Nghiên cứu hiệu ứng tự đốt nóng và biến tính bề mặt dây nano oxit kim loại bán dẫn nhằm ứng dụng cho cảm biến khí

..

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS. Nguyễn Văn Hiếu,
người thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tơi từ những bước nhỏ nhất đến các
hướng nghiên cứu chuyên sâu ngay từ những ngày đầu tiên thực hiện đề tài. Thầy
luôn giúp đỡ động viên, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học
tập tại viện ITIMS.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Nguyễn Văn Duy, thầy đã tận tình
giúp đỡ, chỉ bảo, hướng dẫn tơi từ những khâu kỹ thuật đến các định hướng nghiên
cứu.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy TS. Nguyễn Đức Hịa, TS. Vũ
Văn Quang, ThS. Nguyễn Văn Tốn và tồn thể các thành viên trong nhóm Gas
sensor đã giúp đỡ, động viên, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tơi trong suốt q trình
thực hiện luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ban lãnh đạo và các thầy cô trong Viện
ITIMS đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại viện.

1


LỜI CAM ĐOAN
Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là thật và được thực hiện bởi
chính tác giả dưới sự hướng dẫn của PGS TS. Nguyễn Văn Hiếu. Luận văn chưa
được công bố ở bất kỳ nơi nào.
Tác giả

Nguyễn Đức Chính

2

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................... 2
MỤC LỤC .............................................................................................................. 3
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... 7
Bảng 1.1. Khoảng nhiệt độ làm việc, loại tạp và công nghệ chế tạo của cảm biến
dựa trên vật liệu SnO2 đối với các loại khí khác nhau [1,2]. ..................................... 7
Bảng 1.2. Dải nồng độ được quan tâm của các khí [3]. ............................................ 7
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 8
1.

Lý do chọn đề tài ........................................................................................ 8

2.

Mục đích của đề tài .................................................................................... 9

3.

Điểm mới của luận văn ............................................................................... 9

4.

Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 10

Chương 1 – TỔNG QUAN .................................................................................... 11
1.1. Tổng quan về cảm biến khí....................................................................... 11
1.1.1.

Giới thiệu chung ............................................................................. 11

1.1.2.

Các đặc trưng của cảm biến khí ...................................................... 13

1.1.3.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến khí ........................................... 15

1.2. Tổng quan vật liệu và cơ chế mọc dây nano SnO2 .................................... 16
1.2.1.

Vật liệu dây nano SnO2................................................................... 16

1.2.2.

Các phương pháp mọc vật liệu một chiều kích thước nano ............. 20

1.2.3.
Công nghệ mọc cấu trúc một chiều kích thước nano bằng phương
pháp bốc bay nhiệt ......................................................................................... 21
1.2.4.

Cơ chế mọc dây nano ..................................................................... 22

1.3. Tổng quan về cảm biến khí dựa trên cơ sở hiệu ứng tự đốt nóng .............. 24

3

Chương 2 – THỰC NGHIỆM ............................................................................... 28
2.1. Chế tạo dây nano SnO2 ............................................................................. 28
2.1.1.

Thiết bị ........................................................................................... 28

2.1.2.

Dụng cụ và hóa chất ....................................................................... 29

2.1.3.

Quy trình chế tạo dây nano SnO2 .................................................... 29

2.2. Chế tạo cảm biến khí tự đốt nóng dựa trên cơ sở dây nano SnO2 .............. 32
2.2.1. Thiết kế và chế tạo mặt nạ quang học ................................................... 32
2.2.2. Quy trình chế tạo cảm biến................................................................... 34
2.3. Phương pháp khảo sát bằng hiển vi điện tử quét (SEM)............................ 40
2.4. Khảo sát đặc tính nhạy khí........................................................................ 42
Chương 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 45
3.1. Tối ưu quá trình phân tán dây nano SnO2 trên đế Si.................................. 45
3.2. Kết quả chế tạo cảm biến .......................................................................... 47
3.3. Khảo sát đặc tính nhạy khí bằng hiệu ứng tự đốt nóng .............................. 49
3.4. Cơng suất của cảm biến tự đốt nóng ......................................................... 56
3.5. Độ chọn lọc của cảm biến sử dụng hiệu ứng self-heating.......................... 60
3.6. Biến tính dây nano SnO2 bằng hạt nano vàng ........................................... 63
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 68

4


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sự phụ thuộc của độ nhạy theo nhiệt độ làm việc [4]. ............................ 14
Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể của SnO2..................................................................... 16
Hình 1.3. Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu dây nano SnO2 [5]................................. 17
Hình 1.5. Mơ hình giải thích sự tăng điện trở của màng cảm biến với dây nano
SnO2 khi hấp phụ NO2. .......................................................................................... 19
Hình 1.6. Mơ hình giải thích sự giảm điện trở của màng cảm biến với dây nano
SnO2 khi hấp phụ CO ............................................................................................ 20
Hình 1.7. Sơ đồ thiết bị hệ CVD nhiệt điển hình. .................................................. 22
Hình 1.8. Giản đồ minh họa quá trình mọc râu Si từ giản đồ pha nhờ giọt hợp kim
xúc tác Au-Si. (a) Giọt hợp kim Au-Si hình thành trên đế Si đóng vai trị xúc tác
mọc râu; (b) Giản đồ pha của Au-Si; (c) quá trình khuếch tán và hình thành dây
nano của vật liệu nguồn qua giọt lỏng [6]. ............................................................ 23
Hình 1.9. Các mơ hình khuếch tán khác nhau cho các ngun tử vật liệu nguồn kết
hợp trong quá trình mọc dây nano ban đầu: (a) Cơ chế VLS cổ điển; (b) Giọt hợp
kim loại lỏng ở trạng thái nóng chảy một phần, bề mặt và giao diện của nó ở trạng
thái lỏng trong khi bên trong lõi ở trạng thái rắn; (c) Kim loại xúc tác ở trạng thái
rắn nhưng bề mặt giao diện ở trạng thái lỏng [7].................................................... 24
Hình 1.10: (a) Sơ đồ thiết bị và nguyên tắc hoạt động. PG, PL, PS tương ứng là tổn
thất năng lượng đến môi trường khí xung quanh, truyền dẫn và bức xạ. D và A là
loại donor và acceptor. (b) hình ảnh thực tế của thiết bị [26].................................. 26
Hình 2.1. Hệ lị CVD nhiệt tại ITIMS và sơ đồ mơ tả............................................ 28
Hình 2.2. Chu trình nhiệt của qui trình chế tạo dây nano SnO2.............................. 30
Hình 2.3. Bản thiết kế điện cực trên máy tính bằng phần mềm Clewin (a) hình ảnh
cảm biến trên tồn mặt nạ có kích thước 6 inch; (b) một ma trận gồm 18 linh kiện
và (c) thiết kế của một linh kiện có 2 bảng điện cực cách nhau 5m. ..................... 32

Hình 2.4. Mặt nạ quang học sau khi chế tạo trên đế thủy tinh................................ 33
Hình 2.5 : quy trình chế tạo cảm biến; (a) Đế Si; (b) Oxy hóa Si; (c) phân tán dây
nano SnO2 lên đế Si; (d) Phủ chất cảm quang; (e) Đặt Mask; (f) Chiếu sáng; (g)
Tráng rửa; (h) Phún xạ điện cực; (i) sau khi phún xạ; (k) lift-off thành cơng.......... 34
Hình 2.6: Chu trình oxy hóa khơ Silic. .................................................................. 35
Hình 2.7: Máy rung siêu âm Cole-Parmer 8891. (Phịng sạch ITIMS)................... 36
Hình 2.8: Máy quay phủ MIKA 5A SPINCOATER 1H-07 (phòng sạch ITIMS) .. 36
Hình 2.9: Thiết bị ủ nhiệt Hotplate (phịng sạch Viện ITIMS). .............................. 37
Hình 2.10: Kính hiến vi quang học........................................................................ 38
Hình 2.11: Thiết bị quang khắc (phòng sạch Viện ITIMS) .................................... 38
Hình 2.12: Thiết bị phún xạ (phịng sạch Viện ITIMS). ........................................ 39

5


Hình 2.13: (a) cảm biến dạng mạng lưới, (b) cảm biến dạng đa sợi, (c) cảm biến
dạng đơn sợi. ......................................................................................................... 40
Hình 2.14: Thiết bị hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM). ....................... 40
Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử qt. .................................... 41
Hình 2.16: Ảnh SEM của dây nano SnO2. ............................................................. 42
Hình 2.17: Sơ đồ ngun lý hệ trộn khí. ................................................................ 43
Hình 2.18: Giao diện chương trình VEE-Pro......................................................... 44
Hình 2.19: Mơ hình cảm biến khí (a) sử dụng hiệu ứng tự đốt nóng, (b) sử dụng lị
nhiệt ngồi............................................................................................................. 44
Hình 3.1: Phân tán dây nano SnO2 trên đế Si (rung siêu âm trong 60 giây, tốc độ
quay phủ 6000 RPM trong 60 giây). ...................................................................... 45
Hình 3.2: Phân tán dây nano SnO2 trên đế Si (rung siêu âm trong 40 giây, tốc độ
quay phủ 5000 RPM trong 30 giây). ...................................................................... 46
Hình 3.3: Phân tán dây nano SnO2 trên đế Si (rung siêu âm trong 20 giây, tốc độ
quay phủ 3000 RPM trong 30 giây). ...................................................................... 47

Hình 3.4: Cảm biến khí đo self-heating. (a)(b)cảm biến đã được chế tạo trên Si; (c)
Ảnh SEM của một cảm biến. ................................................................................. 48
Hình 3.5: (a) Ảnh SEM của cảm biến ở 3 dạng, (b) dạng đơn sợi (individual
nanowire); (c) dạng đa sợi (multiple nanowires); (d) dạng mạng lưới (network
nanowires). ............................................................................................................ 49
Hình 3.6: Độ đáp ứng với khí NO2 bằng hiệu ứng Self-heating của cảm biến dạng
mạng lưới. (a) ảnh SEM của cảm biến dạng mạng lưới; (b) Self-heating ở 20V; (c)
self-heating ở 25V; (d) self-heating ở 30V; (e) self-heating ở 35V; (f) self-heating ở
40V. ...................................................................................................................... 50
Hình 3.7: Độ đáp ứng với khí NO2 của cảm biến dạng mạng lưới ở các điện thế 20
V - 25 V - 30 V - 35 V - 40 V và ở các nồng độ 2,5 ppm; 10 ppm và 40 ppm. ....... 51
Hình 3.8: Độ đáp ứng với khí NO2 bằng hiệu ứng tự đốt nóng của cảm biến dạng đa
sợi. (a) ảnh SEM của cảm biến dạng đa sợi; (b) Self-heating ở 20 V; (c) self-heating
ở 25 V; (d) self-heating ở 30 V; (e) self-heating ở 35 V; (f) self-heating ở 40 V. ... 52
Hình 3.9: Độ đáp ứng với khí NO2 của cảm biến dạng đa sợi ở các điện thế 20 V 25 V - 30 V - 35 V - 40 V và ở các nồng độ 2.5 ppm; 10 ppm và 40 ppm. ............. 53
Hình 3.10: Độ đáp ứng với khí NO2 bằng hiệu ứng tự đốt nóng của cảm biến dạng
đơn sợi. (a) ảnh SEM của cảm biến dạng đơn sợi; (b) self-heating ở 20 V; (c) selfheating ở 25 V; (d) self-heating ở 30 V; (e) self-heating ở 35 V; (f) self-heating ở
40V. ...................................................................................................................... 54
Hình 3.11: Độ đáp ứng với khí NO2 của cảm biến dạng đơn sợi ở các điện thế 20 V
- 25 V - 30 V - 35 V - 40 V và ở các nồng độ 2.5 ppm; 10 ppm và 40 ppm............ 55

6


Hình 3.12: Độ đáp ứng với khí NO2 (10 ppm)(a) và công suất tiêu thụ (b) của 3
dạng cảm biến : đơn sợi, đa sợi và mạng lưới bằng hiệu ứng tự đốt nóng ở các điện
thế 20 V – 25 V – 30 V – 35 V – 40 V. .................................................................. 55
Hình 3.13: Độ đáp ứng với khí NO2 (10 ppm) của cảm biến ở các nhiệt độ của lị
nhiệt ngồi: (a) 100oC; (b) 110oC; (c) 120oC; (d) 130oC; (e) 140oC; (f) 150oC; (g)
160oC; (h) 170oC; (k) 180oC. ................................................................................. 57

Hình 3.14: Độ đáp ứng với khí NO2(10 ppm) của cảm biến bằng hiệu ứng tự đốt
nóng ở các điện áp : (a) 15 V; (b) 20 V; (c) 25 V; (d) 27.5 V; (e) 30 V; (f) 35 V; (g)
40 V. ..................................................................................................................... 58
Hình 3.15: Độ đáp ứng với khí NO2 (10 ppm) của cảm biến sử dụng hiệu ứng tự đốt
nóng (đường màu đỏ) và cảm biến sử dụng lị nhiệt ngồi (đường màu xanh)........ 59
Hình 3.16: Cơng suất tiêu thụ của 3 loại cảm biến : (a) sử dụng lò vi nhiệt của hãng
Heraeus Sensor – Germany; (b) sử dụng lò vi nhiệt của hãng Microhotplate Kebaili corporation; (c) sử dụng hiệu ứng Self-heating. ......................................... 60
Hình 3.17: Sử dụng hiệu ứng tự đốt nóng (40 V) đo độ đáp ứng với các loại khí:
(a) khí NO2 (40 ppm); (b) khí CO (200 ppm); (c) khí NH3 (200 ppm); (d) khí Etanol
(200 ppm); (e) khí H2 (200 ppm); (f) khí H2S (200 ppm). ...................................... 61
Hình 3.18: Độ đáp ứng với các loại khí bằng hiệu ứng Self-heating (40 V). .......... 62
Hình 3.19: Ảnh SEM của cảm biến được biến tính bằng hạt nano Au. .................. 63
Hình 3.20: Đáp ứng với khí NO2 bằng hiệu ứng tự đốt nóng với dây nano SnO2
chưa biến tính tại 20 V (a), 30 V (b), 40 V (c) và (d) so sánh độ đáp ứng với khí tại
20 V, 30 V và 40 V................................................................................................ 64
Hình 3.21: Đáp ứng với khí NO2 bằng hiệu ứng tự đốt nóng với dây nano SnO2
được biến tính với hạt nano Au tại 20 V (a), 30 V (b), 40 V (c) và (d) so sánh độ
đáp ứng với khí tại 20 V, 30 V và 40 V. ................................................................ 65
Hình 3.22: Độ đáp ứng với khí NO2 (10 ppm) của cảm biến trước và sau khi biến
tính với hạt nano Au. ............................................................................................. 66

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Khoảng nhiệt độ làm việc, loại tạp và công nghệ chế tạo của cảm biến
dựa trên vật liệu SnO2 đối với các loại khí khác nhau [1,2].
Bảng 1.2. Dải nồng độ được quan tâm của các khí [3].

7


MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, cảm biến khí được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như
quan trắc môi trường, cảnh báo cháy nổ, giám sát chất lượng khí thải cơng nghiệp.
Do nhu cầu ứng dụng rất lớn của loại cảm biến này trong thực tế, nên các nghiên
cứu gần đây tập trung mạnh vào việc phát triển các loại cảm biến khí thế hệ mới
trên cơ sở vật liệu có cấu trúc nano với nhiều tính năng ưu việt như giá thành thấp,
kích thước bé, độ ổn định cao, công suất tiêu thụ nhỏ và cải thiện được ba tính chất
cịn hạn chế của loại cảm biến khí ơxít kim loại bán dẫn đó là độ nhạy, độ chọn lọc
và độ bền thấp (Sensitivity, Selectivity and Stability). Các cơng trình nghiên cứu
gần đây đã phát hiện ra rằng, dây nano là vật liệu lý tưởng để chế tạo các loại cảm
biến khí thế hệ mới vì ngồi diện tích bề mặt riêng lớn, chúng có chiều dài Debye
tương đương với đường kính dây, trong khi chiều dài của chúng là một kênh bán
dẫn lý tưởng. Tuy nhiên, nếu dựa trên cấu trúc cảm biến khí truyền thống kiểu lị vi
nhiệt và màng nhạy khí riêng lẻ, thì cảm biến dây nano vẫn tiêu thụ cơng suất tương
đối lớn và độ chọn lọc kém. Trong đề xuất nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành
nghiên cứu hiệu ứng tự đốt nóng và khả năng biến tính bề mặt của dây nano nhằm
kết hợp chúng trong việc phát triển thế hệ cảm biến khí mới với nhiều tính năng ưu
việt so với cảm biến khí truyền thống. Hiệu ứng tự đốt nóng có thể thực hiện bằng
cách áp dòng điện trực tiếp qua đơn sợi, đa sợi hoặc tập hợp nhiều dây nano ở dạng
lưới (network) trong quá trình đo tín hiệu. Dây nano được chế tạo chủ yếu bằng
phương pháp bốc bay nhiệt còn các linh kiện loại này được chế tạo bằng công nghệ
vi điện tử truyền thống. Bề mặt dây nano sẽ được biến tính với các loại hạt xúc tác
nano thích hợp bằng phương pháp lắng đọng vật lý hoặc hóa học. Việc kết hợp hiệu
quả hai hiệu ứng này sẽ cho phép chúng ta phát triển được thế hệ cảm biến khí mới
có độ chọn lọc cao và tiêu thụ ít cơng suất. Ngoài ra đây là cơ sở để phát triển các
ma trận cảm biến khí trên cơ sở vật liệu dây nano dùng làm mũi điện tử (e-nose).
Các cảm biến chế tạo được có thể được sử dụng để đo và phát hiện các loại khí độc
hại trong mơi trường như NO2, CO, H2S và SO2 ở nồng độ phần tỉ (part per billion8

ppb) và vài phần triệu (part per million-ppm). Từ các lý do trên, chúng tôi chọn đề
tài “Nghiên cứu hiệu ứng tự đốt nóng và biến tính bề mặt dây nano oxit kim loại
bán dẫn nhằm ứng dụng cho cảm biến khí ”.

2. Mục đích của đề tài
Có được những hiểu biết sấu sắc về hiệu ứng tự đốt nóng của dây nano ơxít kim
loại bán dẫn nhằm ứng dụng cho cảm biến khí. Nắm bắt được những tính chất vật lý
và hóa học của dây nano biến tính bề mặt với vật liệu xúc tác nano nhằm nâng cao
độ nhạy, độ chọn lọc và giảm nhiệt độ làm việc của dây nano ơxít kim loại bán dẫn.
Qua đó đưa ra được khả năng chế tạo thế hệ cảm biến khí mới khơng sử dụng lị vi
nhiệt với nhiều tính năng ưu việt như: độ nhạy, độ chọn lọc cao và công suất tiêu
thụ nhỏ hơn rất nhiều so với loại cảm biến truyền thống. Phổ biến những kiến thức
khoa học về việc ứng dụng vật liệu dây nano trong cơng nghệ cảm biến khí và các
loại cảm biến nano khác.

3. Điểm mới của luận văn
Với các cảm biến khí thơng thường cần thiết phải có lị vi nhiệt với cơng suất
tiêu thụ lớn, chính vì vậy chúng tơi tìm hiểu về hiệu ứng tự đốt nóng với cơng suất
tiêu thụ của cảm biến nhỏ cỡ microwat và khắc phục một những đặc tính cịn hạn
chế của cảm biến. Có thể tích hợp để chế tạo mũi điện tử bằng cách sử dụng hiệu
ứng tự đốt nóng.
Để cải thiện các tính chất cịn hạn chế của cảm biến khí chúng tơi cũng tiến hành
biến tính bề mặt dây nano SnO2 bằng xúc tác hạt nano Au và kết quả bước đầu cho
thấy sự khả quan của phương pháp.

9


4. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và phương pháp thực nghiệm. Nghiên cứu lý

thuyết bao gồm việc tìm hiểu thu thập các tài liệu liên quan, làm cơ sở cho việc
khảo sát thực nghiệm. Phương pháp thực nghiệm chế tạo dây nano SnO2 làm cơ sở
để chế tạo cảm biến tự đốt nóng bằng cơng nghệ vi cơ điện tử: quang khắc, phún
xạ…để chế tạo các cảm biến có độ ổn định cao nhất chúng tối đã tiến hành khảo sát
và thay đổi các thông số trong quá trình chế tạo và tìm ra điều kiện thích hợp nhất.
Sau đó để kiểm chứng các cấu trúc của cảm biến, chúng tôi đã quan sát trên kính
hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét (SEM). Đặc trưng nhạy khí của cảm
biến được khảo sát với khí NO2 để minh họa khả năng hoạt động của cảm biến trên
cơ sơ hiệu ứng tự đốt nóng của dây nano (self-heating).
Nội dung của luận văn được trình bày trong 3 chương. Chương 1 trình bày tổng
quan về các loại cảm biến khí thơng thường và cảm biến khí trên cơ sở hiệu ứng tự
đốt nóng, Chương 2 trình bày các bước thực nghiệm và Chương 3 trình bày các kết
quả và thảo luận.

10


Chương 1 – TỔNG QUAN

1.1.

Tổng quan về cảm biến khí

1.1.1. Giới thiệu chung
Ngày nay, cảm biến khí được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như
quan trắc môi trường, cảnh báo cháy nổ, giám sát chất lượng khí thải công nghiệp.
Do nhu cầu ứng dụng rất lớn của loại cảm biến này trong thực tế, nên các nghiên
cứu gần đây tập trung mạnh vào việc phát triển các loại cảm biến khí thế hệ mới
trên cơ sở vật liệu có cấu trúc nano với nhiều tính năng ưu việt như giá thành thấp,
kích thước bé, độ ổn định cao, công suất tiêu thụ nhỏ và cải thiện được ba tính chất

cịn hạn chế của loại cảm biến khí ơxít kim loại bán dẫn đó là độ nhạy, độ chọn lọc
và độ bền thấp (Sensitivity, Selectivity, and Stability). Các công trình nghiên cứu
gần đây đã phát hiện ra rằng, dây nano là vật liệu lý tưởng để chế tạo các loại cảm
biến khí thế hệ mới vì ngồi diện tích bề mặt riêng lớn, chúng có chiều dài Debye
tương đương với đường kính dây, trong khi chiều dài của chúng là một kênh bán
dẫn lý tưởng.
Trong các loại vật liệu để chế tạo cảm biến thay đổi độ dẫn thì vật liệu ơxít bán
dẫn được dùng rộng rãi nhất. Đặc biệt là SnO2 có khả năng chế tạo nhiều loại cảm
biến với các khí khác nhau [1]. Để tăng khả năng nhạy và tính chọn lọc, các tạp chất
được lựa chọn đưa vào nền SnO2. Thông thường nhiệt độ làm việc của cảm biến khí
trên cơ sở ơxít bán dẫn rất khác nhau đối với từng loại khí cần đo. Bảng 1.1 tổng
hợp các loại pha tạp và khoảng nhiệt độ làm việc với từng loại khí của vật liệu
SnO2. Chúng ta thấy với mỗi loại khí thường có một dải nhiệt độ làm việc tối ưu, do
vậy trong linh kiện cần dùng đến lò vi nhiệt.

11


Bảng 3.1. Khoảng nhiệt độ làm việc, loại tạp và công nghệ chế tạo của cảm biến
dựa trên vật liệu SnO2 đối với các loại khí khác nhau [1,2].
Loại khí

Khoảng nhiệt độ làm việc (oC)

Vật liệu
Gốm SnO2 (SO2)

370-420

Sợi SnO2

500-520

SnO2 [Pd]

120-500

Gốm SnO2 [Ag]

30-130

CH3COOH

SnO2 thuần hoặc pha Pd

100-500

CO2

SnO2 [Li2O3]

400

H2S

Màng dày SnO2

120

Màng dày SnO2

250-320

Màng dày SnO2 +ThO+SiO2

180-220

Màng dày SnO2 [Pd,Cu]

100-220

Màng dày SnO2 [Pt]

90-200

Đơn tinh thể SnO2 [thuần, Sb, Gd]

300-700

Màng dày SnO2 [Sb,Pt]

30-300

Màng dày SnO2

290-310

Màng SnO2 pha tạp Pd, Pt, Sb,...

250 -400

H2

NH3

C2H5OH
CH4, LPG,
Hydrocarbon

Màng dày SnO2

500

Màng dày SnO2 [Pd]

390-480

Gốm SnO2

310-410

AsH3

Màng SnO2

420

NO2, NO

Màng SnO2

100-200

Màng dày SnO2 [Bi2O3]

200-400

Màng dày SnO2 [Pd]

200-310

Màng mỏng SnO2 [Cd]

220-400

Màng mỏng SnO2 [In,Al,Pt]

30-400

CCl4
CCl4

Màng dày SnO2 [Pd]

200

12


Trong thực tế, do yêu cầu công việc nên đối với mỗi loại khí ta cần phải khảo

sát nồng độ trong một dải nhất định. Chúng ta phải quan tâm đến khoảng nồng độ
khí trong ngưỡng an tồn, trong y học cần chú ý đến khoảng nồng độ có thể gây
bệnh... Người ta đã tổng kết các khoảng nồng độ đối với từng loại khí khác nhau
như bảng 1.2.
Bảng 1.4. Dải nồng độ được quan tâm của các khí [3].

1.1.2. Các đặc trưng của cảm biến khí
Với mỗi linh kiện cảm biến khí người ta đánh giá thơng qua các thơng số như
độ hồi đáp, thời gian hồi đáp, tính chọn lọc và độ ổn định.
- Độ hồi đáp: hay cịn được gọi là độ đáp ứng khí (kí hiệu S) được xác định bằng tỷ
13


số:
S=
Trong đó:

Ra
Rg

(1.1)

Ra là điện trở của cảm biến trong mơi trường khơng khí.
Rg là điện trở của cảm biến trong mơi trường khí đo.

- Tốc độ đáp ứng và thời gian hồi phục: Tốc độ đáp ứng là thời gian kể từ khi có
khí vào đến khi điện trở của cảm biến đạt giá trị ổn đinh Rg. Thời gian hồi phục là
thời gian tính từ khi ngắt khí đo cho tới khi cảm biến trở về trạng thái ban đầu.
- Tính chọn lọc: Là khả năng nhạy của cảm biến đối với một số loại khí xác định.
Nồng độ của các khí khơng cần xác định có ít ảnh hưởng đến sự thay đổi của cảm

biến.
- Tính ổn định: Là khả năng làm việc ổn định của cảm biến sau thời gian dài sử
dụng. Kết quả đo cho giá trị như nhau trong các điều kiện môi trường như nhau
trong một thời gian dài.
- Nhiệt độ làm việc tối ưu của cảm biến: Nhiệt độ làm việc là một yếu tố ảnh hưởng
rất lớn đến độ nhạy của cảm biến. Thơng thường đối với mỗi cảm biến thì ln có
một nhiệt độ mà tại đó độ nhạy đạt giá trị lớn nhất gọi là TM. Đường độ nhạy phụ
thuộc vào nhiệt độ làm việc thường có dạng như Hình 1.1.

Hình 1.1. Sự phụ thuộc của độ nhạy theo nhiệt độ làm việc [4].

14


Sự phụ thuộc vào nhiệt độ này có thể do nhiều nguyên nhân. Một số tác giả đã
giải thích như sau:
- Đầu tiên sự thay đổi theo nhiệt độ là do số lượng các Oxy hấp phụ và loại
Oxy hấp phụ.
- Một mặt khi nhiệt độ tăng thì làm tăng khả năng phản ứng của Oxy hấp phụ
với khí đo (ở đây là khí khử) nhưng đồng thời lại có sự khuếch tán Oxy nhanh ra
ngoài làm giảm độ dẫn khối của vật liệu.
- Một điểm nữa khi thay đổi nhiệt độ đó là khả năng khuếch tán của khí đo vào
trong khối vật liệu. Khi nhiệt độ tăng thì tăng hệ số khuếch tán của khí vào trong
khối cảm biến nhưng đồng thời cũng tăng khả năng khí khuếch tán ngược trở lại
mơi trường.
Vì các lý do đó nên đối với từng loại khí đo, từng loại vật liệu, kích thước hạt,
kích thước cảm biến ta có một nhiệt độ tối ưu cho độ nhạy khí. Cũng do khoảng
nhiệt độ nhạy tối ưu của các loại khí là khác nhau nên ta có thể lợi dụng tích chất
này để chọn lọc khí.

1.1.3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến khí
Cảm biến hoạt động dựa trên tính chất thay đổi điện trở của vật liệu khi hấp
phụ khí ở nhiệt độ làm việc. Ban đầu vật liệu nhạy khí được nung đến nhiệt độ làm
việc trong mơi trường khơng khí lúc này điện trở của vật liệu được xác định làm
mức “0”, sau đó cấp nguồn dịng vào sẽ thu được mức điện áp ngưỡng. Khi đưa vào
mơi trường khí cần khảo sát điện trở của vật liệu thay đổi nên điện áp ngưỡng cũng
thay đổi. Bằng cách chuẩn hoá mức điện áp với từng nồng độ khí ta lấy tín hiệu
điện áp thu được để so sánh. Với ưu điểm là đơn giản, rẻ tiền cảm biến khí được chế
tạo trên cơ sở của vật liệu oxít kim loại bán dẫn được sử dụng nhiều nhất. Trong tất
cả các loại oxít thì oxít bán dẫn được xem là hoạt động bề mặt ổn định nhất.

15


1.2.

Tổng quan vật liệu và cơ chế mọc dây nano SnO2

1.2.1. Vật liệu dây nano SnO2
a) Cấu trúc vật liệu SnO2
SnO2 chỉ có một pha ổn định là cassiterite ở dạng khống chất hoặc cấu trúc rutile.
Pha rutile có cấu trúc tứ diện như mơ tả trên hình 1.2. Trong một ơ cơ bản có 6 ngun
tử, gồm 2 ngun tử thiếc và 4 nguyên tử ôxy. Các nguyên tử thiếc nằm ở tâm tứ diện
và bao quanh là 6 ngun tử ơxy nằm ở 6 góc của bát diện. Trong khi đó ngun tử ơxy
được bao quanh bởi 3 nguyên tử thiếc tạo thành một tam giác đều. Các nguyên tử kim
loại (ion dương Sn4+) nằm tại vị trí (0,0,0) và (1/2,1/2,1/2) trong ơ cơ bản cịn các ion
O2- nằm tại các nút (u,u,0) và (1/2+u,1/2-u,1/2) với u = 0.307. Các hằng số mạng a = b =
4,7382 Å và c = 3,1871 Å với

c/a = 0,6726.

Vật liệu SnO2 có tính bán dẫn với bề rộng năng lượng vùng cấm Eg = 3,6 eV (dạng
khối). Các sai hỏng mạng là các nút khuyết ôxy tạo thành các mức năng lượng donor
nằm ngay phía dưới đáy vùng dẫn (cách đáy vùng dẫn từ 0,03 – 0,15 eV). Trong điều
kiện nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ phịng thì các mức donor hầu như bị ion hố hồn tồn.
Độ linh động của điện tử ở đáy vùng dẫn là 160 cm2/V.s ở điều kiện nhiệt độ phịng.

Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể của SnO2.

16


Để xác định hằng số mạng và cấu trúc pha của SnO2 như trên người ta thường
dùng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Hình 1.3 là phổ nhiễu xạ tia X điển hình
của SnO2 với các peak đặc trưng là các mặt (110), (101) và (211) ứng với các góc
nhiễu xạ 2 là 26,54o; 33,7o và 51,7o.

Hình 1.3. Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu dây nano SnO2 [5].

Trên hình 1.3 là giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu SnO2 cấu trúc dạng dây
nano so với chuẩn của tinh thể SnO2 (JCPDS 77-0450) cho thấy cấu trúc tinh thể
của dây nano SnO2 hoàn toàn trùng khớp với tinh thể dạng khối. Trong giản đồ có
sự mở rộng các đỉnh nhiễu xạ được giải thích do đóng góp của hiệu ứng lượng tử
khi vật liệu có cấu trúc nano.
Dây nano SnO2 có hình dạng giống sợi dây với kích cỡ nano mét, đường kính
sợi khoảng vài nm đến vài chục nm, chiều dài từ vài m đến vài trăm m. Các kết
quả nghiên cứu khảo sát cấu trúc cho thấy dây nano SnO2 có cấu trúc tinh thể giống
pha rutile thường gặp trong vật liệu dạng khối (a=0,470nm, c = 0,312nm). Trên

17

hình 1.4 là ảnh SEM, TEM của dây nano SnO2 được tổng hợp bằng phương pháp
bốc bay nhiệt ở 7500C [5].

Hình 1.4. (a) Ảnh SEM của dây nano SnO2 (inset: phân bố đường
kính dây nano SnO2); (b) Ảnh TEM; (c) Ảnh TEM phân giải cao; (d)
Selected area electron diffraction (SAED).

b) Tính chất nhạy khí của dây nano SnO2
Các kết quả nghiên cứu khảo sát cho thấy dây nano SnO2 có cấu trúc tinh thể
trùng khớp với pha rutile của nó ở dạng khối. Khảo sát của Liu và các cộng sự đã
khảo sát tính dẫn điện loại n của dây nano SnO2 cho thấy nồng độ hạt tải trong SnO2
khoảng 1,5.1018 cm-1, và độ linh động của điện tử n = 40 cm2/Vs.
18


Vật liệu SnO2 được biết đến với khả năng nhạy khí tốt với nhiều loại khí
khác nhau như O2, NOx, CO, H2, NH3, ethanol,…Nhưng đây cũng chính là hạn chế
về tính chon lọc của nó. Ngun lý hoạt động của cảm biến dựa trên sự thay đổi độ
dẫn (điện trở) khi có khí tiếp xúc trên bề mặt vật liệu. Có hai cơ chế nhạy khí là
nhạy khối là nhạy bề mặt. Trong cơ chế nhạy bề mặt, các hạt tải được chuyển vận
qua biên tiếp xúc giữa các hạt tinh thể, tùy thuộc vào rào thế hình thành giữa các
biên hạt mà sự chuyển vận này dễ hay khó. Độ cao của rào thế sẽ thay đổi khi có tác
động của khí hấp phụ trên vật liệu, làm cho độ dẫn (điện trở thay đổi). SnO2 dạng
dây nano có diện tích bề mặt lớn có khả năng nhạy khí tốt hơn so với cấu trúc khối
của nó.
SnO2 ở trong môi trường xảy ra các hiện tượng hấp phụ các khí, đặc biệt là
O2 trên bề mặt vật liệu hình thành các liên kết O2−, O−, O2− tạo nên vùng nghèo hạt
dẫn trong các dây nano. Do kích thước dây nano cỡ nm tương đương với độ rộng

vùng nghèo do các tác nhân trên tạo ra, nên nhìn chung ở nhiệt độ phịng dây nano
có độ dẫn thấp. Khi bề mặt tiếp xúc với các loại khí khử hoặc oxi hóa sẽ làm độ dẫn
bề mặt thay đổi tùy theo tính chất của từng khí.
Với khí oxy hóa như NO2 có khả năng nhận điện tử. Cơ chế nhạy khí được
mơ tả trên Hình1.120.
Khi khí NO2 tiếp xúc với bề mặt dây nano nó sẽ lấy đi điện tử của các liên
kết O , O−, O2− trên bề mặt. NO2 gián tiếp lấy điện tử trên bề dây nano làm cho
nồng độ điện tử giảm, chiều cao rào thế tăng, độ dẫn giảm, điện trở tăng.
2−

Hình 1.5. Mơ hình giải thích sự tăng điện trở của màng cảm biến với
dây nano SnO2 khi hấp phụ NO2.

19


Với khí khử, khi khí tiếp xúc với vật liệu làm cho độ dẫn tăng, điện trở giảm.
Chẵng hạn như với CO, khi tiếp xúc với bề mặt dây nano xảy ra phản ứng trao đổi
điện tử như sau:
CO  O   CO2  CO2  e 

Các dây nano nhận điện tử từ các phân tử khí làm tăng nồng độ điện tử, làm
giảm bề rộng vùng nghèo được hình thành trước đó, dẫn tới giảm chiều cao rào thế
tiếp xúc giữa các dây nano (Hình 1.21). Kết quả điện tử dễ dàng chuyển động qua
các dây nano. Vì thế mà độ dẫn tăng, điện trở giảm.
Trong điều
kiện thường

Trong điều
kiện có mặt

CO

CO

eVs

eVs

Hình 1.6. Mơ hình giải thích sự giảm điện trở của màng cảm biến
với dây nano SnO2 khi hấp phụ CO

1.2.2. Các phương pháp mọc vật liệu một chiều kích thước nano
Có 2 phương pháp để chế tạo vật liệu có cấu trúc 1 chiều là: cơng nghệ top-down
và bottom-up.
Công nghệ top-down: dựa vào các phương pháp chế tạo chuẩn ở kích thước
micro đi liền với cơng nghệ lắng đọng, ăn mòn và mài mòn chùm ion trên đế phẳng để
giảm kích thước ngang của màng tạo thành kích thước nano.
Cơng nghệ bottom-up: bao gồm 2 loại có thể là tự kết hợp các phân tử hoặc tổng
hợp bằng phương pháp hóa bằng cách vận chuyển pha hơi, lắng đọng điện hóa, cơng
nghệ mọc từ dung dịch hoặc dùng khuôn. Ưu điểm của công nghệ này là vật liệu nano

20


tinh thể có độ tinh khiết cao, đường kính nhỏ, giá thành của các thiết bị rẻ. Khuyết điểm
chính của nó là vấn đề tích hợp trong cơng nghệ bề mặt planar để khai thác những tính
chất tốt của chúng, chẳng hạn như vấn đề đưa vật liệu một chiều vào và làm cho chúng
tiếp xúc với bộ chuyển đổi tín hiệu gặp khó khăn.
Hầu hết các cơng nghệ hứa hẹn để chế tạo dây nano tốt cần phải kết hợp cả hai
công nghệ top-down và bottom-up này.

Khi mọc cấu trúc một chiều, điều quan tâm nhất là kích thước và hình thái của
chúng phải được điều khiển như mong muốn, độ đồng đều cao và tính tinh thể phải tốt.
Để tạo ra cấu trúc một chiều phải có một hướng mọc ưu tiên với tốc độ mọc nhanh hơn
các hướng khác. Để mọc cấu trúc 1 chiều trong hệ liên kết nguyên tử đẳng hướng đòi
hỏi phải phá vỡ tính đối xứng trong suốt q trình mọc và khơng được kết thúc q trình
mọc sớm.
Có nhiều cơ chế mọc tùy thuộc vào sự có mặt của xúc tác, đó là cơ chế hơi-lỏngrắn (VLS), cơ chế dung dịch-lỏng-rắn (SLS) hoặc cơ chế hơi-rắn (VS). ). Trong đồ án
này dây nano được mọc dựa trên cơ chế VLS.

1.2.3. Công nghệ mọc cấu trúc một chiều kích thước nano bằng phương pháp bốc
bay nhiệt
Dây nano và một số hình dạng cấu trúc nano hấp dẫn khác như thanh nano, nano
tetrapod và cấu trúc răng lược có thể được chế tạo bằng phương pháp đơn giản là bốc
bay nhiệt nguồn vật liệu rắn. Thí nghiệm đơn giản được minh họa trên Error!
Reference source not found.5. Gradient nhiệt độ và điều kiện chân khơng là hai thơng
số tiêu chuẩn để hình thành dây nano bằng phương pháp này. Vật liệu điển hình dùng
trong phương pháp này là kim loại hoặc oxit kim loại, chẳng hạn như: SnO2, ZnO,
In2O3, VO ... và một vài vật liệu bán dẫn. Chế tạo những dây nano này rất đơn giản bằng
cách dùng bột oxit kim loại được bán trên thị trường tại một nhiệt độ bốc bay trong điều
kiện chân khơng hoặc khí trơ làm khí mang. Dây nano hình thành trong vùng nhiệt độ
thấp, nơi vật liệu nguồn lắng đọng từ pha hơi. Người ta tin rằng dây nano mọc thẳng
đứng khi khơng có kim loại xúc tác và quá trình mọc theo cơ chế hơi-rắn. Để tạo pha

21


hơi từ vật liệu nguồn, điều kiện chân không đôi khi cần thiết. Điều này là do một vài vật
liệu thăng hoa trong điều kiện áp suất thường.

Hình 1.7. Sơ đồ thiết bị hệ CVD nhiệt điển hình.

1.2.4. Cơ chế mọc dây nano
Đối với vật liệu SnO2, dây nano SnO2 được mọc theo cơ chế VLS. Cơ chế VLS
được mô tả lần đầu tiên bởi Wagner và Ellis vào năm 1964 [6]. Họ sử dụng hạt Au làm
chất xúc tác để mọc râu tinh thể Si từ nguồn pha hơi như SiCl4 hoặc SiH4. Nguyên lý để
tạo thành râu Si được mơ tả trên Hình 1.6. Hạt Au phủ trên đế Si phản ứng với Si tạo
thành hợp kim Au-Si tại một nhiệt độ nhất định. Như đã thấy trên giản đồ pha hình
1.6.b, nhiệt độ nóng chảy của hợp kim Au-Si tại điểm eutectic rất thấp (khoảng 363 oC
tại tỉ lệ Au:Si= 4:1) so với Au hoặc Si. Au và Si có thể hình thành dung dịch rắn cho tất
cả thành phần Si (từ 0-100%). Trong trường hợp lắng đọng Si từ nguồn SiCl4 trộn với
H2, phản ứng giữa SiCl4 và H2 xảy ra ở nhiệt độ khoảng trên 8000C mà khơng có chất
xúc tác. Dưới nhiệt độ này khơng có Si lắng đọng trên đế. Tại nhiệt độ trên 363o C hạt
Au có thể hình thành giọt hợp kim Si-Au tại điểm eutectic trên bề mặt đế Si. Giọt Au-Si
hấp thụ Si từ nguồn pha hơi kết quả là tạo thành trạng thái siêu bão hòa. Do nhiệt độ
nóng chảy của Si (1414 oC) cao hơn nhiều điểm eutectic của giọt hợp kim, các nguyên
tử Si kết tủa từ trạng thái siêu bão hịa và hình thành liên kết bề mặt lỏng - rắn, và vì vậy
giọt lỏng tăng lên từ bề mặt đế Si.

22


Hình 1.8. Giản đồ minh họa quá trình mọc râu Si từ giản đồ pha nhờ
giọt hợp kim xúc tác Au-Si. (a) Giọt hợp kim Au-Si hình thành trên đế
Si đóng vai trị xúc tác mọc râu; (b) Giản đồ pha của Au-Si; (c) quá
trình khuếch tán và hình thành dây nano của vật liệu nguồn qua giọt
lỏng [6].
Ở đây có hai bề mặt cạnh tranh trong suốt q trình mọc dây nano. Thứ nhất đó là
bề mặt lỏng/rắn giữa hợp kim eutectic và dây nano. Thứ hai là bề mặt khí/rắn giữa chất
phản ứng và bề mặt của dây nano đang mọc. Sự kết tinh thông qua bề mặt thứ nhất
(lỏng/rắn) tạo nên quá trình mọc VLS dọc theo hướng trục của dây nano, trong khi đó
việc hấp thụ trên bề mặt thứ hai (khí/rắn) tạo ra q trình mọc VS (khí/rắn) làm dày dây

nano theo hướng bán kính. Sự hấp thụ, khuếch tán và kết tủa của Si minh họa bởi thứ tự
123 trên hình c bao gồm pha hơi, lỏng và rắn.
Mặc dù cơ chế VLS cổ điển cũng có thể dùng để giải thích sự mọc dây nano của
hầu hết các loại dây nano nhưng dây nano siêu mảnh với đường kính nhỏ hơn 10 nm
của các vật liệu khác nhau có cách mọc riêng biệt. Trong phản ứng VLS cổ điển người
ta tin rằng các hạt kim loại xúc tác ở trạng thái lỏng và hấp phụ các nguyên tử của
nguồn vật liệu bay đến để hình thành giọt lỏng siêu bão hịa (hình 1.7a).

23


Hình 1.9. Các mơ hình khuếch tán khác nhau cho các nguyên tử vật
liệu nguồn kết hợp trong quá trình mọc dây nano ban đầu: (a) Cơ chế
VLS cổ điển; (b) Giọt hợp kim loại lỏng ở trạng thái nóng chảy một
phần, bề mặt và giao diện của nó ở trạng thái lỏng trong khi bên
trong lõi ở trạng thái rắn; (c) Kim loại xúc tác ở trạng thái rắn nhưng
bề mặt giao diện ở trạng thái lỏng [7].
1.3.

Tổng quan về cảm biến khí dựa trên cơ sở hiệu ứng tự đốt nóng
Cảm biến khí đo độ dẫn dựa trên oxit kim loại bán dẫn thì đơn giản nhất, được

nghiên cứu kĩ lưỡng bởi vậy được sử dụng rộng khắp cho phát hiện các khí độc hại, dễ
cháy nổ [8–12].
Các cơng trình nghiên cứu gần đây đã phát hiện ra rằng, dây nano là vật liệu lý
tưởng để chế tạo các loại cảm biến khí thế hệ mới vì ngồi diện tích bề mặt riêng lớn,
chúng có chiều dài Debye tương đương với đường kính dây, trong khi chiều dài của
chúng là một kênh bán dẫn lý tưởng. Dây nano oxit kim loại bán dẫn là yếu tố triển
vọng cho cảm biến khí dẫn đến các cơ hội mới để giải quyết các thông số 3S [13–15].
Tuy nhiên, nếu dựa trên cấu trúc cảm biến khí truyền thống kiểu lị vi nhiệt và màng

nhạy khí riêng lẻ, thì cảm biến dây nano vẫn tiêu thụ công suất tương đối lớn và độ chọn
lọc kém.
Do động học và nhiệt động lực học hạn chế của các q trình oxi hóa khử ở bề mặt
của oxit kim loại bán dẫn, nhiệt độ hoạt động còn cao (thường là 100 - 400 ◦C) là bắt
buộc để đạt được độ nhạy khả thi và thời gian đáp ứng thực tế của cảm biến. Một số
phương pháp đã được thử nghiệm để nâng cao hóa học bề mặt và để giảm nhiệt độ hoạt
24


động của cảm biến dây nano oxit kim loại, ví dụ như: phủ lên bề mặt của lớp cảm biến
oxit kim loại với chất xúc tác [16,17], sử dụng ánh sáng tia cực tím để hoạt hóa quang
(hoặc giải hấp) của chất phản ứng (hoặc sản phẩm phản ứng) [18,19], sử dụng trường
tĩnh điện [20], sử dụng lò vi nhiệt như một thành phần của cảm biến dây nano cùng với
điện cực [21,22].
Ngồi ra, điện trở hóa của dây nano bán dẫn thì tự đốt nóng chính nó, theo chiều
dài lớn (hàng trăm micro mét) đường kính nhỏ (hàng trục nano mét) và sự truyền nhiệt
yếu với đế và điện cực được định rõ là điều kiện tự nhiên ngăn cản tiêu hao nhiệt Joule.
Hiệu ứng tự đốt nóng trên phản ứng bề mặt của cảm biến dây nano oxit kim loại bán
dẫn ở mức tiêu thụ công suất cỡ micro wat mà khơng sử dụng thêm nhiệt ngồi. Ý
tưởng này thì đã được kiểm tra thành cơng cho thiết bị cảm biến khí dạng màng mỏng
[23]. Tuy nhiên những tổn hao nhiệt là không thể tránh khỏi, sự truyền nhiệt của cảm
biến màng mỏng là sự cản trở của phương pháp này. Gần đây, hiệu ứng nhiệt Joule
được sử dụng cho cảm biến khí thực hiện trên ống nano cacbon đa tường (multi-walled
carbon nanotubes) [24] và theo chức năng bề mặt chọn lọc [25].
Hoạt động của cảm biến đo độ dẫn của dây nano dưới trạng thái đặt điện áp, giải
phóng nhiệt Joule (PJ) do điện trở hóa thì có khả năng đốt nóng dây nano tới nhiệt độ
cần thiết để xảy ra phản ứng oxy hóa khử bề mặt. Do đó năng suất và tốc độ ion hóa
oxy, oxy hóa hydro trên bề mặt của dây nano SnO2 sẽ tương ứng với năng lượng Joule
tiêu hao trong cấu trúc nano [26]. Các mơ hình chính xác của sự phân bố nhiệt độ dọc
theo chiều dài của dây nano tiếp xúc với hỗn hợp khí oxy hóa khử địi hỏi giải pháp số

của sự cân bằng nhiệt và phương trình chuyển trong mơi trường khí thay đổi [27]. Trong
nghiên cứu khả thi đánh giá đơn giản PJ năng lượng nhiệt Joule tiêu hao của điện trở
dây nano bán dẫn loại n được ước tính là:
=

≈

( )

/

Trong đó, S – diện tích mặt cắt ngang của dây nano; e – điện tích dẫn cơ bản; µ, n
tương ứng là thay đổi và nồng độ của electron trong vùng dẫn và L – chiều dài của dây
nano [26].

25