a Tính chất I-V của các linh kiện cảm biến dạng trở hoá sử dụng các vật liệu đã chế tạo làm lớp nhạy trên 2 điện cực vàng Au tại nhiệt độ phòng trong môi trường khí khô.. Từ những thập n
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TRƯƠNG QUỲNH NHƯ CHẾ TẠO VẬT LIỆU THANH NANO ZnO TRÊN NỀN VẬT LIỆU TiN ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN KHÍ Ở NHIỆT ĐỘ THẤP Ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Người hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN MINH VƯƠNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Minh Vương Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong đề án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kì một công trình nào khác Bình Định, ngày 20 tháng 10 năm 2023 Tác giả đề án Trương Quỳnh Như LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Minh Vương - người thầy nhiệt huyết với công việc, luôn hết lòng giúp đỡ, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất từ vật chất tới tinh thần để tôi thực hiện đề án tốt nghiệp thông qua việc truyền dạy kiến thức và kinh nghiệm bổ ích trong nghiên cứu khoa học Đó là cơ sở giúp tôi hoàn thành đề án này Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Quy Nhơn đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất, xây dựng kiến thức Quý thầy cô giáo khoa Khoa học tự nhiên trường Đại học Quy Nhơn, các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ trong và ngoài nước tham gia giảng dạy và hướng tôi đến với con đường nghiên cứu khoa học Bên cạnh đó là sự cảm ơn đến tập thể lớp VLCR K24B khóa 2021- 2023, đó là nguồn động viên to lớn để tôi hoàn thành khóa học Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến những thành viên trong gia đình, các bạn bè và đồng nghiệp luôn động viên và tạo điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện đề án tốt nghiệp này! Bình Định, ngày 20 tháng 10 năm 2023 Học viên Trương Quỳnh Như MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài 2 3 Mục đích nghiên cứu 4 4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .4 5 Phương pháp nghiên cứu .4 6 Bố cục của đề án 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .6 1.1 Tổng quan về cảm biến khí (Gas sensor) 6 1.1.1 Phân loại cảm biến 6 1.1.2 Các đặc trưng cơ bản của cảm biến 8 1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm việc của cảm biến khí 14 1.1.4 Các phương pháp xác định thông số của cảm biến khí 17 1.2 Tổng quan về vật liệu ZnO .19 1.2.1 Cấu trúc tinh thể của vật liệu 19 1.2.2 Tính chất của vật liệu 21 1.2.3 Một số ứng dụng của vật liệu ZnO 22 1.2.4 Cảm biến khí dựa trên vật liệu nano ZnO 23 1.3 Hiệu ứng quang nhiệt plasmoni của vật liệu TiN 24 1.3.1 Tổng quan vật liệu TiN 24 1.3.2 Hiện tượng cộng hưởng Plasmon 29 1.3.3 Đặc tính quang nhiệt plasmonic của vật liệu TiN 31 CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU 33 2.1 Thực nghiệm chế tạo mẫu .33 2.1.1 Hóa chất và dụng cụ chế tạo mẫu 33 2.1.2 Thực nghiệm chế tạo mẫu .37 1.2 Một số phương pháp khảo sát mẫu 39 1.2.1 Phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) 39 1.2.2 Chụp ảnh hiển vị điện tử quét (SEM) 41 1.2.3 Phép đo tính chất điện và tính chất nhạy khí 42 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47 3.1 Kết quả hình thái, cấu trúc và tính chất quang của vật liệu 47 3.1.1 Kết quả đo SEM 47 3.1.2 Kết quả đo XRD 51 3.1.3 Kết quả đo phổ hấp thụ UV-Vis 52 3.2 Kết quả đo tính chất điện 53 3.3 Kết quả đo tính chất hồi đáp quang 55 3.4 Kết quả đo tính chất hồi đáp ethanol dưới sự chiếu bức xạ 365 nm 58 KẾT LUẬN .62 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 QUYẾT ĐỊNH GIAO TÊN ĐỀ TÀI (BẢN SAO) DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Viết tắt Tên đầy đủ Nghĩa tiếng Việt 1 XRD X-ray Difraction Nhiễu xạ tia X 2 SEM Scanning Electron Kính hiển vi điện Microscope tử quét 3 UV-Vis Ultraviolet-Visible Tử ngoại – khả kiến 4 VOCs Volatile Organic Hợp chất hữu cơ Compounds dễ bay hơi 5 MFC Mass Flow Controllers Bộ điều khiển lưu lượng khí 6 Ri / Rf Response Độ hồi đáp hơi 7 Ppm Parts per million Một phần triệu 8 TiN Titanium nitride Titan nitrua 9 SPR Surface Plasmon Reso- Hiện tượng cộng nance hưởng plasmon bề mặt 10 SP Surface Plasmo Plasmon bề mặt 11 LSPR Localized Surface Plasmon Plasmon bề mặt Resonance định xứ 12 SPP Surface Plasmon Propagat- Plasmon bề mặt ing truyền DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích 6 Bảng 1.2 Theo môi trường 7 Bảng 1.3 Theo dạng kích thích 7 Bàng 1.4 Theo tính năng của bộ cảm biến 8 Bảng 1.5 Theo phạm vị sử dụng 8 Bảng 1.6 Hiệu suất cảm biến khí của một số cấu trúc dưới sự chiếu xạ UV 16 Bảng 1.7 Một số thông số về tính chất vật lí của TiN 26 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô hình tổng quát của cảm biến khí (R là điện trở, E lực điện tử, I là dòng điện, C là điện dung và V là điện thế)[19] .6 Hình 1.2 Đường cong chuẩn cảm biến[20] 9 Hình 1.3 Đặc trưng hồi đáp khí của cảm biến kiểu điện trở[19] .12 Hình 1.4(a)Cấu trúc mạng tinh thể lập phương kiểu NaCl; (b)Cấu trúc mạng tinh thể kiểu lập phương giả kẽm; (c)Cấu trúc lục giác Wurzite của tinh thể ZnO [22] 20 Hình 1.5 Ảnh SEM của cấu trúc ZnO thanh nano (a,b), dây nano (c,d), hạt nano (e,f)[23] 21 Hình 1.6 Vị trí bát diện giữa các lớp của cấu trúc xếp chặt [32] .25 Hình 1.7 Cấu trúc mạng tinh thể TiN [32] .26 Hình 1.8 Màu sắc vật liệu TiN ở dạng khối (a) và dạng nano (b) 27 Hình 1.9 Dụng cụ công nghiệp phủ TiN 28 Hình 1.10 Thiết bị cấy ghép phủ TiN để (a) thay thế toàn bộ đầu gối, (b) thay thế một phần đầu gối, (c) tái tạo bề mặt hông, (d) thay thế vai và (e) khớp háng di động kép [36] 29 Hình 1.11 Sơ đồ của các SP (A) SPP được tạo ra tại mặt phân cách kim loại- điện môi; (B) LSPR tạo ra trên các hạt nano kim loại; (C) sự phân hủy SP theo ba cách khác nhau (electron-photon, electron-electron và electron-phonon) tạo ra hiện tượng nóng cục bộ [40] 30 Hình 1.12 So sánh TiN với một số kim loại Plasmonic và kim loại chịu nhiệt [41] 32 Hình 2.1 Zinc acetatedihydrate và DMF 33 Hình 2.2 Hóa chất PVP và cồn tuyệt đối 34 Hình 2.3 Hóa chất Titanium nitride (TiN) và Hexamethylenetetramine (HMTA) (C2H12N4, 99%) .34 Hình 2.4 Hình ảnh mô phỏng (a) và hình ảnh thực tế (b) của đế Al2O3 tích hợp điện cực Au 35 Hình 2.5 Cân phân tích (trái) và máy khuấy từ (phải) .35 Hình 2.6 Máy rung siêu âm (trái) và tủ sấy (phải) 36 Hình 2.7 Hộp đựng mẫu 36 Hình 2.8 Lò nung đặt trong phòng thí nghiệm Vật lý Chất rắn, trường Đại học Quy Nhơn 36 Hình 2.9 Hệ quay phủ (spin – coating) 37 Hình 2.10 Quy trình chế tạo thanh nano ZnO trên nền TiN trên đế cảm biến/đế glass .37 Hình 2.11 Các mẫu phủ vật liệu TiN lên đế cảm biến .38 Hình 2.12 Các mẫu phủ vật liệu TiN lên đế glass 39 Hình 2 13 Chùm tia x tán xạ trên các mặt mạng, một số tia thỏa mãn định luật phản xạ gây ra sự nhiễu xạ .40 Hình 2.14 Sơ đồ cấu tạo của hệ đo nhiễu xạ tia X 41 Hình 2.15 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của SEM [35] 41 Hình 2.16 Sơ đồ hệ đo tính chất điện và tính chất nhạy khí của vật liệu .42 Hình 2.17 Hệ đo tính chất điện và tính chất nhạy khí của vật liệu khi đặt tại phòng Vật lý Chất rắn - Đại học Quy Nhơn .43 Hình 2.18 Hệ Keithley 2601B (trái) và phần mềm tương ứng (phải) sử dụng khảo sát tính chất nhạy khí của cảm biến 44 Hình 3.1 Ảnh SEM của mẫu bột thương mại TiN với độ phóng đại 40.000 (a), 80.000 (b) và của hạt nano ZnO/TiN trên đế cảm biến với độ phóng đại 50.000 (c) .47 Hình 3.2 Ảnh SEM của vật liệu thanh nano ZnO mọc thuỷ nhiệt trên đế cảm biến với độ phóng đại 5.000 (a) và 80.000 (b) 48 Hình 3.3 Ảnh SEM của vật liệu thanh nano ZnO/TiN-0,025 (a), ZnO/TiN-0,05 (b), ZnO/TiN-0,1 (c) và ZnO/TiN-0,2 (d) trên đế cảm biến với độ phóng đại 5.000 49 Hình 3.4 Ảnh SEM độ phóng đại cao của vật liệu thanh nano ZnO/TiN-0,025 (a), ZnO/TiN-0,05 (b), ZnO/TiN-0,1 (c) và ZnO/TiN-0,2 trên đế cảm biến .50 Hình 3.5 Ảnh quang học của các mẫu ZnO, ZnO/TiN-0,025 (a), ZnO/TiN-0,05 (b), ZnO/TiN-0,1 (c) và ZnO/TiN-0,2 50 Hình 3.6 Giản đồ XRD của cấu trúc ZnO, ZnO/TiN-0,05, ZnO/TiN-0,1 và ZnO/TiN-0,2 trên đế thuỷ tinh Giản đồ nhiễu xạ XRD của mẫu bộ TiN cũng được đo để so sánh 52 Hình 3.7 Phổ hấp thụ UV-Vis của cấu trúc ZnO, ZnO/TiN-0,025, ZnO/TiN- 0,05, ZnO/TiN-0,1 và ZnO/TiN-0,2 53 Hình 3.8 (a) Tính chất I-V của các linh kiện cảm biến dạng trở hoá sử dụng các vật liệu đã chế tạo làm lớp nhạy trên 2 điện cực vàng (Au) tại nhiệt độ phòng trong môi trường khí khô (b) Sự phụ thuộc điện trở của lớp vật liệu nhạy theo hàm lượng TiN thay đổi trên nền mầm hạt nano ZnO .54 Hình 3.9 Tính chất hồi đáp quang kiểu điện trở đối với bức xạ UV – 365nm cuả cảm biến cấu trúc nano ZnO/TiN-0,2 trong môi trường khí khô tại nhiệt độ phòng .55 Hình 3.10 Tính chất hồi đáp quang đối với bức xạ 365nm cuả cảm biến cấu trúc nao ZnO (a), ZnO/TiN-0,05 (b), ZnO/TiN-0,1(c) và ZnO/TiN-0,2(d) 56 Hình 3.11 Tính chất hồi đáp quang đối với ánh sáng của LED trắng của các cảm biến cấu trúc nano ZnO (a), ZnO/TiN-0,05 (b), ZnO/TiN-0,1(c) và ZnO/TiN-0,2(d) .57 Hình 3.12 Tính chất hồi đáp quang đối với bức xạ màu Blue, Green và Yellow của cảm biến cấu trúc nano ZnO (a, c, e), và ZnO/TiN-0,05 (b, d, f) 58 Hình 3.13 Tính chất hồi đáp hơi ethanol (0,47%) của cấu trúc ZnO/TiN-0,05 tại nhiệt độ phòng .60 Hình 3.14 Tính chất hồi đáp hơi ethanol (0,47%) của cấu trúc ZnO/TiN-0,05 tại nhiệt độ 100 C (a), 120 C (b), 150 C (c), 180 C (d) 61