Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo

Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhạy khí trên cơ sở SnO2 và ZnO hoạt động ở nhiệt độ phòng tự đốt nóng nhằm phát triển cảm biến khí trên đế dẻo.

LỜI CAM ĐOAN Tácgiảxincamđoantồnbộcácnộidungcủaluậnánnàylàcơngtrìnhnghiên cứu riêng tác giả hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Duy GS.TS Hugo Minh Hung Nguyen Các số liệu kết luận án hoàn toàn trung thực chưa tác giả khác côngbố Hà Nội, ngày 23 tháng 10 năm 2023 TM tập thể hướng dẫn Tác giả PGS.TS Nguyễn Văn Duy Võ Thanh Được LỜI CẢM ƠN Lờiđầutiên,tơixinđượcbàytỏlịngbiếtơnsâusắctớitậpthểgiáoviênhướng dẫn bao gồm PGS.TS Nguyễn Văn Duy GS.TS Hugo Minh Hung Nguyen Hai Thầy đóng góp ý kiến khoa học quý báu, động viên khích lệ, tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận ánnày Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới GS.TS Nguyễn Đức Hòa, PGS.TS Đặng Thị Thanh Lê, PGS.TS Chử Mạnh Hưng, TS Nguyễn Văn Tốn, q Thầy Cơ ln nhiệt tình giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm gợi mở nhiều ý tưởng quan trọng đểtôithựchiệncácnghiêncứucủaluậnánnày.Tôicũngxincảmơncácnghiêncứu sinh học viên cao học nhóm Cảm biến thiết bị thơng minh đồng hành hỗ trợ suốt q trình nghiêncứu Tơi xin chân thànhcảmơn Trường Vật liệu; Ban Đào tạo - Đại học Bách khoa Hà Nội; Bộ môn Cơ điện tử, khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Công nghệ GTVT tạo điều kiện cho tập trung học tập nghiêncứu Cuốicùng,tơixinđượcgửilờicảmơntớitồnthểgiađình,bạnbè,đồngnghiệp ln ln động viên chia sẻ để giúp tơi hồn thành luận ánnày Tác giả Võ Thanh Được MỤC LỤC LỜICAMĐOAN i LỜICẢMƠN ii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮVIẾT TẮT vii DANH MỤCBẢNG BIỂU ix DANH MỤCHÌNHẢNH x GIỚITHIỆUCHUNG CHƯƠNG 1.T Ổ N G QUAN 1.1 Cảm biến khí đế dẻo dùng vật liệu SMO cấutrúcnano .9 1.1.1 Các loại đếdẻopolyme 10 1.1.2 Vật liệu SMO hoạt động nhiệt độ phịng/ tự đốt nóng dùngđể chế tạo cảm biến khí trênđếdẻo 12 1.2 Hiện tượng hấp phụ bề mặt vậtliệuSMO 13 1.2.1 Hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học bề mặtchấtrắn 13 1.2.2 Hiện tượng uốn cong vùng lượng chất bán dẫn khihấpphụkhí 15 1.2.3 Hiện tượng hấp phụ ôxy bề mặt chế nhạy khí vật liệuSMO nhiệtđộphòng 18 1.3 Vật liệu nhạy khí sở SnO2và ZnO hoạt động ởnhiệtđộ phòng 23 1.3.1 Các cấu trúc nanomộtchiều 24 1.3.2 Cấu trúcmàngmỏng 28 1.4 Vật liệu nhạy khí sở SnO2và ZnO biến tính kimloại quý hoạt động nhiệtđộ phòng 30 1.4.1 Vật liệu vàphươngpháp 30 1.4.2 Cơ chế nhạy khí nhiệt độ phịng vật liệu SMO biến tínhbằng kimloại quý 32 1.5 Vật liệu nhạy khí dùng cấu trúc dị thể vật liệu SMO hoạtđộng nhiệtđộphòng 34 1.5.1 Cấu trúc dây nano lõi-vỏ 35 1.5.2 Cấu trúc dây nanorẽnhánh .36 1.5.3 Cơ chế nhạy khí nhiệt độ phịng cấu trúcdịthể 37 1.6 Hiệu ứng Schottky hiệu ứng tựđốtnóng 39 1.6.1 HiệuứngSchottky 39 1.6.2 Hiệu ứng tựđốtnóng .42 Kết luậnchương1 46 CHƯƠNG 2.T H Ự C NGHIỆM 47 2.1 Quy trình chế tạo chípđiện cực .47 2.1.1 Thực nghiệm chế tạo chíp điện cực trênđếSi/SiO2 47 2.1.2 Thực nghiệm chế tạo chíp điện cực đếdẻo Kapton 50 2.2 Thực nghiệm chế tạo vật liệunhạykhí 52 2.2.1 Chế tạo vật liệu thanh/ dây nano ZnO phương phápthủynhiệt 52 2.2.2 Chế tạo cấu trúc dây nano rẽ nhánh hai vật liệu ZnOvà SnO2theo phương pháp bốc bay nhiệt bằnghệCVD 56 2.2.3 Chế tạo vật liệu màng mỏng SnO2/Pt phương pháp phúnxạDC 62 2.3 Các phương pháp phân tích hình thái vi cấu trúcvậtliệu 63 2.4 Khảo sát tính chất điện tính chấtnhạykhí 63 2.4.1 Bộ điều khiển lưu lượngkhí MFC 64 2.4.2 Buồng đo thiết bị đo điện trở theothờigian 64 2.4.3 Máy vi tính thiết bịngoạivi 65 Kết luậnchương2 65 CHƯƠNG CẢM BIẾN KHÍ NO2HOẠT ĐỘNG Ở NHIỆT ĐỘ PHỊNG/ TỰĐỐT NĨNG TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU SnO 2và ZnO ĐỊNH HƯỚNG PHÁTTRIỂN CẢM BIẾN KHÍ TRÊNĐẾDẺO 66 3.1 Giớithiệu 66 3.2 Các cấu trúc nano chiều vật liệu ZnO nhạy khí NO2ởnhiệtđộ phịng .67 3.2.1 Khảo sát hình thái củavậtliệu 67 3.2.2 Khảo sát vi cấu trúc nano dâynanoZnO 71 3.2.3 Khảo sát đặc trưng nhạy khí cảm biến dùng vật liệu thanhnano dâynano ZnO 73 3.3 Các cấu trúc rẽ nhánh dây nano SnO2và dây nano SnO2nhạy khí NO2ở nhiệtđộphịng 79 3.3.1 Khảo sát vi cấu trúc hình thái cấu trúc rẽ nhánhgiữa SnO2v ZnO .80 3.3.2 Khảo sát đặc trưng nhạy khí NO2ở nhiệt độ phịng cáccấu trúc rẽ nhánh dây nano SnO2và Zn O 87 Kết luậnchương3 97 CHƯƠNG CẢM BIẾN KHÍ HYDRO HOẠT ĐỘNG Ở NHIỆT ĐỘ PHỊNG/TỰ ĐỐT NÓNG DÙNG VẬT LIỆU MÀNG MỎNG SnO 2/Pt CHẾ TẠO TRÊNĐẾDẺO KAPTON 98 4.1 Giớithiệu 98 4.2 Khảo sát hình thái vi cấu trúc màngmỏngSnO2/Pt 99 4.2.1 Hình thái bề mặt vật liệu màngmỏngSnO2/Pt .101 4.2.2 Vi cấu trúc vật liệu màngmỏngSnO2/Pt 102 4.2.3 Các thành phần nguyên tố màngmỏngSnO2/Pt 108 4.3 Khảo sát hiệu ứng Schottky vật liệu màngmỏngSnO2/Pt .125 4.3.1 Khảo sát đặc trưng I – V cảm biến dùng vật liệu màngmỏng SnO2/Pt theo chiềudàymàng 111 4.3.2 Khảo sát đặc trưng nhạy khí H2ở nhiệt độ phịng theo chiềudày màng SnO2/Pt sở hiệuứng Schottky .112 4.3.3 Giải thích chếnhạykhí 121 4.4 Khảo sát hiệu ứng tự đốt nóng vật liệu màng mỏng SnO2/Pt.125 4.4.1 Đặc trưng I – V ảnh nhiệt hồng ngoại vật liệu màngmỏngSnO2/Pt 125 4.4.2 Khảo sát đặc trưng nhạy khí cảm biến SnO2/Pt với H2trêncơ sở hiệu ứng tựđốtnóng .128 Kết luậnchương4 135 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CỦALUẬNÁN 136 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNGBỐCỦALUẬNÁN 138 TÀI LIỆUTHAMKHẢO .139 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu, viết tắt 0D 1D 2D Ads CNTs CVD DC EDS FE-SEM 10 11 12 FIB HMDS HMTA 13 HR-TEM 14 IoTs 15 ITIMS 16 17 18 19 ITO I-V IR LPG 20 MEMS 21 22 23 24 25 NRs NWs ppb ppm PR Indium Tin Oxide Current-Voltage Infrared Liquefied Petroleum Gas Micro-Electro-Mechanical Systems Nanorods Nanowires Parts per billion Parts per million Photoresist 26 Ra Rair 27 Rg Rgas 28 29 Rec Res Recovery Response STT Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt Zero Dimensional One Dimensional Two Dimensional Adsorption Carbon Nanotubes Chemical Vapor Deposition Direct Current Energy-dispersive X-ray Spectroscopy Field Emission Scanning Electron Microscope Focused Ion Beam HexaMethylDiSilazane hexamethylenetetramine High-Resolution Transmission Electron Microscopy (Internet of Things) International Training Institute for Materials Science Không chiều Một chiều Hai chiều Hấp phụ Ống nano carbon Lắng đọng hóa học Dịng điện chiều Phổ tán sắc lượng tia X Hiển vi điện tử quét phát xạ trường Chùm iơn hội tụ Chất bám dính HMDS Hexamethylenetetramine Hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao Internet vạn vật Viện Đào tạo quốc tế khoa học vật liệu Oxit thiếc inđi Dòng điện – điện áp Hồng ngoại khí dầu mỏ hóa lỏng Hệ vi điện tử Thanh nano Dây nano Một phần tỷ Một phần triệu Chất cảm quang Điện trở cảm biến khơng khí Điện trở cảm biến khí thử Hồi phục Đáp ứng 30 31 32 33 34 35 RF RH RFID rGO RPM RT 36 SAED 37 sccm 38 39 40 SCR SEM SMO 41 TEM 42 43 44 45 46 UV VLS VOCs VS XRD 47 XPS Radio Frequency Relative Humidity Radio Frequency Identification reduced Graphene Oxide Revolutions Per Minute Room Temperature Selected Area Electron Diffraction standard cubic centimeters per minute Space Charge Region Scanning Electron Microscope Semiconductor Metal Oxide Transition Electron Microscope Ultraviolet Vapor-Liquid-Solid Volatile Organic Compounds Vapor -Solid X-ray Diffraction X-ray Photoelectron Spectroscopy Tần số vô tuyến Độ ẩm tương đối Nhận dạng tần số vơ tuyến Graphen oxit khử Vịng quay/phút Nhiệt độ phòng Nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng Chuẩn khối cm3/phút Vùng điện tích khơng gian Kính hiển vi điện tử quét Oxit kim loại bán dẫn Kính hiển vi điện tử truyền qua Tia cực tím Hơi – lỏng – rắn Hợp chất hữu dễ bay Hơi – Rắn Nhiễu xạ tia X Phổ quang điện tử tia X DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1.Một số tính chất vật lý loại đế PET, PEN PI Bảng 1.2.So sánh khác biệt q trình hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học Bảng 1.3.Thống kê số cơng trình nghiên cứu cảm biến khí nhiệt độ phịng/ tự đốt nóng dùng vật liệuSnO2vàZnOthuần Bảng 1.4.Thống kê số cơng trình nghiên cứu cảm biến khí nhiệtđộ phịng/ tự đốt nóng sở vật liệuSnO2vàZnObiến tính kim loạiq Bảng 2.1.Hóa chất dùng cho chế tạo cảm biến phương pháp thủy nhiệt Bảng 2.2.Thông số chế tạo màng mỏng SnO2/Pt phương pháp phúnxạ Bảng 3.1.Thống kê giá trị thời gian đáp ứng hồi phục cảm biến nano dây nano ZnO theo nồng độ NO2và điện áp đặt vào cảmbiến Bảng4.1.ThốngkêcácđiềukiệnchếtạomàngSnO2/Pttheotỷlệphúnxạ Ar – O2và điện trở tương ứng cảmbiến Bảng 4.2.Kích thước tinh thể SnO2tính cơng thức Scherrer theo tỷ lệ Ar – O2 Bảng 4.3.Kích thước tinh thể SnO2tính cơng thức Scherrer với tỷ lệ Ar – O2là 1:1 khảo sát theo chiều dày màng SnO2 11 15 24 30 53 62 76 102 105 107 DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 1.1.Cấu tạo chung cảm biến khí hoạt động dựa thay đổi độ dẫn vật liệu SMO Hình 1.2.Hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học bề mặt chất rắn Hình 1.3.Mơ hình đơn giản minh họa uốn cong vùng lượng trongchấtbándẫnsaukhihấpphụhóahọccácionơxytrêncácvịtríbề mặt vật liệu Hình 1.4.Sơ đồ chế nhạy khí cấu trúc nano SMO loại n đáp ứng khí khử Hình 1.5.Mơ hình hình thành rào biên biên trước sau có khí CO Hình 1.6Minh họa ba chế phụ thuộc độ dẫn vật liệu bán dẫn vào kích thước hạt Hình 1.7.Thống kê loại vật liệu SMO dùng cho cảm biến khí Hình 1.8.Ảnh SEM nano ZnO đế thủy tinh ảnh nano ZnO chọn hàn dây ngồi Hình 1.9.Ảnh SEM nano ZnO, nano ZnO chụp mặt cắt ngang đế thạch anh thảm ZnO dạng bề mặt đế Hình 1.10.Ảnh FESEM độ phóng đại 100k độ phóng đại 300k, giản đồ nhiễu xạ tia X đặc trưng nhạy khí H2ở nhiệt độ phịng màng mỏng SnO2 Hình 1.11.Ảnh SEM cấu trúc dây nano ZnO biến tính hạt Au bề mặt Hình 1.12.Hình minh họa chế nhạy điện tử chế nhạy hóa học Hình 1.13.Ảnh FE-SEM ảnh TEM cấu trúc lõi – vỏ lõi dây nano SnO2và ZnO tổng hợp phương pháp bốc bay nhiệt Hình 1.14.Cấu trúc rẽ nhánh vật liệu ZnO/SnO2 Hình 1.15.Mơ hình chế nhạy khí tiếp xúc dị thể hai bán dẫn loại n Hình 1.16.Mơ hình minh họa chế hình thành tiếp xúc Schottky dây nano n-SMO hạt kim loại xúc tác Hình 1.17.Mơ hình chế nhạy khí cảm biến Schottky Hình 1.18.Cấu tạo cảm biến khí truyền thống Hình 1.19.Mơ hình cảm biến nguyên lý hoạt động cảm biến ảnh thực tế cảm biến Hình 2.1.Mơ hình chíp cảm biến khí với điện cực kim loại Pt đế Si/SiO2cho cảm biến cấu trúc 1-D vật liệu ZnO cho cấu trúc rẽnhánh Hình 2.2.Mơ hình cảm biến chế tạo điện cực Pt đế SiO2/Si 10 14 17 20 21 22 23 26 27 30 32 34 35 37 38 40 41 43 44 47 49