Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ chế tạo lên tính nhạy khí của dây nano ZnO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KIỀU VĂN ĐÀM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LÊN TÍNH NHẠY KHÍ CỦA DÂY NANO ZnO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT HÀ NỘI, 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KIỀU VĂN ĐÀM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LÊN TÍNH NHẠY KHÍ CỦA DÂY NANO ZnO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHÂT Chuyên ngành: vật lí chất rắn Mã số: 60 44 01 04 Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thế Lâm HÀ NỘI, 2012 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ quý báu và tạo mọi điều kiện về vật chất và tinh thần của thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Thế Lâm. Tôi xin chân trọng gửi lời cảm ơn đến thầy đã tận tình hướng dẫn tôi nghiên cứu khoa học trong thời gian qua. Tôi xin cảm ơn các thầy cô trường sư phạm hà nội 2 đã xây dựng cho tôi con đường đến với nghiên cứu khoa học. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS TS. Nguyễn Văn Hiếu, TS. Nguyễn Đức hòa, các thầy cô, cán bộ nghiên cứu tại viện ITIMS và các thành viên trong nhóm Gas sensor đã tạo điều kiện giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong thời gian thực hiện luận văn này. Tôi xin cảm ơn các thành viên của tập thể lớp VLCR K14 khoá 2010- 2012 đã luôn động viên và giúp đỡ tôi trong thời gian học tập cũng như nghiên cứu vừa qua. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến những thành viên trong gia đình tôi, những người đã luôn hỗ trợ tôi trong quá trình phấn đấu học tập và công tác. Hà nội, ngày 10 tháng 11 năm 2012 Học viên Kiều Văn Đàm LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực, và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. . Hà nội, ngày 10 tháng 11 năm 2012 Tác giả luận văn Kiều Văn Đàm DANH MỤC CÁC BẢNG B ảng 2.1 Bảng nồng độ khí chuẩn (CO, NO 2 , H 2 S) tương ứng với các lưu lượng khí khác nhau. B ảng 2.2 Bảng nồng độ khí chuẩn (C 2 H 5 OH, H 2 , NH 3 ,) tương ứng với các lưu lượng khí khác nhau Bảng 3.1 Bảng tính độ nhạy từng kiểu liên kết dây DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Một số cấu trúc nano ZnO. (a) Thanh nano. (b) Dây nano. (c) Ống nano. (d) Đai nano. (e) Hình cánh quạt. (f) Dây nano xốp. (g) Dây nano dạng răng lược. (h) Dạng 4 chân. (i) Đĩa/vòng 6 cạnh. (j) Dạng xoắn. (k) Vòng xoắn ốc. (l) Dạng vỏ có bậc. (m) Dạng vòng kín. (n) Dạng cung. (o) Dạng lồng. (p) Xoắn lò xo Hình 1.2 Ảnh TEM của các cấu trúc nanowires theo mặt phẳng cắt Hình 1.3 Ảnh TEM của các nanowires dots Hình 1.4. Transistor và sơ đồ mạch khảo sát tính chất điện của dây nano Hình 1.5 Đặc trưng I-V của dây nano ZnO Hình 1.6 (a) Cấu trúc needle-like dây nano ZnO, (b) Đặc trưng I-V phát xạ trường Hình 1.7 Phổ quang phát xạ (PL) của đai nano ZnO với các chiều rộng là 6nm và 200 nm Hình 1.8 Ảnh TEM của một sợi nanobelt ZnO. (a) Trạng thái dừng. (b) Họa âm cộng hưởng đầu tiên theo hướng x (bề dày) ν x = 622 kHz. (c) Họa âm cộng hưởng đầu tiên theo hướng y (chiều rộng) ν y = 691 kHz. (d) Đỉnh cộng hưởng của một sợi đai nano ZnO Hình 1.9 Sự thay đổi điện trở màng cảm biến khi có khí khử Hình 1.10 Cấu trúc bề mặt của màng cảm biến bán dẫn Hình 1.11 Sự thay đổi độ cao rào thế khi có khí Hình 1.12 Mô hình ảnh hưởng của kích thước hạt Hình 1.13 Mô hình lớp nhạy khí của cảm biến dạng màng Hình 1.14 Sự phụ thuộc của độ nhạy theo nhiệt độ làm việc Hình 2.1 Sơ đồ hệ bốc bay nhiệt. Hình 2.2 (a) Mô hình cảm biến khí dây nano, (b) dụng cụ và (c, d) điện cực trong thí nghiệm. Hình 2.3 Vị trí đặt mẫu trong quá trình thí nghiệm Hình 2.4 Chu trình nhiệt độ chế tạo dây nano ZnO. Hình 2.5 Chu trình nhiệt độ chế tạo dây nano ZnO và Zn 2 SnO 4 trong các khoảng thời gian khác nhau Hình 2.6 Nhiễu xạ tia X bởi các mặt phẳng nguyên tử Hình 2.7 Cấu tạo của cảm biến Hình 2.8 Hệ Mask dùngchế tạo điện cực Hình 2.9 Sơ đồ hệ đo nhạy khí Hình 2.10 Buồng đo thực tế Hình 2.11 Giao diện phần mềm VEE pro đo sự thay đổi điện trở của cảm biến theo thời gian khi có khí thổi vào Hình 3.1 Ảnh SEM ZnO nanowires tổng hợp ở 950 o C mọc trong thời gian 30 phút Hình 3.2 Cơ chế hơi-lỏng-rắn (VLS) mọc dây nano Hình 3.3 Ảnh SEM dây nano ZnO và Zn 2 SnO 4 tổng hợp được ở 950 o C trong thời gian 30 phút, với nồng độ pha tạp khác nhau. (A) pha tạp 2% Sn, (B) pha tạp 5% Sn, (C) pha tạp 10% Sn. Hình 3.4 Ảnh SEM ZnO và Zn 2 SnO 4 dây nano tổng hợp được khi pha tạp 5% Sn ở 950 o C trong thời gian khác nhau. (A) 15 phút, (B) 30 phút, (C) 60 phút Hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X của dây nano ZnO mọc ở 950 o C Hình 3.6 Giản đồ nhiễu xạ tia X của ZnO và Zn 2 SnO 4 mọc ở 950 o C (Vật liệu nguồn gồm ZnO+graphit và Sn2%) Hình 3.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X của ZnO và Zn 2 SnO 4 mọc ở 950 o C (Vật liệu nguồn gồm ZnO+graphit và Sn 5%) Hình 3.8 Giản đồ nhiễu xạ tia X của ZnO và Zn 2 SnO 4 mọc ở 950 o C (Vật liệu nguồn gồm ZnO+graphit và Sn 10 %) Hình 3.9 Độ nhạy khí NO 2 theo các nồng độ và ở các nhiệt độ khác nhau của cảm biến ở vị trí 1 Hình 3.10 Độ nhạy khí NO 2 theo các nồng độ tại các nhiệt độ khác nhau của cảm biến ở vị trí 2 Hình 3.11 Độ nhạy khí NO 2 theo các nồng độ tại các nhiệt độ khác nhau của cảm biến ở vị trí 3 Hình 3.12 Độ nhạy khí NO 2 theo các nồng độ tại nhiệt độ 200 o C của cảm biến ở vị trí 1, 2, 3 Hình 3.13 Độ nhạy khí NO 2 theo các nồng độ tại các nhiệt độ khác nhau của cảm biến ở vị trí 1 Hình 3.14 Độ nhạy khí NO 2 theo các nồng độ tại các nhiệt độ khác nhau của cảm biến ở vị trí 2 Hình 3.15 Độ nhạy khí NO 2 theo các nồng độ tại các nhiệt độ khác nhau của cảm biến ở vị trí 3 Hình 3.16 Độ nhạy khí NO 2 của cảm biến khi pha tạp 5% Sn theo các nồng độ tại nhiệt độ 200 o C ở các nồng độ khác nhau. Hình 3.17 Độ nhạy khí NO 2 của cảm biến khi pha tạp 10% Sn tại nhiệt độ 200 o C và ở các nồng độ khác nhau. Hình 3.18 Độ nhạy khí NO 2 của cảm biến khi pha tạp 2%Sn tại nhiệt độ 200 o C và ở các nồng độ 10 ppm Hình 3.19 Độ nhạy khí NO 2 theo các nồng độ tại các nhiệt độ khác nhau của cảm biến khi pha tạp Hình 3.20 Độ nhạy khí NO 2 theo các nồng độ tại các nhiệt độ khác nhau của cảm biến mọc trong thời gian khác nhau Hình 3.21 các dạng liên lết dây nano có thể có Hình 3.22 kết quả đo chọ lọc các khí của các cảm biến. (1) cảm biến dây nano ZnO, (2) cảm biến dây nano ZnO pha tạp 2% Sn, (3) cảm biến dây nano ZnO pha tạp 5%Sn, (4)cảm biến dây nano ZnO pha tạp 10% Sn. MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài 2. Mục đích nghiên cứu 3. Nhiệm vụ nghiên cứu 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5. Phương pháp nghiên cứu 6. Đóng góp mới 7. Cấu trúc luận văn gồm NỘI DUNG Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 Công nghệ nano 1.2 Vật liệu ZnO kích thước nano 1.3 Cảm biến phân tích thành phần khí Chương 2. THỰC NGHIỆM 2.1 Tổng hợp cấu trúc dây nano ZnO và Zn 2 SnO 4 bằng phương pháp bốc bay nhiệt (CVD) 2.2 Các phương pháp phân tích và khảo sát cấu trúc 2.3 Chế tạo linh kiện cảm biến 2.4 Phương pháp khảo sát tính chất nhạy khí Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả khảo sát cấu trúc hình thái bề mặt (SEM) 3.2 Kết quả chụp X-Ray 3.3 Kết quả đo nhạy khí Chương 4. KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO [...]... nhạy khí của dây nano sẽ được nghiên cứu một cách có hệ thống Ảnh hưởng của các điều kiện công nghệ chế tạo lên tính nhạy khí cảm biến cũng được nghiên cứu Do đó tên đề tài tôi chọn là Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ chế tạo lên tính nhạy khí của dây nano ZnO ’’ 2 Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu tổng hợp dây nano ZnO và Zn2SnO4 bằng phương pháp bốc bay nhiệt - Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện chế. .. điều kiện chế tạo lên vi cấu trúc và tính chất của vật liệu - Khảo sát tính chất nhạy khí của vật liệu chế tạo được, trong đó tập chung nghiên cứu ảnh của nhiệt độ làm việc đến tính nhạy khí như độ hồi đáp, tính chọn lọc và độ ổn định của cảm biến 3 Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến cảm biến khí và vật liệu ZnO từ đó có cái nhìn tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu trong nước... liệu ZnO ở dạng đơn tinh thể Ngoài ra kích thước của dây nano có thể được điều khiển bằng cách thay đổi điều kiện chế tạo Vì vậy trong nghiên cứu này tôi quyết định sử dụng phương pháp bốc bay nhiệt để tổng hợp vật liệu ZnO cấu trúc dây nano Ngoài ra để tăng tính nhạy khí của cảm biến, các nghiên cứu sẽ tập trung chế tạo và pha tạp ZnO với Sn nhằm chế tạo các pha như Zn2SnO4 Vi cấu trúc và tính chấy nhạy. .. vật liệu ZnO và Zn2SnO4 có cấu trúc dây nano, từ đó hoàn thiện tối ưu hoá quy trình thực nghiệm để đưa ra được một quy trình chuẩn, có tính ổn định và lặp lại cao - Khảo sát các đặc trưng nhạy khí và so sánh tính chất nhạy khí của vật liệu chế tạo được 4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Vật liệu nano ZnO, Sn, Zn2SnO4 - Khảo sát tính chất nhạy khí của vật liệu chế tạo được với một số loại khí như CO,... việc nghiên cứu và giải thích thấu đáo các cơ chế mọc của từng dạng hình thái học là hết sức cần thiết.Có rất nhiều các tham số ảnh hưởng lên cấu trúc và dạng hình thái học của cấu trúc nano ZnO có một gia đình cấu trúc nano giàu có cả về hình dạng và tính chất Hình 1.1 là hình ảnh các hình thái khác nhau cấu trúc ZnO nano Hình 1.1 Một số cấu trúc nano ZnO (a) Thanh nano (b) Dây nano (c) Ống nano (d)... thước của hạt Phổ hấp thụ tia X và ảnh hiển vi điện tử quét chỉ ra sự tăng trạng thái bề mặt cùng với sự giảm kích thước của ống nano ZnO Thêm nữa, nồng độ hạt tải trong hệ một chiều có thể bị tác động rất lớn bởi trạng thái bề mặt, điều này được dự đoán từ các nghiên cứu về tính chất nhạy hóa học của dây nano ZnO 1.2.2.1 Tính chất điện Việc nghiên cứu tính chất điện của cấu trúc nano ZnO có tính quyết... sát tính chất điện của dây nano [9] Do khuyết tật tự nhiên như lỗ trống ôxi nên dây nano ZnO là một bán dẫn loại n Hình 1.5 cho thấy đặc trưng I-V của dây nano ZnO với các điện thế đặt vào khác nhau Hình 1.5 Đặc trưng I-V của dây nano ZnO [ 13] Cấu trúc nano ZnO được chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt là đơn tinh thể do vậy nó có tính chất điện tốt hơn màng mỏng đa tinh thể Ví dụ với màng mỏng ZnO. .. được nói đến nhiều hơn cả là nanotechnology nghĩa là công nghệ nano Vậy công nghệ nano là gì? Có thể nói rằng đến nay chưa có một định nghĩa chuẩn, do đó xảy ra tình trạng mỗi người nghĩ về công nghệ nano theo một vài khía cạnh riêng lẻ Thuật ngữ công nghệ nano do Taniguchi lấn đầu tiên đưa ra vào năm 1974, nói về một công nghệ có yêu cầu đặc biệt cao nhằm gia công chế tạo vật liệu chính xác từ 100µm... Các cơ chế nhạy khí của cảm biến phụ thuộc vào các trạng thái khác nhau đặc biệt là trạng thái bề mặt Trạng thái bề mặt được nghiên cứu thông qua tính dẫn điện, vi cấu trúc Nó phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ làm việc, chiều dày màng, tạp chất, kích thước hạt… Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính nhạy khí của cảm biến 1.3.4.1 ảnh hưởng của kích thước hạt Trong công nghệ chế tạo một cảm... tâm đến kích thước hạt của vật liệu được sử dụng Tuỳ thuộc vào loại vật liệu, công nghệ chế tạo mà kích thước hạt có thể khác nhau Khi vật liệu được nung thiêu kết sẽ tạo thành các hạt tinh thể Hình 1.12 Mô hình ảnh hưởng của kích thước hạt Ngoài ra kích thước hạt còn ảnh hưởng độ nhạy thông qua cơ chế khuếch tán Các nghiên cứu gần đây cho thấy ảnh hưởng của quá trình khuếch tán khí vào sâu trong lớp . đề tài tôi chọn là Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ chế tạo lên tính nhạy khí của dây nano ZnO ’’ 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu tổng hợp dây nano ZnO và Zn 2 SnO 4 bằng phương. nhạy khí của dây nano sẽ được nghiên cứu một cách có hệ thống. Ảnh hưởng của các điều kiện công nghệ chế tạo lên tính nhạy khí cảm biến cũng được nghiên cứu. Do đó tên đề tài tôi chọn là Nghiên. nhiệt. - Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện chế tạo lên vi cấu trúc và tính chất của vật liệu - Khảo sát tính chất nhạy khí của vật liệu chế tạo được, trong đó tập chung nghiên cứu ảnh của nhiệt