Nghiên cứu chế tạo zno dạng thanh nano ứng dụng cho cảm biến nhạy khí kiểu sóng âm bề mặt (LV0750)

1 LỜI CẢM ƠN Qua trình nghiên cứu Viện đào tạo quốc tế khoa học vật liệu (ITIMS), trường Đại học Bách khoa Hà Nội, hoàn thành luận văn Trước hết, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Hoàng Sỹ Hồng, thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ cho suốt thời gian làm việc Viện ITIMS Cảm ơn PGS TS Nguyễn Văn Hiếu toàn thể anh chị nhóm Gas Sensor tạo điều kiện, hướng dẫn, giúp đỡ, bảo cho kinh nghiệm quý báu suốt thời gian làm việc Cảm ơn TS Nguyễn Thế Lâm thầy cô giáo trường ĐH Sư phạm Hà Nội trang bị cho kiến thức hướng đến với đường nghiên cứu khoa học Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu trường THPT Phạm Công Bình - Yên Lạc - Vĩnh Phúc tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian vừa qua Cuối xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân bạn bè tôi, người động viên, giúp đỡ nhiều thời gian qua Học viên Nguyễn Mạnh Linh “Nghiên cứu chế tạo ZnO dạng nano ứng dụng cho cảm biến nhạy khí kiểu sóng âm bề mặt” Luận văn thạc sĩ Nguyễn Mạnh Linh - Itims 2012 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực không trùng lặp với đề tài khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thông tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Nếu có sai sót xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Tác giả (ký, ghi rõ gọ tên) Nguyễn Mạnh Linh MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu ZnO cấu trúc nano 1.2 Một số tính chất vật lý vật liệu ZnO 12 có cấu trúc nano 1.2.1 Tính chất 12 1.2.2 Tính chất điện 13 1.2.3 Hiệu ứng áp điện phân cực bề mặt 17 1.2.4 Tính chất quang 19 1.2.5 Sensor hóa 23 1.2.6 Pha tạp từ tính 24 1.3 Các phương pháp tổng hợp ZnO cấu trúc nano 25 1.3.1 Tổng hợp phương pháp vận chuyển từ pha 25 1.3.2 Phương pháp dung dịch tổng hợp nano 30 1.3.3 Tạo màng phương pháp sol-gel 34 1.3.4 Các phương pháp tổng hợp khác 37 1.4 Cảm biến khí sở vật liệu ZnO 37 1.4.1 Các thông số đặc trưng cảm biến khí 39 1.4.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến tính nhạy khí 40 vật liệu oxit bán dẫn 1.4.3 Cảm biến hóa học SAW sở vật liệu 42 ZnO với AlN/Si CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 2.1 Phương pháp tổng hợp vật liệu nano ZnO 47 47 2.1.1 Thiết bị hóa chất 47 2.1.2 Tạo mầm ZnO đế AlN/ Si 47 2.1.3 Mọc nano ZnO (ZnO nanorods) 51 2.2 Chế tạo cảm biến SAW 51 2.3 Khảo sát tính nhạy khí SAW 53 CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết chế tạo khảo sát vi cấu trúc 55 55 vật liệu 3.1.1 Mầm tinh thể ZnO đế Si/ AlN 55 3.1.2 Ảnh hưởng việc pha tạp Ga tới kích 57 thước hạt mầm kích thước nano ZnO 3.1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến kích thước hạt mầm kích thước nano ZnO 3.2 Kết chế tạo cảm biến tính chất nhạy 61 66 khí vật liệu 3.2.1 Cấu trúc nano ZnO mọc trực tiếp lên 66 điện cực 3.2.2 Kết nhạy khí vật liệu nano ZnO mọc điện cực KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 71 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 1D: Một chiều AAO: Màng cực dương oxit nhôm AFM: Kính hiển vi lực nguyên tử CBE: Epitaxy chùm hóa học CTAB: Cetyltrimetylamoni bromua FESEM: Kính hiển vi điện tử quét hiệu ứng trường FET: Transitor hiệu ứng trường HĐBM: Hoạt động bề mặt LED: Điot phát quang SLS: Rắn – Lỏng – Rắn TEM: Kính hiển vi điện tử truyền qua UV: Tia cực tím VLS: Hơi – Lỏng – Rắn VS: Hơi – Rắn XRD: Nhiễu xạ tia X MỞ ĐẦU Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ xã hội, trình đô thị hoá mức, nghành công nghiệp không ngừng phát triển Vấn đề ô nhiễm môi trường trở thành vấn đề toàn cầu, có ô nhiễm môi trường không khí Nồng độ loại khí độc hại không khí CO, CO2, NOx, SO2, NH3 vượt nhiều so với tiêu chuẩn cho phép Ngoài ra, trình công nghiệp hóa sản xuất nông nghiệp đặc biệt quan tâm,bên cạnh phát triển nghành công nghiệp công nghiệp thực phẩm, công nghệ sinh học, công nghệ chế biến…đòi hỏi phải xác định độ ẩm tương đối trình sản xuất bảo quản sản phẩm Việc phát hiện, đo đạc, đánh giá thông số độ ẩm tương đối, mức độ ô nhiễm cách có hệ thống yêu cầu quan trọng bách Từ thúc đẩy đời phát triển cảm hóa học.Cảm biến hóa học có vai trò vô quan trọng tất lĩnh vực: y tế, sản xuất công nghiệp, xử lý môi trường, an toàn Gần đây, cảm biến hóa học kiểu sóng âm bề mặt (SAW) nghiên cưú số lợi tích cực độ nhạy cao, kích thước nhỏ, độ tin cậy cao Trong số nhiều yếu tố, vật liệu phủ nhạy đóng vai trò quan trọng việc cải thiện thuộc tính cuả SAW Có nhiều loại vật liệu nghiên cứu ứng dụng chế tạo cảm biến Trong đó, Oxyt kẽm (ZnO) loại vật liệu ôxit phát sớm ứng dụng rộng rãi Nó nhạy với nhiều loại khí có độ bền, tính ổn định đáp ứng với yêu cầu sử dụng ZnO vật liệu bán dẫn có vùng cấm rộng (3.37 eV nhiệt độ phòng), lượng liên kết exciton lớn (60 meV), hấp thụ quang cao, có đặc tính phát quang áp điện tốt Đối với chất áp điện, màng AlN chứng minh mang lại lợi ích tích cực cho ứng dụng SAW vận tốc sóng âm bề mặt cao, chịu nhiệt độ cao (600oC– 900oC), ổn định hóa học áp điện tốt Hơn nữa, màng mỏng AlN phù hợp cho lý thuyết lắng đọng liên quan đến xử lý nhiệt sol-gel, ổn định tính chất SAW màng mỏng nhiệt độ ủ 600oC [1] Ngoài ra, so sánh hệ số nhiệt độ tần số (TCF) số lượng lớn chất truyền thống LiNbO3 LiTaO3 (trên 40 ppm / o C), AlN / Si (30 ppm / oC) nhỏ đáng kể, làm giảm ảnh hưởng nhiệt độ bên Hơn nữa, số lượng lớn chất truyền thống nói khó để tích hợp vào trình chế tạo thiết bị silicon Việc sử dụng AlN / Si giảm khuyết tật màng mỏng trình chế tạo Ngoài ra, Màng ZnO dễ dàng chế tạo phương pháp truyền thống sol-gel phún xạ Măt khác, việc xử lí ZnO phương pháp sol-gen có nhiệt nung cao (400oC- 700oC) nên đế điện áp khác dễ thay đổi tính chất vỡ Vì vậy, việc áp dụng màng mỏng tinh thể nano ZnO cảm biến SAW với AlN /Si khả thi Do vậy, chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo ZnO dạng nano ứng dụng cho cảm biến nhạy khí kiểu sóng âm bề mặt” Bản luận văn bao gồm chương : Chương 1: Tổng quan Giới thiệu vật liệu ZnO có cấu trúc nano phương pháp nghiên cứu, tổng hợp vật liệu Chương 2: Thực nghiệm Phương pháp tổng hợp vật liệu: tạo mầm mọc nano ZnO đế AlN/ Si Trình bày kỹ thuật phân tích cấu trúc khảo sát đặc trưng nhạy khí Chương 3: Kết thảo luận Trình bày kết khảo sát cấu trúc hình thái bề mặt (XRD, SEM) kết đo nhạy khí thảo luận, phân tích, đánh giá CHƯƠNG - TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu ZnO cấu trúc nano Bán dẫn ZnO vật liệu thuộc nhóm AIIBVI có cấu trúc lục giác xếp chặt (wurtzite) Khi pha tạp kim loại chuyển tiếp, nguyên tử tạp chất thay vị trí nguyên tử Zn ô mạng tinh thể Cũng bán dẫn AIIBVI có cấu trúc phức tạp, ZnO tồn cấu trúc khác nhau: cấu trúc lập phương giả kẽm T = 1114oC cấu trúc lập phương kiểu NaCl áp suất cỡ 8,57Gpa vùng cấm thẳng (Eg = ~3,37 eV nhiệt độ phòng) Nó có đặc tính lạ ứng dụng việc chế tạo linh kiện dẫn điện suốt, phát xạ tia cực tím (UV), linh kiện áp điện, cảm biến điện tử spin Một đặc tính quan trọng ZnO có lượng liên kết exciton lớn (60 meV), lớn vật liệu bán dẫn thông thường khác sử dụng linh kiện phát quang màu xanh lục, chẳng hạn ZnSe (22 meV) GaN (25 meV) Các cải tiến gần việc điều khiển độ dẫn ZnO khả pha tạp loại p khiến vật liệu trở nên có nhiều triển vọng ứng dụng phát xạ UV, dẫn điện suốt, varistors, linh kiện sóng âm bề mặt (SAW) loại cảm biến khí Một số ứng dụng quang điện tử ZnO so sánh với GaN Tuy nhiên, ZnO có số ưu điểm so với GaN, bán dẫn vùng cấm rộng Eg = 3,4 eV 300 K, sử dụng để tạo linh kiện phát quang màu xanh lục, blue-ultraviolet ánh sáng trắng, điển hình khả tạo ZnO dạng khối có tính tinh thể chất lượng cao Các kỹ thuật mọc đơn tinh thể sử dụng vật liệu đơn giản, nên tiềm chế tạo linh kiện giá rẻ lớn ZnO bán dẫn loại n màng mỏng ZnO suốt vùng ánh sáng nhìn thấy giống oxít indium oxít thiếc ZnO sử dụng phổ biến việc chế tạo laser điôt màu xanh điện cực 10 tế bào pin mặt trời hình phẳng ZnO vật liệu bền với nhiệt độ nóng chảy cao (T = 2300 K) có khả chịu dòng điện lớn mà không bị đánh thủng Điều này, với đặc tính phi tuyến dòng - áp lớn ZnO đa tinh thể, lý để trở thành vật liệu chế tạo varistor phổ biến (Varistor loại gốm điện tử có nhiều ứng dụng lĩnh vực điện, điện tử) Các thong số vật lí vật liệu ZnO thống kê bảng 1.1 Bảng 1.1 Một số thông số vật lí hợp chất ZnO ZnO Bán dẫn vùng cấm thẳng Thể tích ô sở 47,62A03 Độ rộng vùng cấm Eg 3,37eV Độ linh động 200cm2 /vs Hằng số điện môi tương đối 9,0 Khối lượng phân tử 81,39 Khối lượng riêng 5,67526g/cm3 Thăng hoa nhiệt độ 1800oC Hằng số mạng kiểu NaCl 4,27Ao Điểm nóng chảy 2250 K Nhiệt dung 0,125 cal/mg Vật liệu ZnO có số ưu điểm bật có hệ số áp điện cao (e33 = 1,2 C/m2, cao tất chất bán dẫn), độ dẫn nhiệt cao 0,54 (W cm-1K-1) (so với GaAs 0,5), lượng liên kết exciton lớn số chất bán dẫn nhóm II-VI II-V (60 meV) 60 A B A B Hình 3.3 Sự thay đổi kích thước hạt mầm pha tạp Ga 8%, ủ nhiệt độ 6000C A Mầm nano ZnO undop; B Mầm nano ZnO doping Ga 8% Hình 3.3 thể thay đổi kích thước mầm doping Ga 8% ủ nhiệt độ 600oC Kích thước hạt mầm chưa doping khoảng 45nm, doping 8% Ga kích thước hạt mầm khoảng 20nm đương kính rod với seed ZnO undop khoảng 100nm, với seed doping Ga khoảng 80nm Từ kết ta thấy rằng, rõ dàng kích thước hạt giảm đáng kể doping Ga, bề mặt màng xốp 61 3.1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến kích thước hạt mầm Một số nghiên cứu kích thước hạt mầm chịu ảnh hưởng nhiều vào nhiệt độ ủ mầm Hoàng Sỹ Hồng [18] cộng rằng, kích thước nano tinh thể màng ZnO giảm cách giảm nhiệt độ ủ Sự gia tăng nhiệt độ ủ dẫn đến phát triển kích thước phân tử lỗ trống màng mỏng ZnO Màng AlN có cấu trúc cột với định hướng (002), cấu trúc hình lục giác màng ZnO hạt xốp) Trong nghiên cứu này, tập chung thể thay đổi kích thước mầm thay đổi nhiệt độ ủ 350oC, 600oC Trong hình 3.4 ảnh FESEM mầm ZnO undop ủ nhiệt độ 350 ° C, 600oC lên kích thước nano ZnO 62 A B A B Hình 3.4 Ảnh FESEM thay đổi kích thước mầm nanoZnO undop ủ đế nhiệt độ khác a.Mầm nano ZnO ủ nhiệt độ 350oC b Mầm nano ZnO ủ nhiệt độ 600oC Ta cảm quan cách đơn giản mắt thường dễ thấy kích thước hạt mầm tăng tỉ lệ thuận theo nhiệt độ, theo với điều kiện mọc đường kính ZnO nano rod thay đổi theo Một chứng minh điển hình thay đổi kích thước hạt mầm nano ZnO ta tăng nhiệt độ ủ mầm khảo sát với mẫu mầm có doping Ga cho kết 63 tương tự, tăng nhiệt độ ủ mầm kích thước hạt đường kính tăng ( Hình 3.5) A B A B Hinhd A h Hình 3.5 Ảnh FESEM thay đổi kích thước mầm nanoZnO doping Ga 8% ủ đế nhiệt độ khác A.Mầm nano ZnO doping Ga 8% ủ nhiệt độ 350oC B Mầm nano ZnO doping Ga 8% ủ nhiệt độ 600oC Trong công trình này, tập trung khảo sát thay đổi kích thước hạt mầm thay đổi điều kiện mọc mầm thay đổi nhiệt độ ủ pha tạp kim loại trực tiếp vào trình tạo mầm dẫn đến thay đổi kích thước rod.ngoài không trọng đến việc khảo sát thay đổi điều 64 kiện mọc rod Thành thử hình thái chiều cao rod thay đổi rõ dệt ( hình 3.6 Thể chiều cao nano ZnO mọc điều kiện nhiệt độ thủy nhiêt 90oC thời gian 6h) Hình 3.6 hình ảnh chiều cao cấu trúc ZnO/ AlN/ Si Ta thấy với điều kiện tạo mầm mọc rod ta thu mầm ZnO với độ dày 0,253 m m, chiều cao rod 0,797 m m chiều dày lớp chất áp điện AlN chuẩn bị sẵn 0,839 m m Mẫu XRD thể (hình 3.7) Các đỉnh rõ ràng quan sát thấy 2θ = 31,79°, 34,46°, 47,5°, 56,7°, 62,8° 72,5°, tương ứng với (100), (002), (102), (110), (103), (004) phản ánh cấu trúc wurtzite ZnO 65 Hình 3.7 nhiễu xạ XRD mầm tinh thể ZnO ủ nhiệt độ 3500C 6000C Các đỉnh khác xuất 2θ = 36,08° 76,47°, Tương ứng định hướng (002) (004) lớp áp điện AlN Rõ ràng lớp AlN phủ đế Si có định hướng chủ yếu (002) Đối với lớp hạt ZnO Ủ 600 ° C, số đỉnh liên quan đến cấu trúc lục giác ZnO, đỉnh mạnh xuất 2θ = 34,46 °, điều chứng minh (002) định hướng mầm tinh thể ZnO trồng AlN Đối với mẫu khác, ủ 350°C, số lượng đỉnh mô hình nhiễu xạ tia X gần giống cấu trúc ủ 600°C (002) ZnO nhiên cao điểm ỏ mẫu ủ 600oC rộng Có dấu hiệu cho thấy gia tăng kích thước hạt màng mỏng ZnO sau gia tăng nhiệt độ ủ từ 350°C đến 600°C Toàn chiều rộng tối đa nửa (FWHM) đường cong (002) ZnO 0,41° 0,19° cho mẫu ủ 350°C 600°C, tương ứng Ngoài ra, để xác định kích thước tinh thê dựa vào kết XRD ta dựa vào công thức: [1] D= 0,9.l B.cosq 66 Trong đó: D kích thước tinh thể, K số k= 0,9, λ bước sóng xray, B toàn chiều rộng nửa tối đa đỉnh Kết cho thấy kích thước hạt mầm ủ 350°C 600°C 20nm 45 nm Kết phù hợp cho hình ảnh SEM thể hình.3.7 Dựa vào kết ta lập bảng khảo sát tổng quát thay đổi kích thước hạt nano ZnO bảng 3.1: Bảng 3.1 Nhiệt độ ủ mầm Kích thước hạt mầm Đường kính ZnO Undop - 350 ° C 20 nm 70 nm Doping Ga 8%- 350 ° C 10 nm 40 nm Undop - 600 ° C 100 nm 45 nm Doping Ga 8%- 600 ° C 20 nm 70 nm 3.2 Kết chế tạo cảm biến tính chất nhạy khí vật liệu 3.2.1 Cấu trúc nano ZnO mọc lên điện cực Sau khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình mọc mầm ZnO nano ZnO phương pháp thủy nhiệt, điều kiện mọc để thu nano với đường kính bé áp dụng Do thời gian có hạn số yếu tố cần hoàn chỉnh sau nên công trình công bố khảo sát kết chế tạo kết nhạy với khí ẩm cho cảm biến SAW điều kiện nano ZnO mọc lóp seed ủ nhiệt độ 350oC 600oC trường hợp undop Hình 3.14 thể thay đổi đường kính nano thay đổi nhiệt độ ủ mầm 67 A B Hình 3.14 Ảnh FESEM nano rod ZnO mọc điện cực nhiệt độ ủ mầm 350oC 600oC A ZnO nano rod undop ủ mầm 350OC B ZnO nano rod undop ủ mầm 600OC Dễ thấy nano ZnO mọc cấu trúc mầm ZnO / IDTs / AlN / Si với seed ủ nhiệt độ 350 oC undop có đường kính nhỏ đường kính nano với lớp seed 600oC Do vậy, diện tích tiếp xúc bề mặt vật liệu ứng với lớp seed 350oC lớn hơn, vật liệu nhạy với khí Ngoài ta thấy nano mọc lớp seed ủ 600oC có định hướng tinh thể tốt hơn, phần lớn mọc vuông góc với bề mặt đế, tức ưu tiên định hướng ( 002) [1] phù hợp với kết XRD 3.2.2 Kết nhạy khí vật liệu nano ZnO mọc điện cực Khảo sát trình nhạy khí cảm biến tiến hành đo thay đổi vận tốc sóng bề mặt Để khảo sát đặc tính nhạy khí vật liệu, ta cần qua tâm đến thông số sau: tốc độ đáp ứng, thời gian hồi phục, tính ổn định nhiệt độ làm việc 68 Trong trường hợp này, trước tiên chọn độ ẩm để kiểm tra khả cảm nhận cảm biến hóa học SAW sử dụng lớp nhạy nano ZnO Để đo độ ẩm tương đối qua phản ứng SAW thể hình.3 15 Tần số cộng hưởng cấu trúc AlN / Si thay đổi rõ ràng nào, chuyển đổi tối đa khoảng 10 kHz Ngược lại, tần số cộng hưởng cấu trúc SAW với nano ZnO giảm rõ ràng (tức là, vận tốc SAW giảm) Cơ cấu SAW với lớp nano cảm biến ZnO mọc lớp mầm ZnO (ủ 350°C) có thay đổi tần số lớn (khoảng 800 kHz) đặc biệt so sánh với thay đổi tần số ZnO nano mọc lớp hạt mầm ủ nhiệt độ 600oC(khoảng 730 kHz), khoảng từ 10% đến 90% RH Sự thay đổi tần số khác biệt tần số cảm biến tương ứng 10% RH cảm biến mức 30%, 50%, 70%, 90% RH Nói chung, chế nhạy cảm biến độ ẩm với cấu trúc nano ZnO dựa thay đổi kháng tải khối lượng ZnO với hấp phụ nước lên bề mặt màng mỏng [1] Cơ cấu SAW với lớp hạt ZnO nano ZnO nano rod ủ mầm nhiệt độ 350°C có diện tích bề mặt lớn cụ thể mầm ZnO/ ZnO nanorod ủ mầm nhiệt độ 600°C Điều đường kính trung bình ZnO nanorod ( mầm ZnO ủ 350°C) nhỏ đường kính trung bình ZnO nanorod ( mầm ZnO ủ 600oC) Như vậy, thay đổi tần số SAW với cấu trúc ZnO nanorod mọc lớp mầm ZnO ủ 350°C cao 69 Hình 3.15 Mối quan hệ thay đổi tần số cấu trúc SAW khác độ ẩm tương ứng tương đối (10% đến 90% RH) nhiệt độ phòng (25°C) Ngoài việc khảo sát với độ ẩm khảo sát đo độ nhạy với alcohol kết chứng minh cảm biến SAW sở vật liệu nhạy ZnO có nhạy với alcohol ( hình 3.16) 70 Không có alcohol Có alcohol Hình 3.16 kết nhạy alcohol Hình 3.16 kết nhạy alcohol nhiệt độ phòng với cảm biến SAW Ở nồng độ cồn chưa tính toán xác cụ thể số khó khăn việc cài đặt xác hệ thí nghiệm Tuy nhiên trường hợp có cồn rõ ràng độ suy hao tăng lên đáng kể từ -34.7 dB đến -35 dB Điều chứng tỏ cảm biến có nhạy cồn gây thay đổi lớp vật liệu nhạy ZnO nano dạng dẫn đến thay đổi độ suy hao sóng bề mặt Tuy nhiên mối liên hệ cần phải khảo sát cách định lượng cụ thể hướng phát triển luận án 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ kết tổng hợp, nghiên cứu hình thái cấu trúc vật liệu khảo sát đặc trưng nhạy khí cảm biến, đến kết luận sau : - Đã chế tạo thành công vật liệu hạt nano ZnO phương pháp sol-gel phương pháp thủy nhiệt hóa học Kết khảo sát hình thái bề mặt vật liệu ảnh FE-SEM cho thấy, hạt phân bố đồng đế AlN/ Si, có kích thước khoảng từ 10- 45nm, có định hướng chủ yếu (002).Các nano có cấu trúc tinh thể dạng lục giác với đường kính khoảng 50-100 nm, mật độ phân bố đồng bề mặt đế chiều dài nano đạt khoảng 0,797 µm - Khảo sát ảnh hưởng thông số nhiệt độ ủ mầm, pha tạp kim loại lên kích thước hạt mầm theo ảnh hưởng đến kích thước độ định hướng nano ZnO - Chế tạo cảm biến sở vật liệu nano ZnO với nhiệt độ nồng độ pha tạp tối ưu khảo sát đặc tính nhạy khí ( nhạy alcohol )và nhạy độ ẩm chúng Hướng nghiên cứu tiếp theo: - Nghiên cứu chế tạo ZnO dạng ống, ứng dụng cho cảm biến SAW để đo số loại khí khác - Tiến hành khảo sát chi tiết khả nhạy khí cảm biến với nhiều loại khí khác nhiệt độ nồng độ khác - Từ đó, tìm biện pháp nhằm cải thiện độ đáp ứng, tính ổn định tính chọn lọc cảm biến sở vật liệu nano ZnO - Chế tạo cảm biến SAW chế tự đốt nóng 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyen Manh Linh, Tran Thi Thuy Dung and Hoang Si Hong, “Fabrication ZnO nanorods grown on ZnO seed layer for Surface acoustic wave chemical sensors”, pp 148-152, ICAMN 2012.(procceding of international conferences) ISBN: 978-604-911-247-8 [2] W.I Park, J.S Kim, G.C Yi, M.H Bae, H.J Lee (2004), “Fabrication and electrical characteristics of high-performance ZnO nanorod field-effect transistors”, Appl Phys Lett, Vol 85, pp 5052-5055 [3] D C Look, D.C Reynolds, C W Litton, R L Jones, D B Eason, G Cantwell (2002), “Characterization of homoepitaxial p-type ZnO grown by molecular beam epitaxy”, Appl Phys Lett, Vol 81, pp 1830-1833 [4] K K Kim, H S Kim, D K Hwang, J H Lim, S J Park (2003), “Realization of p-type ZnO thin films via phosphorus doping and thermal activation of the dopant”, Appl Phys Lett, Vol 83, pp 63-66 [5] C H Liu, W.C Yiu, J.X.Ding, C.S Lee, S.T Lee (2003), “Electrical properties of Zinc oxide nanowires and intramolecular p-n junctions”, Appl Phys Lett, Vol 83, pp 3168-3171 [6] Y K Tseng, C.J Huang, H.M Cheng, I.N Lin, K.S Liu, I.C Chen (2003), “Characterization and field-emission properties of nanoneedle-like Zinc oxide nanowires grown vertically on conductive Zinc oxide films”, Adv Funct Mater, Vol 13, pp 811-814 [7] W Lee, M.C Jeong and J.M Myoung (2004), “Evolution of the morphology and optical properties of ZnO nanowires during catalyst-free growth by thermal evaporation”, Nanotechnology , Vol 15, pp 1441 - 1447 [8] Hiroyuki Usui (2009), “The effect of surfactants on the morphology ang optical properties of precipitated wurtzite ZnO”, Materials Letters, Vol 63, pp.1489-1492 73 [9] C Liu, J.A Zapien, Y.Yao, X.Meng, C.S Lee, S Fan, Y.Lifshitz, S.T Lee (2003), “Highly-Density, Ordered Ultraviolet Light-Emitting ZnO Nanowire Array”, Advanced Materials, Vol 15, pp 838-841 [10] H Kind, H Yan, B Messer, M Law, P Yang (2002), “Nanowire ultraviolet photodetectors and optical switches”, Advanced Materials, Vol 14, pp 158-160 [11] Z Fan, D Wang, P Chang, W Tseng, J G Lu (2004), “ZnO nanowire fieldeffect transistor and oxygen sensing property”, Appl Phys Lett, Vol 85, pp 5923- 5926 [12] Q Wan, Q H Li, Y J Chen, T H Wang, X L He, J P Li, C L Lin (2004), “Fabrication and etanol sensing characteristics of ZnO nanowires gas sensors”, Appl Phys Lett, Vol 84, pp 3654-3657 [13] P Sharma, A Gupta K.V.Rao, F.J.Owens, R.Sharma, R.Ahuja, J.M.Osorio, B Johansson, G.A Gehring (2003), Nano Matter, Vol 2, pp 673 - 676 [14] Y.Q Chang, D.B Wang, X.H Luo, X.Y Xu, X H Chen, L.Li, C.P Chen, R M Wang, J.Xu, X.P.Yu (2003), “Synthersis, optical and magnetic properties of diluted magnetic semiconductor ZnO1-xMnxO nanowires via vapor phase growth”, Appl Phys Lett, Vol 83, pp 4020 - 4023 [15] X Y Kong, Z.L Wang (2003), “Spontaneous polarization-induced nanohelixes, nanosprings and nanorings of piezoelectric nanobelts”, Nano Lett, Vol3, pp 1625-1631 [16] Z F.Ren, J.Y.Lao, J.G.Wen (2005), “Hierarchical ZnO nanostructures”, Nano Lett, Vol 2, pp 1287-1291 [17] B D Yao, Y F Chan, N Yang (2002),”Formation of ZnO nanostructures by a simple way of thermal evaporation”, Appl Phys Lett, Vol 81, pp 757-760 74 [18] Y Xia, P Yang, Y Sun Y Wu, B Mayers, B Gates, Y Yin, F Kim, H Yan (2003), “One dimensional nanostructured: Synthesis, Characterization, and Applications”, Advanced Materials, Vol 15, pp 353389 [19] Đỗ Đăng Trung ( 2010 ), “nghiên cứu chế tạo nano ZnO phương pháp nhiệt thủy phân, ứng dụng cho cảm biến nhạy khí” luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Hà Nội pp 12- 43 [...]... chỉ ra các thanh ZnO giống hình kim Hình 1.10 (a) Ảnh SEM của ZnO nanohelix mọc theo quy trình VS (b) Ảnh TEM của ZnO đai nano mọc theo quy trình VLS Ảnh chèn: mô hình cấu trúc của đai nano (c) ZnO cấu trúc nano dạng bậc (d) Thanh ZnO giống hình kim [15] Bên cạnh dây nano, thanh nano và các cấu trúc nano phức tạp khác của ZnO như ống nano và nano- tetrapods cũng thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu Từ khi... Từ khía cạnh đặc tính cảm biến, ZnO Q1D, như dây nano và thanh nano, được hy vọng là sẽ tốt hơn dạng màng Vì đường kính nhỏ và có thể so với độ dài Debye, sự hấp thụ hóa học gây ra các trạng thái bề mặt tác động mạnh đến cấu trúc điện của toàn bộ kênh, do đó ZnO nano dây có độ nhạy cao hơn dạng màng mỏng Các nghiên cứu truyền dẫn điện chỉ ra rằng O2 trong không khí có thể tác động mạnh đến dây nano ZnO. .. so với nano dây Hình 1.4 (a) Dây nano ZnO mọc thẳng ứng trên màng ZnO pha tạp Ga; (b) Đặc trưng I-V của quá trình phát xạ [6] 1.2.3 Hiệu ứng áp điện và phân cực bề mặt Nguồn gốc của hiệu ứng áp điện nằm trong cấu trúc tinh thể của nó, trong đó các nguyên tử oxy và kẽm liên kết tứ diện với nhau Do cấu trúc không đối xứng tâm, tâm điện tích âm và dương có thể bị đổi chỗ cho nhau do ngoại lực cảm ứng bóp... điện tích âm và hướng chuyển đổi cũng là [0001] Kết quả của hiện tượng tự phân cực này là một bề mặt điện ZnO (0001) ) Để đạt được năng lượng cực tiểu, bề mặt điện (0001) biến đổi thành các cấu trúc nano- ring và nano- coil đơn nhất, như được chỉ ra trong hình 1.6 Hình 1.6 (a) Mô hình của một nanobelt có cực Lực tĩnh điện theo chiều dọc giữa các bề mặt có cực dẫn đến tạo thành b) nanorings, c) nanospiral,... rộng rãi Vật liệu nano một chiều lượng tử ở dạng tip là một sự lựa chọn tự nhiên cho việc phát xạ điện trường Trong thực tế, nghiên cứu phát xạ điện trường của ZnO nano kim (nanoneedle) và nano dây đã được nghiên cứu bởi nhiều nhóm Tseng [6] và 17 các cộng sự đã mọc dây nano ZnO có dạng hình kim lên trên màng ZnO pha tạp Ga ở nhiệt độ 5500C (Hình 1.4a) Các sợi nano dây này được dùng để đo phát xạ điện... hồi bằng cách sử dụng điện áp cực cửa âm lớn hơn điện áp ngưỡng Việc lựa chọn khí NO2 và NH3 sử dụng FET ZnO nano dây cũng đã được nghiên cứu dưới quá trình làm tươi cực cửa, đưa ra khả năng có thể phân biệt được một khí 24 Hình 1.8 (a) Đặc tuyến I-V của sợi ZnO nanowire dưới nồng độ O2 50 ppm Hình chèn: độ nhạy phụ thuộc điện áp cực cửa dưới nồng độ O2 10 ppm (b) Đáp ứng độ nhạy của nanowire với 10... tính điện của ZnO nano dây FETs được nghiên cứu bằng cách sử dụng AFM dẫn, từ đồ thị điện thế ta sẽ chứng minh tính ổn định của đặc tính điện Ngoài ra, một tip quét có thể dùng để chuyển mạch một cách tuần hoàn, chỉ ra tiềm năng ứng dụng cho các hệ điện cơ nano (nano- electro-mechanical) Phương pháp CVD có thể tạo ra các cấu trúc nano ZnO đơn tinh thể, có đặc tính điện hơn hẳn màng mỏng ZnO đa tinh thể... đối với các mặt tinh thể khác nhau, chúng được tăng cường bằng cách điều khiển các điều kiện khi mọc 1.2 Một số tính chất vật lý của vật liệu ZnO cấu trúc nano 1.2.1 Tính chất cơ Bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) người ta đã mô tả hệ số uốn của ZnO đai nano (nanobelt) ZnO đai nano cho thấy là một vật liệu triển vọng để làm bộ cộng hưởng nano (nanoresonator) và dầm nano (nanocantilever)... nano thanh (Hình 1.7a) Phổ PL chỉ ra rằng ZnO nano dây là một vật liệu hứa hẹn cho phát xạ UV, trong khi đặc tính phát xạ UV của chúng thì càng trở nên có ý nghĩa và đáng quan tâm Do nó có dạng hình trụ và chỉ số chiết suất lớn (~2.0), ZnO nano dây /nano thanh có thể được dùng làm ống dẫn sóng quang Liu [9] và các cộng sự đã báo cáo về sự phát laser UV ở nhiệt độ phòng từ dãy ZnO nano dây thẳng ứng. .. bởi ZnO nano dây và ghép với SnO2 nanoribbon (Hình 1.7.b,c) Phát hiện này cho thấy ZnO cấu trúc nano có khả năng xây dựng các khối chức năng cho các mạch tích hợp quang 21 Ngoài ra, kết quả đạt được trên việc sử dụng ZnO nano dây cho lĩnh vực tách sóng quang UV và chuyển mạch quang đã được báo cáo bởi Kind [10] và các cộng sự Trạng thái khuyết tất liên quan đến việc tách bước sóng nhìn thấy và tách sóng ... vậy, việc áp dụng màng mỏng tinh thể nano ZnO cảm biến SAW với AlN /Si khả thi Do vậy, chọn đề tài: Nghiên cứu chế tạo ZnO dạng nano ứng dụng cho cảm biến nhạy khí kiểu sóng âm bề mặt Bản luận... chất 47 2.1.2 Tạo mầm ZnO đế AlN/ Si 47 2.1.3 Mọc nano ZnO (ZnO nanorods) 51 2.2 Chế tạo cảm biến SAW 51 2.3 Khảo sát tính nhạy khí SAW 53 CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết chế tạo khảo sát... kiện sóng âm bề mặt (SAW) loại cảm biến khí Một số ứng dụng quang điện tử ZnO so sánh với GaN Tuy nhiên, ZnO có số ưu điểm so với GaN, bán dẫn vùng cấm rộng Eg = 3,4 eV 300 K, sử dụng để tạo linh