(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu chế tạo và tính chất nhạy hơi VOCs của vật liệu lai hóa cấu trúc nano zno và ống nano carbon

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN ĐỖ THANH HƢNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT NHẠY HƠI VOCs CỦA VẬT LIỆU LAI HĨA CẤU TRÚC NANO ZnO VÀ ỐNG NANO CARBON Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Ngƣời hƣớng dẫn: TS ĐỖ ĐĂNG TRUNG PGS.TS NGUYỄN MINH VƢƠNG download by : skknchat@gmail.com i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất kết trình bày luận văn cơng trình nghiên cứu riêng tơi dƣới hƣớng dẫn tận tình thầy PGS.TS Nguyễn Minh Vƣơng thầy TS Đỗ Đăng Trung Các số liệu, kết nêu luận văn hoàn tồn trung thực chƣa xuất cơng bố tác giả khác Tác giả luận văn Nguyễn Đỗ Thanh Hƣng download by : skknchat@gmail.com ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, chân thành cảm ơn đến thầy PGS.TS Nguyễn Minh Vƣơng TS Đỗ Đăng Trung tận tình hƣớng dẫn, truyền đạt kiến thức nhƣ kinh nghiệm làm thực nghiệm để tơi hồn thành đƣợc luận văn Trong suốt thời gian học tập thực luận văn, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cán bộ, giảng viên Bộ môn Vật lý - Khoa học vật liệu, Khoa Khoa học Tự nhiên, Trƣờng Đại học Quy Nhơn, ngƣời tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn Xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới bạn học viên nhóm làm luận văn dƣới hƣớng dẫn thầy PGS.TS Nguyễn Minh Vƣơngvà thầy TS Đỗ Đăng Trung bạn học viên cao học lớp Vật lý chất rắn làm việc Phịng thí nghiệm Vật lý chất rắn mơn Vật lý - Khoa học vật liệu - Trƣờng Đại học Quy Nhơn tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để tơi hồn thành luận văn Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, ngƣời thân bạn bè, ngƣời yêu thƣơng, chia sẻ giúp đỡ tơi q trình hồn thành luận văn Rất mong đƣợc góp ý, bảo quý thầy cô, anh chị bạn bè để luận văn đƣợc hồn thiện tốt Xin chúc q thầy cơ, gia đình bạn bè sức khỏe, hạnh phúc thành đạt download by : skknchat@gmail.com iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC CÁC BẢNG x MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu cảm biến khí 1.1.1 Khái niệm cảm biến khí 1.1.2 Các đặc trƣng cảm biến khí 1.1.3 Cấu tạo cảm biến khí dạng trở hóa 10 1.2 Vật liệu ZnO 11 1.2.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu ZnO 11 1.2.2 Các tính chất lý hóa vật liệu ZnO 13 1.2.3 Cơ chế nhạy khí ZnO 14 1.3 Vật liệu CNTs 15 1.3.1 Cấu trúc hình thái vật liệu CNT 15 1.3.2 Các tính chất vật liệu CNTs 18 1.3.3 Các lại cảm biến dùng CNTs 20 1.4 Vật liệu lai hóa ZnO/CNTs 22 1.4.1 Điều chế vật liệu nano ZnO/CNT dựa phƣơng pháp dung dịch 22 download by : skknchat@gmail.com iv 1.4.2 Chức hóa CNT 25 1.4.3 Cơ chế nhạy khí vật liệu ZnO/CNT 26 1.4.4 Tính chất nhạy khí vật liệu ZnO/CNT 27 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỂM CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT MẪU 29 2.1 Thực nghiệm chế tạo mẫu 29 2.1.1 Chuẩn bị 29 2.1.2 Chế tạo mẫu 30 2.2 Các phƣơng pháp khảo sát mẫu 35 2.2.1 Phép đo nhiễu xạ tia X 35 2.2.2 Chụp ảnh hiển vi điện tử quét 35 2.2.3 Phƣơng pháp quang phổ tia X phân tán lƣợng 35 2.2.4 Phƣơng pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – khả kiến 36 2.2.5 Phép đo tính chất điện tính chất nhạy VOCs 36 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39 3.1 Tính chất hình thái cấu trúc 39 3.1.1 Kết đo XRD 39 3.1.2 Kết đo SEM 42 3.1.3 Kết đo EDX 46 3.2 Tính chất quang 49 3.3 Tính chất điện 52 3.4 Tnh chất nhạy VOCs 57 3.4.1 Ảnh hƣởng lớp đệm q trình chức hóa CNT 57 3.4.2 Tính chất nhạy toluene cảm biến ZnO/FCNT/ZnO 60 3.4.3 Tính chất nhạy số loại hợp chất dễ bay khác nhau66 download by : skknchat@gmail.com v KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (Bản sao) download by : skknchat@gmail.com vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên đầy đủ Nghĩa tiếng Việt SMOs Semiconductor metal oxides Ơ xít kim loại bán dẫn XRD X-ray Difraction Nhiễu xạ tia X SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét PL Photoluminescence Huỳnh quang UV-Vis Ultraviolet-Visible Tử ngoại – khả kiến VOCs Volatile Organic Compounds Hợp chất hữu dễ bay UV-Vis-DRS UV-Visible Diffuse Phổ phản xạ khuếch tán UV- Reflectance Spectroscopy Vis download by : skknchat@gmail.com vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo thiết bị cảm biến 10 Hình 1.2 Cấu trúc lục giác wurtzite ZnO [8] 11 Hình 1.3 Cấu trúc lập phƣơng giả kẽm kiểu sphalerite [1] .12 Hình 1.4 Cấu trúc lập phƣơng đơn giản kiểu NaCl [1] 13 Hình 1.5 Sơ đồ mô tả cách graphene lục giác đƣợc 'cuộn' để tạo thành CNT [4] 17 Hình 1.6 Mơ hình giản đồ (a) ống nano armchair, (b) ống nano zig-zag, (c) ống nano chiral [4] 17 Hình 2.1 Quy trình chế tạo loại cảm biến 33 Hình 2.2 Sơ đồ mơ hệ đo tính chất điện tính chất nhạy khí 37 Hình 3.1 Phổ XRD lớp đệm ZnO đế thủy tinh (a), ZnO/FCNT (b) cấu trúc ZnO/FCNT/ZnO-0,25M (c), ZnO/FCNT/ZnO-0,5M (d), ZnO/FCNT/ZnO-1M (e), ZnO/FCNT/ZnO-1,5M (f) oxy hóa nhiệt 350 C Các đỉnh nhiễu xạ vật liệu ZnO theo thẻ chuẩn JCPDS: 36-1451 đƣợc hiển thị để so sánh 40 Hình 3.2 Phổ XRD cấu trúc ZnO/FCNT/ZnO-1,5M oxy hóa nhiệt độ 350 C 400C 30 phút 40 Hình 3.3 Ảnh SEM cấu trúc lớp đệm ZnO đế Al2O3 (a b), CNT thƣơng mại (c d) ZnO/FCNT (e f) độ phóng đại khác Ảnh chèn (a) ảnh SEM đế cảm biến Al2O3 43 Hình 3.4 Ảnh SEM cấu trúc ZnO/FCNT/ZnO-0,25M (a b), ZnO/FCNT/ZnO-0,5M (c d), ZnO/FCNT/ZnO-1M (e f), download by : skknchat@gmail.com viii ZnO/FCNT/ZnO-1,5M (g h) oxy hóa nhiệt độ 350 C độ phóng đại 20k (trái) 80k (phải) 44 Hình 3.5 Ảnh SEM cấu trúc ZnO/FCNT/ZnO-1,5M oxy hóa nhiệt độ 400 C 30 phút độ phóng đại 20k (a) 80k (b) 45 Hình 3.6 Giản đồ EDX cấu trúc CNT thƣơng mại (a), lớp đệm ZnO đế Al2O3 (b) ZnO/FCNT (c) 46 Hình 3.7 Giản đồ EDX cấu trúc ZnO/FCNT/ZnO-0,25M (a), ZnO/FCNT/ZnO-0,5M (b), ZnO/FCNT/ZnO-1,5M (c) oxy hóa 350 C ZnO/FCNT/ZnO-1,5M (d) oxy hóa nhiệt độ 400 C 47 Hình 3.8 (a) Phổ phản xạ khuếch tán mẫu ZnO (lớp đệm), ZnO/FCNT/ZnO-0,5M (350 C), ZnO/FCNT/ZnO-1M (350 C), ZnO/FCNT/ZnO-0,5M (400 C) ZnO/FCNT/ZnO-1M (400 C) (bf) Đồ thị mô tả phụ thuộc [F(R)*h]2 theo lƣợng photon [h] tƣơng ứng mẫu 50 Hình Sự phụ thuộc điện trở cảm biến vào nhiệt độ mẫu ZnO/CNT (a), FCNT (b) ZnO/FCNT(c) 53 Hình 3.10 Sự phụ thuộc điện trở cảm biến vào nhiệt độ mẫu ZnO/FCNT/ZnO-0,25M (a), ZnO/FCNT/ZnO-0,5M (b), ZnO/FCNT/ZnO-1M (c), ZnO/FCNT/ZnO-1,5M (d) Các mẫu đƣợc oxy hóa nhiệt 350 C 54 Hình 3.11 Sự phụ thuộc điện trở cảm biến vào nhiệt độ mẫu ZnO/FCNT/ZnO-0,5M (a), ZnO/FCNT/ZnO-1M (b) Các mẫu đƣợc oxy hóa nhiệt 400C 30 phút 56 download by : skknchat@gmail.com ix Hình 12 Tính chất IV tính chất hồi đáp 1400 ppm toluene cảm biến dựa vật liệu ZnO/CNT (a b), FCNT (c d) ZnO/FCNT (e f) nhiệt độ 30C 57 Hình 3.13 Tính chất hồi đáp 1400 ppm toluene cảm biến ZnO/FCNT (a) ZnO/FCNT/ZnO-0,25M (b), ZnO/FCNT/ZnO-0,5M (c) ZnO/FCNT/ZnO-1M (d) oxy hóa nhiệt nhiệt độ 350 C nhiệt độ làm việc khác 30, 50, 100 150 C 62 Hình 3.14 Tính tốn độ hồi đáp cảm biến đo đạc Hình 3.13 62 Hình 3.15 Tính chất IV(chèn) tính chất hồi đáp 1400 ppm toluene nhiệt độ phòng 30 C cảm biến ZnO/FCNT/ZnO-0,5M 1M (a b) oxy hóa nhiệt nhiệt độ 350 C ZnO/FCNT/ZnO-0,5M 1M (c d) oxy hóa nhiệt nhiệt độ 400C 63 Hình 3.16 Tính tốn độ hồi đáp cảm biến đo đạc Hình 3.1 63 Hình 3.17 (a) Tính chất nhạy toluene (1400ppm) cảm biến ZnO/FCNT/ZnO-1,5M (oxy hóa nhiệt 350 C) (b) phụ thuộc độ hồi đáp toluene cảm biến ZnO/FCNT/ZnO vào nồng độ tiền chất Zn(NO3)2 khác nhiệt độ làm việc cảm biến 30 C 65 Hình 3.18 Tính chất nhạy cảm biến ZnO/FCNT/ZnO-1,5M ethanol (a), methanol (b), 2-propanol (c) acetone (d) với nồng độ 1400 ppm 67 Hình 3.19 Độ hồi đáp cảm biến ZnO/FCNT/ZnO-1,5M ethanol (a), methanol (b), 2-propanol (c) acetone (d) với nồng độ 1400 ppm đƣợc tính tốn từ Hình 3.18 67 download by : skknchat@gmail.com 59 Thời gian hồi đáp thời gian cần thiết để điện trở cảm biến đạt 63% giá trị điện trở cuối thời gian hồi phục thời gian cần thiết để cảm biến phục hồi đƣợc 63% giá trị ban đầu Độ hồi đáp đƣợc xác định 17,1%; 1,6% 2,9% lần lƣợt cho cảm biến ZnO/CNT, FCNT ZnO/FCNT Một số kết thu đƣợc nhƣ sau: (i) Cảm biến ZnO/CNT sử dụng ống CNT thƣơng mại lắng đọng đế Al2O3 có lớp đệm ZnO hiển thị độ hồi đáp cao nhất; (ii) Các cảm biến FCNT ZnO/FCNT có tính thuận nghịch tốt (nghĩa có khả phục hồi trạng thái ban đầu sau dừng đo toluene); (iii) Cảm biến ZnO/FCNT có độ hồi đáp cao so với cảm biến FCNT (iv) Thời gian hồi đáp thời gian hồi phục cảm biến ZnO/FCNT (5,7 13,4 phút) thấp nhiều so với cảm biến FCNT (13,9 24,2 phút) Độ hồi đáp cao cảm biến ZnO/CNT đƣợc cho cấu trúc xốp lớp nhạy (nhƣ đƣợc nhìn thấy ảnh SEM Hình 3.3.c&d) Tuy nhiên, cảm biến ZnO/CNT khơng khơng có tín hiệu hồi phục trạng thái ban đầu mà điện trở cảm biến cịn tiếp tục tăng dừng thổi toluene (Hình 3.12b) Hay nói cách khác, tính chất thuận nghịch cảm biến Hiện tƣợng không thích hợp ứng dụng thực tế cảm biến dạng trở hóa Vì cấu trúc cảm biến phức tạp (bao gồm ống CNT, hạt xúc tác sắt oxit, nickel oxit, cobalt oxit, lớp đệm ZnO) nên chúng tơi khơng sâu vào việc giải thích chế cho cấu trúc Các cảm biến FCNT ZnO/FCNT có độ hồi đáp thấp nhiều so với cảm biến ZnO/CNT Điều cho rằng, nguyên nhân cấu trúc xếp chặt dày đặt ống CNT bề mặt đế (nhƣ đƣợc nhìn thấy Hình 3.3 e&f) Sự xếp dày đặt ống CNT đế làm giảm diện tích tiếp xúc download by : skknchat@gmail.com 60 lớp nhạy với mơi trƣờng khí dẫn đến giảm độ hồi đáp cảm biến Mặc dù độ hồi đáp cảm biến thấp nhƣng sau ngừng thổi toluene, khả hồi phục điện trở cảm biến trạng thái ban đầu tốt Tính chất hồi đáp toluene cải thiện khả phục hồi cảm biến sử dụng ống FCNT đƣợc giải thích q trình hấp phụ vật lý toluene thông qua sai hỏng bề mặt ống FCNT q trình xử lý mơi trƣờng axit xử lý nhiệt sau Hơn nữa, dịng qua cảm biến tăng đƣợc gây chủ yếu trình dịch chuyển hạt tải điện bề mặt ống FCNT Điện trở cảm biến tăng lên có toluene đƣợc giải thích q trình dịch chuyển hạt tải điện bị nhiễu loạn toluene Độ hồi đáp cảm biến ZnO/FCNT (2,9%) cao gấp đơi cảm biến FCNT (1,6%) Điều giải thích ảnh hƣởng lớp đệm ZnO bên dƣới hình thành chuỗi tiếp xúc p-n FCNT hạt nano ZnO Bề rộng vùng nghèo FCNT ZnO bị thay đổi nhiều bề mặt lớp nhạy hấp phụ tolulene 3.4.2 Tính chất nhạy toluene cảm biến ZnO/FCNT/ZnO Các cảm biến ZnO tinh khiết (khơng có FCNT) chế tạo phƣơng pháp dung môi nhiệt sử dụng tiền chất Zn(NO3)2 dung mơi EG có điện trở cao hầu nhƣ không hồi đáp vùng nhiệt độ thấp khảo sát Do đó, kết đo khơng trình bày Hình 3.13 hiển thị kết đo tính chất hồi đáp 1400 ppm toluene cảm biến ZnO/FCNT (Hình 3.13a) ZnO/FCNT/ZnO-0,25M (Hình 3.13b), ZnO/FCNT/ZnO-0,5M (Hình 3.13c) ZnO/FCNT/ZnO-1M (Hình 3.13d) oxy hóa nhiệt độ 350 C nhiệt độ làm việc khác 30, 50, 100 150 C cảm biến Các lớp nhạy đƣợc kiểm tra tính chất I-V trƣớc download by : skknchat@gmail.com 61 đo nhạy toluene thể tiếp xúc ohmic với điện cực Au Kết tính tốn độ hồi đáp cảm biến đƣợc tính tốn tổng kết nhƣ Hình 3.14 Một số kết thu đƣợc nhƣ sau: (i) Tất cảm biến thể tính chất nhạy bán dẫn loại p điện trở cảm biến tăng mơi trƣờng khí khử toluene; (ii) Tất cảm biến có khả phục hồi, nhiên cảm biến ZnO/FCNT/ZnO có trôi điện trở ban đầu so với cảm biến ZnO/FCNT; (iii) Các cảm biến ZnO/FCNT/ZnO có độ hồi đáp toluene cao nhiều so với cảm biến ZnO/FCNT; (iv) Độ hồi đáp cảm biến có xu hƣớng giảm nhiệt độ làm việc cảm biến tăng (trong khoảng nhiệt độ khảo sát 30 đến 150 C) Kết thu đƣợc (i) - (iii) chứng tỏ ống FCNT đóng vai trị quan trọng chế nhạy toluene vùng nhiệt độ thấp Sự cải thiện đáng kể độ hồi đáp toluene vật liệu nano composite ZnO/FCNT/ZnO giải thích nguyên nhân: (1) lớp nhạy cấu trúc nano composite ZnO/FCNT/ZnO có độ xốp cao (nhƣ nhìn thấy ảnh SEM Hình 3.4) so với cấu trúc ZnO/FCNT (ảnh SEM Hình 3.3 e&f) (2) cấu trúc tiếp xúc dị thể FCNT ZnO hình thành hệ nano composite Sự suy giảm độ hồi đáp kết (iv) đƣợc giải thích ngun nhân tƣơng tác hấp phụ vật lý khó xảy toluene phải vƣợt qua hổn loạn nhiệt bề mặt cảm biến [30, 31] download by : skknchat@gmail.com 62 Hình 3.14 Tính chất hồi đáp 1400 ppm toluene cảm biến ZnO/FCNT (a) ZnO/FCNT/ZnO-0,25M (b), ZnO/FCNT/ZnO-0,5M (c) ZnO/FCNT/ZnO-1M (d) oxy hóa nhiệt nhiệt độ 350C nhiệt độ làm việc khác 30, 50, 100 150C Hình 3.15 Tính tốn độ hồi đáp cảm biến đo đạc Hình 3.13 download by : skknchat@gmail.com 63 Hình 3.16 Tính chất IV(chèn) tính chất hồi đáp 1400 ppm toluene nhiệt độ phòng 30C cảm biến ZnO/FCNT/ZnO-0,5M 1M (a b) oxy hóa nhiệt nhiệt độ 350C ZnO/FCNT/ZnO-0,5M 1M (c d) oxy hóa nhiệt nhiệt độ 400C Hình 3.17 Tính tốn độ hồi đáp cảm biến đo đạc Hình 3.1 download by : skknchat@gmail.com 64 Hình 3.15 mơ tả tính chất tiếp xúc IV (hình chèn bên trong) tính chất nhạy nhiệt độ 30C cảm biến ZnO/FCNT/ZnO-0,5M ZnO/FCNT/ZnO-1M oxy hóa nhiệt độ 350C 400C Kết tính tốn độ hồi đáp tƣơng ứng cảm biến đƣợc tổng kết Hình 3.16 Tƣơng tự, hầu hết lớp nhạy thể tính chất tiếp xúc ohmic điện cực Au Độ hồi đáp cảm biến nhiệt độ oxy hóa 350C cao nhiều so với cảm biến oxy hóa 400C Điều chúng tơi cho rằng, nguyên nhân lƣợng ống FCNT mẫu nhiều (vì ống FCNT đóng vai trị chế nhạy toluene nhiệt độ thấp) nhƣ trạng thái sai hỏng bề mặt ZnO nhiều (vì sai hỏng bề mặt hạt nano ZnO góp phần việc hình thành trình hấp phụ vật lý trình hồi đáp toluene) oxy hóa nhiệt độ thấp (350C) Hình 3.17a hiển thị kết đo tính chất nhạy toluene (1400ppm) cảm biến ZnO/FCNT/ZnO-1,5M (oxy hóa nhiệt 350C) với vịng đo Hình 3.17b mô tả phụ thuộc độ hồi đáp toluene cảm biến ZnO/FCNT/ZnO vào nồng độ tiền chất Zn(NO3)2 khác nhiệt độ làm việc cảm biến 30C Kết cho thấy, hàm lƣợng ZnO tăng độ hồi đáp cảm biến tăng lên Điều cho thấy rõ vai trò số lƣợng lớp tiếp xúc dị thể lớp nhạy ảnh hƣởng đến độ hồi đáp lớp nano composite Cảm biến ZnO/FCNT/ZnO-1,5M phục hồi sau ngừng thổi tolulene, nhiên điện trở cảm biến bị trôi theo vịng đo Chúng tơi tìm cách cải tiến vấn đề nghiên cứu Chúng tiến hành chế tạo lớp nhạy ZnO/FCNT/ZnO với nồng độ tiền chất Zn(NO3)2 cao 2,5 3,5M Tuy nhiên, sản phẩm chế tạo không lắng đọng đƣợc đế cảm biến hạt kẽm glycolate có kích thƣớc hạt download by : skknchat@gmail.com 65 lớn nên độ bám dính đế khơng tốt Lớp nhạy bị bong khỏi đế cảm biến sau trình oxy hóa nhiệt Do đó, phạm vi nghiên cứu, chúng tơi xem mẫu ZnO/FCNT/ZnO-1,5M (oxy hóa nhiệt 350C) nhƣ điều kiện tối ƣu hệ cảm biến chế tạo Hình 3.18 (a) Tính chất nhạy toluene (1400ppm) cảm biến ZnO/FCNT/ZnO-1,5M (oxy hóa nhiệt 350C) (b) phụ thuộc độ hồi đáp toluene cảm biến ZnO/FCNT/ZnO vào nồng độ tiền chất Zn(NO3)2 khác nhiệt độ làm việc cảm biến 30C download by : skknchat@gmail.com 66 3.4.3 Tính chất nhạy số loại hợp chất dễ bay khác Hình 3.18 hiển thị kết đo tính chất hồi đáp cảm biến ZnO/FCNT/ZnO-1,5M ethanol (Hình 3.18a), methanol (Hình 3.18b), 2-propanol (Hình 3.18c) acetone (Hình 3.18d) với nồng độ 1400 ppm Độ hồi đáp đƣợc tính tốn tổng kết Hình 3.19 Kết cho thấy độ hồi đáp cảm biến cao toluene (18,6%) Độ hồi đáp ethanol, methanol, 2-propanol acetone lần lƣợt 15,5%; 7,8%; 13,6% 4,3% Độ hồi đáp cảm biến methanol acetone thấp nhiều so với toluene Tuy nhiên cảm biến cho độ hồi đáp cao ethanol 2propanol Do đó, cảm biến chƣa có độ chọn lọc tốt diện ethanol 2-propanol Trong nghiên cứu tiếp tiếp tục nghiên cứu biến tính bề mặt lớp nhạy nhằm cải thiện độ chọn lọc toluene diện hợp chất dễ bay khác download by : skknchat@gmail.com 67 Hình 3.19 Tính chất nhạy cảm biến ZnO/FCNT/ZnO-1,5M ethanol (a), methanol (b), 2-propanol (c) acetone (d) với nồng độ 1400 ppm Hình 3.20 Độ hồi đáp cảm biến ZnO/FCNT/ZnO-1,5M ethanol (a), methanol (b), 2-propanol (c) acetone (d) với nồng độ 1400 ppm tính tốn từ Hình 3.18 download by : skknchat@gmail.com 68 KẾT LUẬN Sau trình thực luận văn thạc sĩ khoa Vật Lý trƣờng Đại học Quy Nhơn, từ kết chế tạo cảm biến, nghiên cứu hình thái cấu trúc vật liệu, khảo sát tính chất điện đặc trƣng nhạy khí cảm biến, thu đƣợc kết nhƣ sau: (1) Đã chế tạo thành công cấu trúc nano FCNT, ZnO/CNT, ZnO/FCNT ZnO/FCNT/ZnO phƣơng pháp dung môi nhiệt sử dụng FCNT Zn(NO3)2 EG (2) Tính chất hình thái bề mặt, cấu trúc tinh thể tính chất quang vật liệu đƣợc khảo sát qua phép đo SEM, EDX, XRD, UV-Vis DRS Kết cho thấy, cấu trúc ZnO/FCNT/ZnO có độ xốp cao Tại nhiệt độ oxy hóa 400 C q trình oxy hóa kẽm glycolate xảy hồn tồn (3) Tính chất điện tính chất nhạy VOCs cấu trúc cảm biến đƣợc nghiên cứu cách có hệ thống Kết cho thấy: + Tất lớp nhạy thể tiếp xúc ohmic với hai điện cực Au; + Cảm biến ZnO/CNT thể tính chất điện kim loại, cảm biến FCNT, ZnO/FCNT ZnO/FCNT/ZnO thể tính chất bán dẫn + Cảm biến sử dụng lớp đệm ZnO cảm biến ZnO chế tạo phƣơng pháp dung mơi nhiệt có điện trở cao không hồi đáp với toluene + Các cảm biến ZnO/CNT, FCNT ZnO/FCNT thể tính chất hồi đáp bán dẫn loại p lớp nhạy tiếp xúc với toluene Trong đó, cảm biến ZnO/FCNT/ZnO có độ hồi đáp toluene cao nhiều so với cảm biến ZnO/FCNT có xu hƣớng giảm nhiệt độ làm việc cảm biến tăng Đồng thời, hàm lƣợng ZnO tăng độ hồi đáp cảm biến tăng lên Tuy nhiên, cảm biến ZnO/FCNT/ZnO có khả hồi phục nhƣng có trơi download by : skknchat@gmail.com 69 điện trở ban đầu sau vòng đo Trong điều kiện chế tạo, cảm biến ZnO/FCNT/ZnO-1,5M (350 C) đƣợc xem điều kiện tối ƣu cho cảm biến toluene + Cảm biến ZnO/FCNT/ZnO oxy hóa nhiệt 400 C cho độ hồi đáp thấp trôi mạnh điện trở ban đầu cảm biến so với oxy hóa nhiệt 350 C + Cảm biến ZnO/FCNT/ZnO-1,5M (350 C) có độ hồi đáp tốt toluene Cảm biến có độ nhạy cao ethanol, 2-propanol độ hồi đáp thấp methanol acetone Dựa kết trên, cảm biến ZnO/FCNT/ZnO-1,5M (350 C) tỏ tối ƣu Tuy nhiên để đƣa vào sử dụng thực tế cần khảo sát kỹ độ nhạy, độ chọn lọc, giới hạn đo, độ ổn định, nhƣ tìm cách khắc phục tƣợng trơi điện trở cải thiện hiệu suất làm việc cảm biến cách đính thêm hạt kim loại quý lên vật liệu kích thích cảm biến xạ suốt trình làm việc cảm biến download by : skknchat@gmail.com 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO Morkoỗ, P.D.H (2009) "Zinc Oxide." Fundamentals, Materials and Device Technology." BURN, H.J.T.B.a.J (1993) "Chemistry and Analysis of Volatile Organic Compounds in the Environment." SPRINGER-SCIENCE+BUSINESS MEDIA, B.V Bhati, V.S., M Hojamberdiev, and M Kumar (2020) "Enhanced sensing performance of ZnO nanostructures-based gas sensors: A review." Energy Reports 6: 46-62 Aqel, A., K.M.M.A El-Nour, R.A.A Ammar, and A Al-Warthan (2012) "Carbon nanotubes, science and technology part (I) structure, synthesis and characterisation." Arabian Journal of Chemistry 5(1): 1-23 Wang, Y and J.T.W Yeow (2009) "A Review of Carbon NanotubesBased Gas Sensors." Journal of Sensors 2009: 1-24 Barthwal, S., B Singh, S Barthwal, and N.B Singh (2017) "ZnO-CNT Nanocomposite Based Gas Sensors—An Overview." Sensor Letters 15(12): 955-969 Hiếu, G.T.N.V (2015) "CẢM BIẾN KHÍ DÂY NANO ƠXÍT KIM LOẠI BÁN DẪN." NXB ĐHQG HÀ NỘI Borysiewicz, M.A (2019) "ZnO as a Functional Material, a Review." Crystals 9(10): 505 Ma, Y (2002) "Study on Sensitivity of Nano-Grain ZnO Gas Sensors." Journal of Wide Bandgap Materials 10(2): 113-120 download by : skknchat@gmail.com 71 10 Chao-Nan Wang, Y.-L.L., Fei-Long Gong, Shao-Ming Fang Hao-Li Zhang (2020) "Advances in doped ZnO nanostructures for gas sensor." THE CHEMICAL RECORD: 1-16 11 Bandaru, P.R (2007) "Electrical Properties and Applications of Carbon Nanotube Structures." Journal of Nanoscience and Nanotechnology 7(4): 1239-1267 12 Boyd, A., I Dube, G Fedorov, M Paranjape, and P Barbara (2014) "Gas sensing mechanism of carbon nanotubes: From single tubes to highdensity networks." ScienceDirect 69: 417-423 13 Kauffman, D.R and A Star (2008) "Carbon Nanotube Gas and Vapor Sensors." Angewandte Chemie International Edition 47(35): 6550-6570 14 Rishi Vyas, S.S., Parul Gupta, Arun K Prasad, and K.S A K Tyagi, and S K Sharma (2012) "CNT-ZnO nanocomposite thin films: O2 and NO2 sensing." Advanced Materials Research 585: 235-239 15 X Wang, S.Y., and X Li (2009) "Sol-gel Preparation of CNT/ZnO Nanocomposite and Its Photocatalytic Property." Chinese Journal of Chemistry 27: 1317-1320 16 Borhan A Albiss, W.A.S., Inshad Jumah, and Ihab M Obaidat (2010) "NO2 Gas Sensing Properties of ZnO/Single-Wall Carbon Nanotube Composites." IEEE SENSORS JOURNAL 10: 1807-1812 17 Zhang, D., Y.e Sun, and Y Zhang (2015) "Fabrication and characterization of layer-by-layer nano self-assembled ZnO nanorods/carbon nanotube film sensor for ethanol gas sensing application at room temperature." Journal of Materials Science: Materials in Electronics 26(10): 7445-7451 download by : skknchat@gmail.com 72 18 Hernández, S.C., J Kakoullis, J.H Lim, S Mubeen, C.M Hangarter, A Mulchandani, and N.V Myung (2012) "Hybrid ZnO/SWNT Nanostructures Based Gas Sensor." Electroanalysis 24(7): 1613-1620 19 Zhang, H., N Du, B Chen, D Li, and D Yang (2009) "Carbon Nanotube-ZnO Nanosphere Heterostructures: Low-Temperature Chemical Reaction Synthesis, Photoluminescence,and Their Application for Room Temperature NH3 Gas Sensor." Science of Advanced Materials 1(1): 1317 20 Khanderi, J., R.C Hoffmann, A Gurlo, and J.J Schneider (2009) ""Synthesis and sensoric response of ZnO decorated carbon nanotubes"." Journal of Materials Chemistry 19(28): 5039 21 Farbod, M., M.H Joula, and M Vaezi (2016) "Promoting effect of adding carbon nanotubes on sensing characteristics of ZnO hollow sphere-based gas sensors to detect volatile organic compounds." Materials Chemistry and Physics 176: 12-23 22 Aslam, M.M.-A., H.-W Kuo, W Den, M Usman, M Sultan, and H Ashraf (2021) "Functionalized Carbon Nanotubes (CNTs) for Water and Wastewater Treatment: Preparation to Application." Sustainability 13(10): 5717 23 YA-PING SUN, K.F., YI LIN, and WEIJIE HUANG (2002) "Functionalized Carbon Nanotubes: Properties and Applications." Acc Cem Res 35: 1096-1104 24 Korotcenkov, G (2007) "Metal oxides for solid-state gas sensors: What determines our choice?" Materials Science and Engineering: B 139(1): 123 download by : skknchat@gmail.com 73 25 Na, C.W., H.-S Woo, I.-D Kim, and J.-H Lee (2011) "Selective detection of NO2 and C2H5OH using a Co3O4-decorated ZnO nanowire network sensor." Chemical Communications 47(18): 5148 26 "Measurements of Band Gap in Compound Semiconductors - Band Gap Determination from Diffuse Reflectance Spectra." Application News 27 Jaykrushna Das, I.R.E., and Deepa Khushalani (2009) "Zinc Glycolate: A Precursor to ZnO." Inorg Chem 48: 3508-3510 28 Jingwei Zhang, P.Z., Jiuhe Li, Jianmin Chen, Zhishen Wu, and and Z Zhang (2009) "Fabrication of Octahedral-Shaped Polyol-Based Zinc Alkoxide Particles and Their Conversion to Octahedral Polycrystalline ZnO or Single-Crystal ZnO Nanoparticles." CRYSTAL GROWTH & DESIGN 9, NO 2329-2334 29 G Ovejero, J.L.S., M D Romero, A Rodrı´guez, M A Ocan˜a, G Rodrı´guez, and J Garcı´a (2006) "Multiwalled Carbon Nanotubes for Liquid-Phase Oxidation Functionalization, Characterization, and Catalytic Activity." Ind Eng Chem Res 45: 2206-2212 30 Choi, K.-Y., J.-S Park, K.-B Park, H.J Kim, H.-D Park, and S.-D Kim (2010) "Low power micro-gas sensors using mixed SnO2 nanoparticles and MWCNTs to detect NO2, NH3, and xylene gases for ubiquitous sensor network applications." Sensors and Actuators B: Chemical 150(1): 65-72 31 Llobet, E (2013) "Gas sensors using carbon nanomaterials: A review." Sensors and Actuators B: Chemical 179: 32-45 download by : skknchat@gmail.com ... Đại Học Quy Nhơn, chọn đề tài nghiên cứu là: “NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT NHẠY HƠI VOCs CỦA VẬT LIỆU LAI HÓA CẤU TRÚC NANO ZnO/ CNTs” nhằm mục đích chế tạo lớp nhạy khí cảm biến có hiệu hoạt... vụ nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí trở hóa dựa vật liệu nanocomposite CNT ZnO - Khảo sát tính chất cấu trúc hình thái học cấu trúc chế tạo đƣợc - Khảo sát tính chất quang, tính chất. .. cấu trúc chế tạo đƣợc - Khảo sát tính chất nhạy VOCs cấu trúc nano composite chế tạo IV Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: Vật liệu nano composite CNT ZnO - Phạm vi nghiên cứu: