Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- NGUYỄN MẠNH HÙNGNGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHIẾU SÁNG UV ĐẾN TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ NO2 CỦA DÂY NANO ZnO VÀ SnO2 Trang 3 LỜI CẢM ƠNLời đầu tiên, tôi
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN MẠNH HÙNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHIẾU SÁNG UV ĐẾN TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ NO2 CỦA DÂY NANO ZnO VÀ SnO2 Chuyên ngành: Khoa học Kỹ thuật Vật liệu LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TS Nguyễn Văn Hiếu Hà Nội - Năm 2016 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17051113947371000000 i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới GS.TS Nguyễn Văn Hiếu, người trực tiếp hướng dẫn đưa định hướng giúp tơi hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô Bộ môn Nghiên cứu phát triển Ứng dụng cảm biến nano - Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (Itims) - Đại học Bách khoa Hà Nội: PGS.TS Nguyễn Đức Hoà, TS Đặng Thị Thanh Lê, TS Nguyễn Văn Duy, TS Nguyễn Văn Toán, TS Chử Mạnh Hưng; cán bộ, nhân viên Viện Itims anh, chị nghiên cứu sinh: Nguyễn Văn Tịng, Nguyễn Văn Hồng, Quản Thị Minh Nguyệt, Nguyễn Viết Chiến; bạn học viên cao học: Võ Thanh Được, Đinh Văn Thiên nhiệt tình giúp đỡ tơi q trình thực nghiên cứu; xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp Bộ môn Vật liệu & Công nghệ Vật liệu – Học viện Kỹ thuật Quân nơi công tác, tạo điều kiện động viên tơi hồn thành tốt nhiệm vụ học tập Cuối cùng, xin gửi tặng luận văn quà tới người thân gia đình, người chia sẻ thời gian mà đáng dành cho họ thực luận văn này./ Hà Nội, tháng năm 2016 Nguyễn Mạnh Hùng ii LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, thực hướng dẫn GS.TS Nguyễn Văn Hiếu Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác./ Tác giả Nguyễn Mạnh Hùng iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii MỞ ĐẦU ix CHƯƠNG – TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan số nghiên cứu ảnh hưởng UV đến khả làm việc cảm biến khí vấn đề nghiên cứu 1.2 Trạng thái số khí xạ UV 1.3 Các số giới hạn khí hố học sức khoẻ sống 11 1.4 Cơ chế tạo thành dây nano công nghệ mọc on-chip 12 1.4.1 Cơ chế - lỏng - rắn (VLS) 13 1.4.2 Cơ chế – rắn (VS) 14 CHƯƠNG – THỰC NGHIỆM 17 2.1 Tổng hợp dây nano SnO2 dây nano ZnO trực tiếp chip điện cực 17 2.1.1 Tổng hợp dây nano SnO2 17 2.1.2 Tổng hợp dây nano ZnO 18 2.2 Các kỹ thuật phân tích 19 CHƯƠNG – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 22 Ảnh hưởng xạ UV đến tính chất nhạy khí dây nano SnO2 22 3.1.1 Hình thái cấu trúc dây SnO 22 3.1.2 Ảnh hưởng cường độ xạ UV đến tính chất nhạy khí NO dây iv nano SnO2 24 3.1.3 Cơ chế nhạy khí NO2 dây SnO2 tác dụng xạ UV 27 3.1.4 Ảnh hưởng xạ UV đến tính chất nhạy khí dây nano SnO nhiệt độ khác 32 3.1.5 Hoạt động cảm biến chế độ chiếu UV xung 36 3.1.6 Khảo sát khả làm việc cảm biến với khí khử điều kiện chiếu UV nhiệt độ phòng 40 Ảnh hưởng xạ UV đến tính chất nhạy khí dây nano ZnO 41 3.2.1 Hình thái cấu trúc dây nano ZnO 41 3.2.2 Ảnh hưởng cường độ xạ UV đến tính chất nhạy khí NO dây nano ZnO nhiệt độ phòng 42 3.2.3 Ảnh hưởng cường độ xạ UV đến tính chất nhạy khí NO dây nano ZnO nhiệt độ cao 43 3.2.4 Tính ổn định tính chọn lọc 47 3.2.5 Giải thích chế nhạy khí dây ZnO xạ UV 48 3.2.6 So sánh chế đáp ứng cảm biến SnO2 ZnO 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Kí hiệu ACGIH Tiếng Anh Tiếng Việt American Conference of Governmental Hội nghị Vệ sinh Cơng nghiệp Industrial Hygienists Chính phủ Mỹ ALD Atomic Layer Deposition Lắng đọng lớp nguyên tử CVD Chemical Vapor Deposition Lắng đọng pha hoá học E des Desorption Energy Năng lượng cần thiết giải hấp phân tử khí khỏi bề mặt vật liệu EDS Energy Dispersive X-ray Spectroscopy Phổ X-ray tán sắc lượng IDLH Immediately Dangerous to Life and Giá trị nguy hại tức cho sức Health values khoẻ sống LPG Liquefied Petroleum Gas Khí dầu mỏ hoá lỏng NIOSH National Institute for Occupational Viện Quốc gia An toàn Sức Safety and Health khoẻ nghề nghiệp Mỹ Standard Cubic Centimeter per Minute Đơn vị đo lưu lượng cm 3/phút SCCM điều kiện nhiệt độ áp suất tiêu chuẩn 10 TLV- Threshold Limit Values (TLV) Short Giá trị giới hạn ngưỡng cho tiếp STEL term exposure limit xúc thời gian ngắn TLV- Threshold Limit Values (TLV) Time Giá trị giới hạn ngưỡng tính trung TWA weighted average bình ngày làm việc 12 UV Ultraviolet Tia cực tím 13 UV- Ultraviolet Light Emitting Diode Điơt phát tia cực tím 11 LED 14 VLS Vapor – Liquid – Solid Hơi – Lỏng – Rắn 15 VS Vapor – Solid Hơi – Rắn vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Khả chọn lọc vật liệu biến tính kết hợp UV Bảng 1.2 Giới hạn ngưỡng số loại khí 12 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Dây nano SnO2/ZnO mọc theo chế VLS [17] 14 Hình 1.2 Ảnh SEM dây In 2O (a) ảnh HRTEM giản đồ SAED 15 Hình Điện cực Pt tích hợp đế Si 17 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ CVD tổng hợp dây nano SnO2 ZnO 17 Hình 2.3 Quy trình gia nhiệt tổng hợp dây nano SnO 18 Hình 2.4 Quy trình gia nhiệt tổng hợp dây nano ZnO 19 Hình 2.5 Đèn UV trước (a) sau lắp màng chắn (b) 21 Hình 2.6 Thiết bị đo cường độ xạ UV 365 nm (a) buồng đo khí (b) 21 Hình 3.1 Ảnh FE-SEM dây nano SnO2 với độ phóng đại khác 22 Hình 3.2 Phổ EDS dây nano SnO2 tổng hợp 23 Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ dây SnO2 mọc trực tiếp đế Si 23 Hình 3.4 Độ đáp ứng dây nano SnO2 theo thời gian (a) 25 Hình 3.5 Ảnh hưởng cường độ UV đến độ đáp ứng dây nano SnO nhiệt độ phòng 26 Hình 3.6 Ảnh hưởng cường độ UV đến độ đáp ứng SnO 100 oC 26 Hình 3.7 So sánh độ đáp ứng dây SnO2 nhiệt độ phòng 100 oC 27 Hình 3.8 Ảnh hưởng cường độ UV đến điện trở cảm biến SnO 28 Hình 3.9 Đáp ứng cảm biến nhiệt độ phòng (a) 100 oC (b) 29 Hình 3.10 Đáp ứng cảm biến SnO2 theo xạ UV nhiệt độ phịng 30 Hình 3.11 Hình trích đáp ứng UV cảm biến SnO 31 Hình 3.12 Độ đáp ứng cảm biến nhiệt độ khác 33 Hình 3.13 So sánh độ đáp ứng cảm biến 34 Hình 3.14 Đáp ứng khí cảm biến nhiệt độ phòng 35 Hình 3.15 Độ đáp ứng cảm biến theo phương pháp chiếu UV khác 37 Hình 3.16 Sự thay đổi điện trở cảm biến theo nồng độ khí NO 38 Hình 3.17 Độ ổn định cảm biến làm việc chế độ chiếu UV xung 39 viii Hình 3.18 Đặc trưng I-V cảm biến điều kiện vận hành khác 39 Hình 3.19 Ảnh FE-SEM dây nano ZnO mọc điện cực lược (a) 41 Hình 3.20 Phổ EDS dây nano ZnO 41 Hình 3.21 Phổ XRD dây nano ZnO 42 Hình 3.22 Độ đáp ứng theo thời gian cảm biến ZnO (a) 43 Hình 3.23 So sánh độ đáp ứng cảm biến ZnO điều kiện khác (a) Độ đáp ứng theo thời gian cảm biến nhiệt độ khác (b-f) 44 Hình 3.24 Ảnh hưởng cường độ UV nhiệt độ (a) 150 oC, (b) 200oC, (c) 250oC, (d) 300 oC 45 Hình 3.25 Độ đáp ứng cảm biến điều kiện làm việc khác 46 Hình 3.26 Đáp ứng cảm biến với nồng độ NO khác (a) 47 Hình 3.27 Đặc trưng I-V cảm biến điều kiện làm việc khác 48 Hình 3.28 Đáp ứng khí cảm biến khơng chiếu UV nhiệt độ phịng 49 Hình 3.29 Sự thay đổi điện trở cảm biến chiếu UV lên bề mặt cảm biến 50 Hình 3.30 Sự thay đổi điện trở với cường độ UV khác 50 Hình 3.31 Đáp ứng xạ UV SnO ZnO 53