và cơng
suất (c).......................................................................................................................................95
Hình 3.19. Cảm biến CO2 trên cơ sở dây nano SnO2 biến tính LaOCl: (a) cảm biến chế tạo
trên điện cực MEMS bằng phương pháp nhỏ phủ; (b) cảm biến sau khi được đóng vỏ…...96
xii


Hình 3.20. Đặc trưng nhạy khí của 3 cảm biến dây nano SnO2 biến tính LaOCl chế tạo
bằng cơng nghệ MEMS (a-c); Độ đáp ứng như là một hàm của nhiệt độ (d) và nồng độ khí (e);
Đặc trưng nhạy khí của 12 cảm biến đo với 5000 ppm CO2 ở 400 oC (f)…………………..97
Hình 4.1. Các nguồn phát sinh khí CO trong mơi trường …....………………………100
Hình 4.2. Ảnh FE-SEM dây nano SnO2 chưa biến tính (a) và biến tính Pd bằng phương
pháp nhỏ phủ (b)……………………………………………………………………………...104
Hình 4.3. Đặc trưng nhạy khí CO của cảm biến SnO2 (a,c) và SnO2-Pd (b,d) ở các nhiệt
độ 350, 400 và 450 oC………………………………………………………………………...105
Hình 4.4. Quy trình biến tính dây nano SnO2 bằng hạt Pd nhờ khử trực tiếp từ dung
dịch PdCl2…………………………………………………………………………………...106
Hình 4.5. Ảnh FE-SEM (a) và HR-TEM (b) dây nano SnO2 sau khi biến tính hạt nano
Pd bằng phương pháp khử trực tiếp…………………………………………………………107
Hình 4.6. Đặc trưng nhạy khí của cảm biến SnO2-Pd đối với khí CO ở các nhiệt độ 300,
350, 400 và 450 oC biến tính với dung dịch PdCl2 1 mM (a), 10 mM (b), và 50 mM (c). Độ
đáp ứng với 5 ppm CO một hàm của nhiệt độ (d) và độ đáp ứng tại 400 oC như một hàm của
nồng độ khí CO (e)…………………………………………………………………………..108
Hình 4.7. Đặc trưng nhạy khí của cảm biến dây nano SnO2 chưa biến tính với 25 ppm
CO (a), độ đáp ứng của cảm biến chưa biến tính như một hàm của nhiệt độ (b)…………...109
Hình 4.8. Độ chọn lọc của cảm biến dây nano Pd-SnO2 với các khí CO, CO2, H2 và
NH3…………………………………………………………………………………………..109

Hình 4.9. Ảnh quang học (a-c) và sự thay đổi công suất theo nhiệt độ (d) của điện cực
thương phẩm ………………………………………………………………………………..110
Hình 4.10. (a) Đế Al2O3 với điện cực Au được in lưới, (b) Điện cực sau khi mọc dây
nano SnO2; Ảnh FE-SEM phân dải thấp (c) và cao (d) dây nano SnO2 mọc trên điện cực…111
Hình 4.11. Ảnh TEM của dây nano SnO2 (a, b), hạt nano Pd biến tính trên bề mặt dây
nano SnO2 (c, d) và hạt nano Pd (e, f) ………………………………………………………112
Hình 4.12. Ảnh STEM (a) và EDS mapping (b-d) của dây nano Pd-SnO2…………..113

xiii


Hình 4.13. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của vật liệu: (a) Dây nano SnO2 biến tính
bằng hạt nano Pd và (b) hạt nano Pd………………………………………………………...114
Hình 4.14. (a) Đặc trưng nhạy khí CO của cảm biến dây nano SnO2 và Pd-SnO2; (b) Sơ
đồ minh họa vùng nghèo điện tử và tương tác giữa khí thử và oxy bị hấp phụ lên bề mặt dây
nano Pd-SnO2………………………………………………………………………………..115
Hình 4.15. Độ đáp ứng khí CO của cảm biến dây nano Pd-SnO2: (a-c) sự thay đổi điện
trở của cảm biến khi thổi khí CO với nồng độ khác nhau đo tại 350 oC, 400 oC, và 450 oC. Độ
đáp ứng của cảm biến như một hàm của nhiệt độ (d) và nồng độ (e)…………………….…117
Hình 4.16. Đặc trưng nhạy khí CO ở nồng độ thấp của cảm biến dây nano Pd-SnO2 ở
400 oC: (a) Sự thay đổi điện trở khi thổi 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 oC………………….…118
Hình 4.17. Độ đáp ứng của cảm biến với các khí CO, H2, NH3 và CO2 như hàm của
nồng độ các khí tại nhiệt độ làm việc là 400 oC……………………………………………..119
Hình 4.18. Độ đáp ứng của cảm biến dây nano SnO2 chưa biến tính và biến tính Pd
bằng các phương pháp khác nhau đo với 10 ppm khí CO ở 400 oC ……………………..…120
Hình 4.19. Cảm biến khí CO trên cơ sở dây nano SnO2 trên điện cực MEMS (a) và cảm
biến sau khi đã đóng vỏ (b)………………………………………………………………..….121
Hình 4.20. Cảm biến trên cơ sở dây nano SnO2 biến tính Pd: đặc trưng nhạy khí CO của
3 cảm biến (c-e); độ đáp ứng của cảm biến như một hàm của nhiệt độ (d) và nồng độ khí (e),

đặc trưng nhạy khí của 11 cảm biến đo với 10 ppm khí CO ở 400 oC (f) ………………….122

xiv


MỞ ĐẦU
Việt Nam đang trong quá trình hội nhập sâu rộng vào nền kinh tế thế giới và khu
vực. Nền kinh tế nước ta tiếp tục phát triển theo cơ chế thị trường định hướng xã hội chủ
nghĩa. 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, các khu cơng nghiệp, tốc độ đơ
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 ơ nhiễm mơi trường nói chung cũng như ơ nhiễm khơng khí.
Khơng khí bị ơ nhiễm là do các khí độc hại như CO, CO2, H2S, NO2, NO, v.v có nồng độ
vượt quá giới hạn cho phép, chúng sinh ra trong q trình sản xuất cơng nghiệp, q trình
cháy của các loại nhiên liệu hóa thạch cũng như khí thải từ các phương tiện giao thơng.
Khí CO và CO2 là những khí độc mà khó có thể phát hiện bằng các giác quan của con
người vì chúng khơng màu, khơng mùi. Do đó, việc phát hiện và cảnh báo sự có mặt của
các khí độc này nhằm kiểm sốt chất lượng khơng khí trong mơi trường sống là rất cần
thiết và quan trọng đối với sức khỏe con người cũng như mang lại những lợi ích kinh tế
cho xã hội. Bên cạnh đó, việc đo đạc nhằm phát hiện sự có mặt của khí CO, CO2 cịn có
thể ứng dụng trong một số lĩnh vực khác nhau như cảnh báo cháy nổ, điều khiển quá trình
cháy của động cơ đốt trong, v.v.
Để phát hiện sự có mặt của các khí độc trong khơng khí có thể dùng các thiết bị như
sắc ký khí, phân tích phổ hồng ngoại, bị phân tích phổ khối lượng, v.v. Tuy nhiên, các thiết
bị này thường có giá thành cao, cấu tạo cũng như vận hành phức tạp và thời gian phân tích
lâu [84]. Để khắc phục những hạn chế trên, các loại cảm biến hóa học đang thu hút được sự
quan tâm nghiên cứu. Cảm biến khí trên cơ sở vật liệu oxit kim loại bán dẫn đã được
nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ trước [133]. Trong các nhóm nghiên cứu về vật
liệu dây nano, nhóm nghiên cứu của Kolmakov [3,4,115] có nhiều cơng trình có giá trị liên
quan đến vấn đề ứng dụng vật liệu dây nano cho cảm biến khí. Từ các cơng trình này, có

thể nhận thấy rằng các loại cảm biến này có độ nhạy cao, đặc biệt là công suất tiêu thụ bé
hơn rất nhiều so với các loại cảm biến truyền thống. Tuy nhiên, việc chế tạo dây nano và
các linh kiện dây nano dạng đơn sợi, đa sợi và dạng mạng lưới gặp một số khó khăn nhất
định về cơng nghệ. Do đó, việc nghiên cứu tìm kiếm các cơng nghệ ít phức tạp để chế tạo
cảm biến khí trên cơ sở dây nano oxit kim loại bán dẫn, cũng như các hiểu biết sâu sắc về
tính chất nhạy khí của vật liệu trở nên cấp thiết và có tính thời sự cao. Đây là cơ sở để chế
tạo các cảm biến bán dẫn và hệ đa cảm biến cho phép phân tích đồng thời nhiều loại khí

1


khác nhau trên cùng một chíp, đặc biệt là cơng suất tiêu thụ nhỏ thuận tiện cho việc chế tạo
các thiết bị cầm tay nhỏ gọn.
Cảm biến khí trên cơ sở sự thay đổi độ dẫn của vật liệu oxit kim loại bán dẫn như
ZnO, SnO2, WO3, In2O3, v.v. luôn thu hút được sự quan tâm nghiên cứu. Trong đó, vật liệu
dây nano SnO2 có nhiều ưu điểm như: (i) tính định hướng và độ kết tinh cao (thường là
đơn tinh thể) nên chúng có độ bền cao cũng như độ ổn định tốt; (ii) Vật liệu dây nano có tỷ
lệ diện tích trên thể tích lớn, nên có thể cho tính nhạy khí tốt; (iii) 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; (iv) SnO2 là vật liệu
được sử dụng chủ yếu trong các loại cảm biến khí thương phẩm. Những hiểu biết này có
vai trị 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, vật liệu có cấu trúc nano bắt đầu được nghiên cứu trong những năm 90
của thế kỷ trước. Trong những năm gần đây, được sự quan tâm, đầu tư tập trung của Nhà
nước, các hướng nghiên cứu về các vật liệu và linh kiện có cấu trúc nano đã được hình
thành một cách rõ nét ở các cơ sở nghiên cứu trong nước. Qua các đề tài nghiên cứu được
tài trợ bởi Quỹ nghiên cứu phát triển khoa học công nghệ quốc gia (Nafosted) từ năm 2009
đến nay có thể nhận thấy rằng, vấn đề nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano nói chung cho

cảm biến khí cịn nhiều vấn đề chưa được giải quyết. Theo hiểu biết của tác giả, có một số
nhóm nghiên cứu mạnh về ứng dụng vật liệu cấu trúc nano cho cảm biến khí ở nước ta như
nhóm nghiên cứu của GS Nguyễn Đức Chiến, PGS Nguyễn Văn Hiếu, PGS Đặng Đức
Vượng (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) và nhóm của PGS Nguyễn Ngọc Tồn (Viện
Khoa học Vật liệu). Nhóm của PGS Nguyễn Ngọc Toàn tập trung nghiên cứu chế tạo vật
liệu peroskite có cấu trúc nano nhằm ứng dụng cho cảm biến phát hiện khí CO, hơi cồn
cũng như các khí hydrocacbon (C3H8, C4H10) [48-49]. Nhóm của PGS Đặng Đức Vượng
nghiên cứu chế tạo thanh, hạt nano SnO2 và một số oxit kim loại bán dẫn khác bằng
phương pháp hóa học để ứng dụng cho cảm biến khí như khí ga, NH3 và hơi cồn
[106,145]. Như vậy, vấn đề nghiên cứu ứng dụng dây nano cho cảm biến khí được thực
hiện bởi các nhóm nghiên cứu ở trong nước cịn rất hạn chế.
Trên cơ sở những phân tích trên, chúng tơi chọn đề tài nghiên cứu của luận án là
“Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí CO và CO2 trên cơ sở vật liệu dây nano SnO2”.
Đề tài được thực hiện với hai mục tiêu chính là:
2


(i) Phát triển được công nghệ chế tạo dây nano SnO2 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 CO2 trên cơ sở dây nano SnO2 nhằm ứng dụng
cho kiểm sốt chất lượng khơng khí.
Để đạt được mục tiêu trên, luận án sử dụng phương pháp thực nghiệm, cụ thể là:
 Vật liệu dây nano SnO2 được chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt sử dụng vật
liệu nguồn là bột Sn và SnO.
 Để nghiên cứu hình thái, cấu trúc của vật liệu chúng tơi tiến hành phân tích mẫu
bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM), hiển vi điện tử truyền qua
(TEM), hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR-TEM), phổ tán sắc năng lượng (EDS)
và nhiễu xạ tia X (XRD).
 Để khảo sát tính chất nhạy khí của vật liệu chúng tôi tiến hành đo trên hệ đo nhạy

khí tại Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội.
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 có vai trò quan trọng trong
việc 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 vật liệu cấu trúc nano một chiều. Ngoài ra, kết quả
nghiên cứu của luận án là cơ sở để chế tạo ra được các sản phẩm cảm biến trên cơ sở một
số loại vật liệu dây nano oxit kim loại bán dẫn 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 thơng qua việc
thực hiện các nội dung nghiên cứu trong đề tài này. Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu của
đề tài 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 như quan trắc môi trường nước, an
toàn vệ sinh thực phẩm cũng như các loại cảm biến phục vụ trong an ninh, quốc phịng.
Ngồi phần Mở đầu, Kết luận chung-Kiến nghị và Tài liệu tham khảo, luận án
được trình bày trong 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về vật liệu nano một chiều

3


Chương này tác giả tập trung giới thiệu những tính chất cơ bản, một số ứng dụng, các
phương pháp chế tạo của vật liệu dây nano oxit kim loại bán dẫn cũng như các thông số
đặc trưng của cảm biến khí trên cơ sở dây nano. Ngồi ra, tổng quan về tình hình nghiên
cứu trên thế giới và trong nước đối với vật liệu dây nano SnO2 bằng phương pháp bốc bay
nhiệt cũng được trình bày.
Chương 2: Chế tạo và tính chất nhạy khí của dây nano SnO2
Chương 2 tập trung giới thiệu quy trình chế tạo dây nano SnO2 bằng phương pháp
bốc bay nhiệt sử dụng vật liệu nguồn là bột Sn và SnO. Hình thái, cấu trúc và tính chất

nhạy khí của vật liệu cũng được khảo sát. Bên cạnh đó, chúng tơi cũng khảo sát các thơng
số ảnh hưởng đến hình thái và vi cấu trúc của dây nano như nhiệt độ mọc, tốc độ tăng
nhiệt, thời gian mọc cũng như chiều dày lớp xúc tác. Việc tìm ra các thơng số tối ưu cho
quy trình chế tạo vật liệu là cơ sở cho việc chế tạo các loại cảm biến.
Chương 3: Cảm biến khí CO2 trên cơ sở dây nano SnO2 biến tính LaOCl
Chương 3 của luận án đi sâu nghiên cứu tính chất nhạy khí CO2 của cảm biến trên cơ
sở dây nano SnO2 chưa biến tính và biến tính bề mặt bằng LaOCl. Ngồi ra, quy trình biến
tính, nhiệt độ ủ cũng như các thông số đặc trưng của cảm biến dây nano biến tính LaOCl
như độ đáp ứng, độ chọn lọc thời gian đáp ứng và hồi phục cũng được nghiên cứu.
Chương 4: Cảm biến khí CO trên cơ sở dây nano SnO2 biến tính Pd
Trong chương 4 chúng tơi tập trung nghiên cứu quy trình chế tạo cảm biến khí CO sử
dụng dây nano SnO2 biến tính Pd bằng phương pháp nhỏ phủ và khử trực tiếp từ muối
PdCl2. Hình thái, cấu trúc và tính chất nhạy khí của cảm biến dây nano trước và sau biến
tính được khảo sát và so sánh.

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Mở đầu
Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật nói chung cũng như cơng 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 SnO2 [16,115], ZnO [58,81], In2O3 [54], TiO2 [28], WO3 [123],... được quan tâm
nghiên cứu ở cả phương diện nghiên cứu cơ bản và ứng dụng. Chúng đã được nghiên cứu
ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như cảm biến khí [34], pin mặt trời [16], thiết bị
quang điện tử [80], điện cực trong suốt [156], xúc tác [3], tế bào nhạy quang [111],….
Hình 1.1 chỉ ra thống kê số cơng trình cơng bố liên quan đến vật liệu oxit kim loại bán dẫn
cấu trúc nano trong 10 năm qua được công bố trên ScienceDirect. Trong số các vật liệu
trên thì ZnO và SnO2 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, ứng dụng được
trong nhiều lĩnh vực khác nhau, v.v.

WO3
In2O3
TiO2
SnO2
ZnO

10000

Số lượng công trình

8000
6000
4000
2000
0
2004

2006

2008
2010
Năm công bố

2012

Hỡnh 1.1. Thng kờ s lượng các cơng trình cơng bố liên quan đến vật liệu ZnO, SnO2 ,
TiO2, In2O3 và WO3 trong 10 năm (2004-2013) [Nguồn ScienceDirect].

5


1.2. Phân loại các cấu trúc nano một chiều
Trong số các vật liệu cấu trúc nano oxít kim loại bán dẫn thì cấu trúc nano một chiều
có ưu điểm là hai chiều có kích thước ở thang nanomet và chiều cịn lại như là một kênh
dẫn nano cho q trình truyền tải điện. Vì vậy, các phản ứng xảy ra ở bề mặt sẽ có tác động
đáng kể đến đặc tính dẫn điện của các cấu trúc nano một chiều. Đây là ý tưởng cho việc sử
dụng các cấu trúc nano một chiều trong lĩnh vực cảm biến khí. Cho đến nay, người ta đã
chế tạo thành công nhiều loại cấu trúc nano một chiều khác nhau của vật liệu oxít kim loại
bán dẫn bao gồm dây nano, dây nano lõi-võ, ống nano, đai nano, cấu trúc nano rẽ nhánh,
thanh nano và vịng nano như minh họa trên Hình 2.1[162].

Hình 1.2. Các cấu trúc một chiều: (a) sợi nano; (b) cấu trúc lõi-vỏ; (c) ống nano; (d) cấu
trúc dị thể; (e), (f) đai/thanh nano; (g) cấu trúc hình cây; (h) cấu trúc nhánh; (i) dạng các
nano cầu kết hợp; (j) dạng lò xo [162].

1.3. Phương pháp chế tạo vật liệu có cấu trúc nano một chiều
Có 2 phương pháp chung để chế tạo vật liệu có cấu trúc nano một chiều là: phương
pháp từ trên xuống (top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up) [15,140].
1.3.1. Phương pháp chế tạo từ trên xuống (top-down)
Phương pháp chế tạo 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
nano mét. Phương pháp này thường gắn liền với công nghệ lắng đọng từ pha hơi, quang
khắc, ăn mòn và mài mòn chùm ion. Ưu điểm của phương pháp này là phù hợp với công
nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn và có khả năng chế tạo trên mặt phẳng, trong khi đó khó
khăn của nó là giá thành cực kì đắt và tốn thời gian. Trong phương pháp top-down có thể
6

tạo ra dây nano với chất lượng cao nhưng công nghệ hiện nay chưa thể triển khai ở qui mô
công nghiệp để chế tạo với số lượng lớn và giá thành thấp. Hơn nữa công nghệ chế tạo vật
liệu cấu trúc nano một chiều bằng những cách này có chất lượng tinh thể không cao.
1.3.2. Phương pháp từ dưới lên (bottom-up)
Phương pháp chế tạo 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 [15,45,104]. Ý tưởng của
phương pháp này bắt nguồn từ các hệ sinh học, trong đó chúng lợi dụng các lực hóa học để
tạo ra các cấu trúc cần thiết cho sự sống [83]. Hầu hết các kỹ thuật tổng hợp vật liệu đều
dựa trên phương pháp này. Hiện nay, có rất nhiều kỹ thuật tổng hợp vật liệu dựa trên
phương pháp bottom-up như chế tạo vật liệu theo cơ chế hơi-lỏng-rắn (VLS), lắng đọng
hóa học từ pha hơi (CVD), sol-gel, tổng hợp bằng plasma, nhiệt phân bằng laser, ngưng tụ
nguyên tử hoặc phân tử, tự sắp xếp lớp-lớp, tự sắp xếp phân tử, v.v. Ưu điểm quan trọng
của phương pháp này là chúng ta có thể tạo ra các cấu trúc có các chiều thay đổi từ vài
angstrom cho đến hàng trăm nano mét [15,25,104]. Một ưu điểm nữa là dây nano có thể
được tổng hợp lên hầu hết các bề mặt khác nhau hoặc tổng hợp bằng các kỹ thuật như vận
chuyển pha hơi, lắng đọng điện hóa, cơng nghệ mọc từ dung dịch hoặc dùng khn [2,21].
Ngồi ra, phương pháp này có thể chế tạo được vật liệu nano tinh thể có độ tinh khiết cao,
đường kính nhỏ, giá thành của các thiết bị rẻ. Tuy nhiên, nhược điểm chính của phương
pháp này là vấn đề tích hợp trong cơng nghệ để khai thác những tính chất tốt của chúng
cịn gặp nhiều khó khăn.
Phương pháp bottom-up cho phép chế tạo vật liệu cấu trúc nano một chiều với giá
thành rẻ nhưng rất khó để điều khiển hình thái cũng như cấu trúc của vật liệu. Vì vậy, việc
điều khiển và nắm rõ q trình mọc của vật liệu để có thể tạo ra những cấu trúc mong
muốn vẫn thu hút được sự quan tâm nghiên cứu. Hầu hết các công nghệ hứa hẹn để chế tạo
dây nano có chất lượng tốt cần phải kết hợp cả hai phương pháp top-down và bottom-up.

1.4. Một số ứng dụng quan trọng của vật liệu nano một chiều
1.4.1. Ứng dụng làm laser

Dây nano ZnO là vật liệu nano một chiều đầu tiên được ứng dụng thành cơng trong
chế tạo laser bởi nhóm nghiên cứu của Yang [149], kết quả nghiên cứu được chỉ ra trên
Hình 1.3. Dây nano ZnO có cấu trúc răng lược được chế tạo bằng phương pháp bốc bay
nhiệt ở nhiệt độ 800-900 oC trong 10 phút sử dụng vật liệu nguồn là bột Zn (Hình 1.3a).
7


Hình 1.3b cho thấy dây nano ZnO đã phát ra một chùm sáng khi kích thích quang học, mỗi
điểm phát sáng tương ứng với một đầu của dây nano. Ngoài ra, sự phụ thuộc của cường độ
phổ huỳnh quang vào mật độ năng lượng phát xạ cũng được khảo sát. Khi giá trị mật độ
năng lượng phát xạ thấp, cấu trúc răng lược có đỉnh phát xạ gần bước sóng 385 nm.

Hình 1.3. Cấu trúc răng lược (a); Ảnh quang học trường xa của phát xạ ánh sáng từ dây
nano ZnO (b) và phổ phát xạ phụ thuộc vào năng lượng kích thích (c) [149].

Khi tăng giá trị năng lượng phát xạ lên trên ngưỡng này thì sẽ quan sát thấy các phát
xạ tự phát được khuếch đại bắt nguồn từ dây nano trên cấu trúc răng lược, đồng thời các
đỉnh đặc trưng tập trung tại vùng 387 nm. Bên cạnh đó, vật liệu ZnO cấu trúc nano cũng
được nghiên cứu cho những ứng dụng liên quan tới quá trình phát quang ở nhiệt độ phịng
trong vùng cực tím [52].
1.4.2. Ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời
Việc ứng dụng vật liệu cấu trúc nano một chiều trong lĩnh vực pin mặt trời thu hút
được sự quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây. Những kết quả đầu tiên về pin
mặt trời được chế tạo trên cơ sở vật liệu tổ hợp giữa thanh nano CdSe và vật liệu polyme
được cơng bố bởi nhóm nghiên cứu của Alivisatos [57]. Trong nghiên cứu này, độ rộng
vùng cấm của thanh nano CdSe được điều chỉnh bằng cách thay đổi bán kính thanh nano
để tối ưu hóa sự che phủ giữa phổ hấp thụ của pin và phổ phát xạ của mặt trời. Sau đó, dây
nano oxit kim loại một chiều (chủ yếu là ZnO) đã được ứng dụng như là một vật liệu thích
8

hợp trong việc chế tạo pin mặt trời. Ưu điểm chính của dây nano đơn tinh thể so với vật
liệu đa tinh thể truyền thống là khả năng khuếch tán của điện tử trong anốt tăng do sự thay
thế lớp hạt nano bởi các dây nano đơn tinh thể có định hướng [20]. Một ưu điểm nữa là khả
năng điều khiển chính xác tính chất của điện tử trong dây hoặc thanh nano nhờ điều chỉnh
phổ hấp thụ của vật liệu với phổ phát xạ của mặt trời.
1.4.3. Ứng dụng trong linh kiện phát xạ trường
Phát xạ trường là quá trình mà điện tử thốt khỏi bề mặt của vật liệu dưới tác
dụng của điện trường đủ lớn. Vật liệu/điện cực phát xạ được gọi là catơt, chúng thường
có ái lực điện tử thấp. Trong những năm gần đây, các vật liệu oxit kim loại bán dẫn
một chiều bắt đầu thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học về tính
chất phát xạ trường của chúng. Lee cùng cộng sự đã cơng bố cơng trình nghiên cứu tính
chất phát xạ trường của dây nano oxit kim loại bán dẫn [76]. Kết quả nghiên cứu chỉ ra
rằng, nếu dùng vật liệu phát xạ trường là dây nano ZnO thì ứng với điện trường ngưỡng
6,0 V/m thì mật độ dòng là 0,1 Acm-1. Mật độ dòng phát xạ từ dây nano ZnO là 1
-1

Acm tại 11 V/ m, đây là trường sáng thích hợp trong ứng dụng làm màn hình phẳng.

Các vật liệu oxit kim loại một chiều khác như SnO2, In2O3, WO3, TiO2, CuO,…cũng được
nghiên cứu về tính chất phát xạ trường. Tuy nhiên, một hạn chế khi sử dụng vật liệu oxit
kim loại bán dẫn một chiều để ứng dụng trong chế tạo linh kiện phát xạ trường chính là
các trạng thái khuyết tật bề mặt của nó và đây là nguyên nhân tạo nên rào thế bề mặt
cao. Để khắc phục hạn chế này người ta thường tiến hành xử lí nhiệt nhằm cải thiện tính
chất tinh thể, giảm chiều cao rào thế bề mặt và điện trường ngưỡng [107].
1.4.4. Ứng dụng trong cảm biến khí
Cảm biến khí trên cơ sở vật liệu oxit kim loại bán dẫn lần đầu được chế tạo vào năm
1962 bởi nhóm nghiên cứu của Seiyama [133]. Kể từ đó đến nay, những nghiên cứu về
cảm biến khí ln thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trên tồn thế giới. Trong
số các cơng trình nghiên cứu về vật liệu oxit kim loại bán dẫn một chiều ứng dụng trong

cảm biến khí được cơng bố từ năm 2002 đến nay thì SnO2 chiếm 32 %, ZnO-32 %, In2O310 %, TiO2-8 %, WO3-5 %, còn lại là Fe2O3, Ga2O3, CuO, NiO và V2O5 [75]. Cảm biến khí
trên cơ sở dây nano có nhiều tính chất vượt trội so với cảm biến truyền thống trên cơ sở
màng dày [140]: (i) Độ đáp ứng khí cao, thời gian đáp ứng ngắn do kích thước dây nhỏ và
tỷ số diện tích bề mặt trên thể tích lớn. Chính vì những lý do trên mà cảm biến có thể phát
hiện khí ở nồng độ thấp. Lieber và cộng sự [157] đã chế tạo cảm biến trên cơ sở đơn sợi
9