(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu tổng hợp vật liệu znfe2o4 zno cấu trúc nano ứng dụng làm lớp nhạy trong cảm biến khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TRẦN NGỌC TRUNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU ZnFe2O4/ZnO CẤU TRÚC NANO ỨNG DỤNG LÀM LỚP NHẠY h TRONG CẢM BIẾN KHÍ Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Người hướng dẫn: PGS TS NGUYỄN MINH VƯƠNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn PGS TS Nguyễn Minh Vương Q trình thí nghiệm thực Phịng thí nghiệm Vật lí Chất rắn, Khoa Khoa học Tự nhiên Trường Đại Học Quy Nhơn Các số liệu kết nghiên cứu nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Bình Định, ngày … tháng … năm 2020 Tác giả luận văn h Trần Ngọc Trung LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin dành lời cảm ơn sâu sắc gửi đến PGS.TS Nguyễn Minh Vương – người Thầy trực tiếp hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi tốt cho tơi q trình học tập thực luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô mơn Vật lí chất rắn, Khoa Khoa học Tự nhiên – Trường Đại học Quy Nhơn quý thầy giáo sư, phó giáo sư, tiến sĩ thỉnh giảng ngồi nước tận tình hướng dẫn, giúp hiểu biết thêm nhiều kiến thức chuyên ngành suốt trình học tập nghiên cứu Xin cảm ơn tập thể lớp VLCR K21 khóa 2018- 2020, nơi tạo nguồn động viên to lớn để tơi hồn thành khóa học h Bên cạnh tơi xin cảm ơn đến Ban Giám hiệu quý thầy Tổ Vật Lí – Cơng nghệ trường THPT Nguyễn Tất Thành tạo điều kiện tốt cho tơi q trình học tập Cuối cùng, tơi xin dành tình cảm đặc biệt đến thành viên gia đình, đặc biệt người vợ tơi Họ người ln động viên, giúp tơi có động lực hồn thành luận văn này! Bình Định, ngày tháng năm 2020 Tác giả luận văn Trần Ngọc Trung MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài… Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu h Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc luận văn .4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN KHÍ 1.1.1 Cảm biến 1.1.2 Cảm biến khí 1.2 CẢM BIẾN KHÍ DẠNG TRỞ HĨA DỰA TRÊN VẬT LIỆU SMOs 1.2.1 Vật liêụ SMOs cảm biến khí dạng trở hóa 1.2.2 Cấu trúc cảm biến khí dạng trở hóa 1.2.3 Các thông số đặc trưng cảm biến khí 11 1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc cảm biến 15 1.3 CƠ CHẾ NHẠY KHÍ CỦA CẢM BIẾN TRỞ HÓA DỰA TRÊN VẬT LIỆU SMOs 19 1.3.1 Một số khái niệm liên quan đến hấp phụ 19 1.3.2 Hấp phụ oxy bề mặt chất bán dẫn oxit kim loại chế nhạy khí 21 1.4 HAI PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ CỦA CẢM BIẾN 24 1.4.1 Phương pháp đo tĩnh 25 1.4.2 Phương pháp đo động 26 1.5 HỢP CHẤT HỮU CƠ DỄ BAY HƠI (VOCs) 29 1.5.1 Hợp chất hữu dễ bay (VOCs) 29 1.5.2 Một số hợp chất hữu dễ bay tồn phổ biến môi h trường 30 1.6 VẬT LIỆU ZnO VÀ VAI TRÒ CỦA HẠT NANO ZnFe2O4 ZnO 32 1.6.1 Cấu trúc tính chất vật liệu ZnO 32 1.6.2 Vật liệu ZnFe2O4 vai trò hạt nano ZnFe2O4 bề mặt ZnO 36 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU 39 2.1 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU 39 2.1.1 Hóa chất dụng cụ chế tạo mẫu 39 2.1.2 Biến tính bề mặt hạt nano ZnO hạt ZnFe2O4 41 2.1.3 Chuẩn bị cảm biến ZnFe2O4/ZnO 42 2.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU 42 2.2.1 Phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) 42 2.2.2 Phổ hấp thụ UV – Vis 44 2.2.3 Chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) 45 2.2.4 Hệ khảo sát tính chất nhạy VOCs 45 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 49 3.1.KẾT QUẢ KHẢO SÁT HÌNH THÁI VÀ CẤU TRÚC VẬT LIỆU 49 3.1.1 Kết đo nhiễu xạ tia X (XRD) 49 3.1.2 Kết đo phổ hấp thụ UV– Vis 50 3.1.3 Kết đo SEM 51 3.2 KẾT QUẢ ĐO NHẠY HƠI VOCs 54 3.2.1 Ảnh hưởng nhiệt độ làm việc lên tính chất hồi đáp ethanol h cảm biến ZnO ZnFe2O4/ZnO 54 3.2.2 Tính chất hồi đáp xạ UV-254nm cảm biến ZnO ZnFe2O4/ZnO 57 3.2.3 Ảnh hưởng xạ UV-254nm lên tính chất hồi đáp ethanol cảm biến ZnO ZnFe2O4/ZnO 60 3.2.4 Tính chất hồi đáp cảm biến ZnFe2O4/ZnO hợp chất dễ bay khác chiếu xạ UV-254nm 65 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (Bản sao) DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Tên đầy đủ Viết tắt SMOs Semiconductor metal oxides Nghĩa tiếng Việt Oxit kim loại bán dẫn 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 Ra Air resistance Điện trở đo khơng khí Rg Gas resistance Điện trở đo khí đích Ra/ Rg Repsponse Độ hồi đáp/Độ đáp ứng ppb Parts per billion Một phần tỷ ppm Parts per million Một phần triệu MFC Mass Flow Controllers Bộ điều khiển lưu lượng khí EDX Energy Dispersive X-ray Spectroscopy Phổ nhiễu xạ điện tử tia X h XRD DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Độ rộng vùng cấm số loại vật liệu bán dẫn[22] Bảng 1.2 Độ nhạy ZnO, Fe2O3, ZnFe2O4 với ethanol acetone[6] Bảng 1.3 Đặc tính cảm biến khí WO3 đến 160 ppb NO2 chiếu ánh sáng có bước sóng khác nhau[25] 17 Bảng 2.1 Tỉ lệ mol 02 tiền chất kẽm acetate sắt nitrate thực nghiệm 42 h DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ mô tả khái niệm cảm biến, tín hiệu cần đo qua cảm biến biến thành tín hiệu điện[18] Hình 1.2 Mơ hình tổng qt cảm biến khí (R điện trở, E lực điện tử, I dòng điện, C điện dung V điện thế)[19] Hình 1.3 Lịch sử phát triển ứng dụng cảm biến khí điện trở[20] Hình 1.4 Cấu trúc cảm biến khí điện trở[23] 10 Hình 1.5 Cấu trúc thiết bị sử dụng cảm biến khí điện trở thực tế[24] 11 Hình 1.6 Đặc trưng hồi đáp khí cảm biến kiểu điện trở 12 Hình 1.7 Các q trình tương tác oxít kim loại khí vùng h nhiệt độ hoạt động khác nhau[22] 16 Hình 1.8 Mơ hình sơ đồ tác động kích thước tinh thể độ nhạy cảm biến khí oxit kim loại: (a) D ≫ 2L; (b) D ≥ 2L, (c) D < 2L[20] 18 Hình 1.9 Hiện tượng hấp phụ bề mặt vật rắn với định nghĩa thuật ngữ hấp phụ: Hấp phụ/adsorption; Giải hấp phụ/desorption; bề mặt/surface; Chất hấp phụ/adsorbent; Giải hấp phụ/desorption[18] 21 Hình 1.10 Cấu tạo buồng đo khí cho phương pháp đo động[18] 27 Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lí hệ trộn khí: (a) trộn lần (b) trộn hai lần[19] 29 Hình 1.12 Cấu trúc dạng Wurtzite ZnO[27] 33 Hình 1.13 a) Cấu trúc mạng tinh thể kiểu NaCl; b) Cấu trúc mạng lập phương kiểu giả kẽm[27] 34 Hình 1.14 Cấu trúc đối xứng vùng lượng lý thuyết (a) thực nghiệm (b) 35 Hình 1.15 Sơ đồ minh họa hình thành cấu trúc dị thể ZnO/ZnFe2O4 sử dụng phương pháp hai bước dễ dàng[14] 38 Hình 1.16 Sự phụ thuộc độ đáp ứng vào nhiệt độ cấu trúc ZnO, ZnFe2O4 vật liệu tổng hợp ZnO/ZnFe2O4[14] 38 Hình 2.1 Micropipet 40 Hình 2.2 Cân phân tích máy khuấy từ 40 Hình 2.3 Lị nung tủ sấy 40 h Hình 2.4 Máy rung siêu âm 41 Hình 2.5 Sơ đồ mơ tả quy trình chế tạo cấu trúc nano ZnFe2O4/ZnO 42 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lí nhiễu xạ tia X 43 Hình 2.7 Sơ đồ khối thiết bị nhiễu xạ tia X[30] 44 Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lí kính hiển vi điện tử quét (SEM) 45 Hình 2.9 Sơ đồ hệ đo tính chất điện tính chất nhạy khí 46 Hình 2.10 Hệ đo tính chất nhạy VOCs cảm biến đặt Phịng thí nghiệm Vật Lí Chất rắn, Khoa Khoa học Tự nhiên - Trường Đại học Quy Nhơn 46 Hình 2.11 Hệ Keithley 2610B phần mềm tương ứng hình máy vi tính 48