Cảm biến bức xạ UV của mặt trời

Ô nhiễm môi trường do các hành động phát triển của con người ngày càng gia tăng, dẫn đến làm cho tầng ozon mỏng dần, do đó nó không thể ngăn chặn bức xạ tím của mặt trời để bảo vệ sự sống của con người trên trái đất. Để cảnh báo mức độ UV, cần có các thiết bị đo mức cường độ UV. Các kết quả nghiên cứu trên màng TiO2 / SnO2 nanocompozit được chuẩn bị bằng phương pháp nhiệt phân có thể được sử dụng để tạo cảm biến nhạy cảm với tia cực tím - thành phần cơ bản trong các thiết bị đo UV. Đặc tính quang học, độ nhạy tia cực tím, thời gian đáp ứng cũng như thời gian phục hồi khả năng chống ảnh của cảm biến UV dựa trên màng nO2 TiO2 / SnO2 được nghiên cứu chi tiết.

Journal of Thu Dau Mot University, No (10) – 2013 CẢM BIẾN BỨC XẠ UV CỦA MẶT TRỜI Trần Kim Cương Trường Đại học Thủ Dầu Một TÓM TẮT Sự ô nhiễm môi trường hoạt động phát triển người gia tăng làm mỏng tầng ozone ngăn cản xạ tử ngoại (UV) mặt trời để bảo vệ sống người trái đất Để cảnh báo mức ô nhiễm UV cần có thiết bò đo mức cường độ UV Các kết nghiên cứu màng nano-composite (nco) TiO2/SnO2 chế tạo phương pháp nhiệt phân dùng để chế tạo cảm biến nhạy UV – linh kiện thiết vò đo UV Các tính chất quang, độ nhạy UV, thời gian đáp ứng thời gian hồi phục quang trở cảm biến UV sở màng nco TiO2/SnO2 nghiên cứu chi tiết Mở đầu Từ khoá: UV sensor, nano-composite TiO2/SnO2 sensor * 100 đến 400 nm phân chia thành ba loại: UV-A có bước sóng khoảng 315 – Sự phát triển nhanh chóng công nghiệp ứng dụng thành tựu khoa học công nghệ đại từ nửa cuối thể kỷ 20 đến nay, với việc sử dụng nhiên liệu hoá thạch gia tăng, việc thải chất độc hại thải vào môi trường làm bầu khí ngày bò ô nhiễm nặng Hậu nghiêm trọng ô nhiễm không khí dẫn đến nguy tầng ozone ngăn cản xạ tử ngoại (UV) mặt trời đến trái đất bò chọc thủng, đe doạ sống người sinh vật trái đất 400 nm; UV-B có bước sóng khoảng 280 – 315 nm; UV-C có bước sóng khoảng 100 – 280 nm UV-A dễ dàng xuyên qua tầng ozone tới bề mặt trái đất Có tới 98% lượng xạ UV mặt trời tới mặt đất UV-A Bức xạ UV-B bò tầng ozone hấp thụ mạnh, đến mặt đất khoảng 2% lượng xạ UV UV-B UV-C hầu hết bò tầng ozone hấp thụ, lượng lại đến trái đất không đáng kể Tác hại xạ UV môi trường người là: UV-A gây già hoá quang (làm già trước tuổi) sương mù quang hoá UV-B có tác dụng tạo vitamin D, đồng thời triệt miễn dòch, gây ung thư da, rối loạn thò giác bệnh đục nhân mắt, UV-C gây đột biến, huỷ diệt hệ sinh thái, phá huỷ cấu trúc gen Trong thành phần phổ xạ mặt trời đến trái đất có khoảng – % lượng xạ UV Bức xạ UV ánh nắng mặt trời có mặt tích cực tác dụng sức khoẻ người thúc đẩy trình quang sinh hoá tổng hợp vitamin D Tuy nhiên, mặt trái phải phơi nắng nhiều lại có tác hại Có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến cường độ xạ UV xạ mặt trời đến bề mặt trái đất như: vò trí mặt trời da, mắt hệ thống miễn dòch Bức xạ UV mặt trời có bước sóng từ 53 Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số (10) - 2013 bề mặt đất – Mặt trời cao, cường độ UV lớn Vò trí mặt trời biến đổi theo mùa, thời gian ngày vó độ Do ozone hấp thụ xạ UV nên lượng ozone khí nhiều lượng xạ UV đến bề mặt trái đất Phụ thuộc tình trạng mây sương mù khí quyển, xạ UV bò mây sương mù hấp thụ tán xạ mạnh Mặt đất phản xạ xạ UV, hầu hết bề mặt tự nhiên cỏ, đất nước phản xạ < 10%, cát phản xạ 10 – 25%, tuyết phản xạ 80% xạ UV Ngoài phụ thuộc độ cao so với mực nước biển, độ cao lớn, quãng đường xạ khí ngắn lượng UV đến nhiều Trong điều kiện bắt buộc phải làm việc ánh nắng mặt trời, hoạt động trời giao thông lại, thể thao, du lòch, vui chơi giải trí… cần phải có biện pháp phòng chống ô nhiễm xạ UV mặt trời Một số nghiên cứu biện pháp chống tác hại xạ UV Nicole Paillous (phòng thí nghiệm IMRCP, Pháp) cộng cho thấy thuốc chống nắng sở TiO2/ZnO có tác dụng ngăn cản tác hại UV-B Tuy nhiên, có thuốc chống nắng khoáng hữu ngăn cản tác hại UV-A [4] Hầu hết che mặt trời thiết kế để ngăn cản tác hại xạ UV-B UV-B đẩy mạnh già hoá da gây khối u ác tính Peter Wardman (Mount Vernon Hospital, Middlesex, Liên hiệp Anh) cộng báo cáo nghiên cứu hiệu ba che mặt trời cách đo khả chúng ngăn cản hình thành gốc tự mà UV-A gây Cả ba loại che mặt trời cho bảo vệ UV-A chí chúng có hệ số bảo vệ mặt trời 20 hay cao [6] Hàng năm Mỹ có tới nửa triệu người bò ung thư da hàng ngàn người chết nhiễm xạ UV mặt trời Trong năm 1999 có tới 7300 người chết ung thư da [5] Phơi nắng m ặt trời nhân tố rủi ro cho phát triển tế bào sở tế bào hình vảy ung thư biểu mô [11] Mắt bò ảnh hưởng lâu dài sau hấp thụ tia UV ánh nắng mặt trời Ánh nắng gây số loại u mi, Chất ức chế chọn lọc Cyclooxygenase-2 (COX-2) enzyme sản prostaglandins, chất liên quan tới phát triển ung thư biểu mô tế bào hình vẩy ung thư biểu mô khác, ngăn cản tác hại ôxi hoá cấp tính cho da phối hợp với xạ UV-B Việc xử lí celecoxib liên quan làm giảm hình thành chứng viêm kinh niên, u nhú ung thư biểu da gây UV-B [16] việc tiếp xúc với tia UV có cường độ mạnh gây bỏng giác mạc, gây nên mộng ‚hạt vàng‛ kết mạc Tia UV gây đục vỏ thuỷ tinh thể tiếp xúc với ánh nắng kéo dài Khi phải nhìn lâu trực tiếp vào mặt trời, vào khoảng thời gian trưa, gây tình trạng bỏng võng mạc Bệnh thoái hoá hoàng điểm người cao tuổi – nguyên nhân gây Để phòng chống có hiệu quả, cần thiết phải có dụng cụ đo mức cường độ xạ UV để cảnh báo mức nguy hiểm Thông thường, dụng cụ chế tạo mù loà hay gặp nước phát triển liên quan đến trình tiếp xúc lâu với ánh nắng mặt trời [1] 54 Journal of Thu Dau Mot University, No (10) – 2013 sở sensor bán dẫn kèm theo phận lọc dải quang học, sử dụng bán dẫn vùng cấm rộng ZnO, SnO2, In2O3,… dạng photo đi-ôt phototransitor Điển hình nghiên cứu chế tạo sensor UV photo đi-ôt dò chuyển tiếp sở vật liệu ZnO loại p pha tạp Sb [7], hay sensor phototransitor màng mỏng sở ZnO phương pháp phún xạ magneton RF sputtering đế p-Si [3] Tuy nhiên, dụng cụ đo UV có cấu trúc phức tạp, phải dựa công nghệ cao dẫn đến giá thành cao, nên khó trang bò dân dụng rộng rãi Mặt khác, số dụng cụ hạn chế đáp ứng phổ độ chọn lọc phổ độ nhạy UV thấp, thời gian đáp ứng thời gian hồi phục quang dẫn dài [9] Để tránh tác động môi trường lên độ dẫn màng, màng quang trở sấy khô phủ lớp keo mỏng suốt Lớp keo để khô tự nhiên không khí Lớp keo lựa chọn để dễ dàng cho xạ UV qua, không tương tác với màng nco TiO2/SnO2 xốp, không dẫn điện kể chiếu sáng để không ảnh hưởng đến độ dẫn màng quang trở Hai điện cực nối với dây dẫn keo bạc Sau keo khô, hệ đóng gói, có hai dây dẫn đưa phần màng hai điện cực để hở cho ánh sáng rọi vào quang trở qua lớp keo phủ bên Kết thảo luận Hình biểu diễn phổ độ nhạy sensor UV sở quang trở nco TiO2/SnO2 chế tạo quang trở CdS chiếu sáng đèn halogen qua quang phổ kế Kết cho thấy so với phổ quang trở CdS thông thường sensor UV sở màng quang trở nco TiO2/SnO2 đặc biệt nhạy với xạ tử ngoại So với đặc trưng phổ UV-sensor TW30SX [15], sensor UV sở màng quang trở nco TiO2/SnO2 có độ nhạy độ chọn lọc UV cao Dựa tính chất đặc trưng màng nano-composite (nco) TiO2/SnO2 nghiên cứu [2,10,11,14], ý tưởng việc nghiên cứu ứng dụng để chế tạo cảm biến UV phục vụ cho nhu cầu thực tiễn hình thành thực Thực nghiệm Màng vật liệu nco TiO2/SnO2 chế tạo dạng quang trở hai phương pháp phun nhiệt phân hỗn hợp dung dòch TiCl4 SnCl4.5H2O [2,10,11] nhúng tẩm màng nano TiO2 vào dung dòch SnCl4.5H2O ủ nhiệt [14] Khoảng trống hai điện cực ~ mm Sơ đồ cấu trúc quang trở nco TiO2/SnO2 biểu diễn hình Hình 2: Đặc trưng phổ quang trở nco TiO2/SnO2 chiếu sáng đèn halogen qua Hình 1: Sơ đồ cấu tạo màng quang trở TiO2 quang phổ kế lăng kính 55 Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số (10) - 2013 Khảo sát quán tính sensor: Kết giảm tốc độ tái hợp cặp điện tử-lỗ thực nghiệm màng quang trở trống (e /h+) làm tăng thời gian nco TiO2/SnO2 chế tạo phương pháp sống hạt tải điện, số thời gian đồng nhiệt phân hỗn hợp dung dòch TiCl4 sống e /h+ phụ thuộc vào tạp chất và SnCl4.5H2O nhiệt độ 425 oC cho thấy, kích thước hạt [13] Đối với cấu trúc màng chiếu sáng đèn halogen 50 W nano, tốc độ tái hợp điện tử-lỗ trống giảm khoảng cách 12cm, thời gian đáp ứng (tỉ số điện tích khuếch tán nhanh điện trở màng chiếu sáng R chóng tới bề mặt hạt Ngoài ra, với điện trở màng không chiếu sáng Rt: diện tích bề mặt riêng lớn nên tồn R/Rt) giảm đến cực tiểu theo thời gian chiếu nhiều trạng thái bề mặt đònh xứ sáng) ~ – s vùng cấm, chúng hoạt động bẫy hạt tải làm tăng thời sống hạt tải làm tăng thời gian đáp ứng thời gian hồi phục mẫu Thời gian hồi phục quang dẫn (ô) màng nano TiO2 thường lớn, ví dụ tác giả [8] xác đònh 107 s; quang dẫn (ô) phụ thuộc nhiều yếu tố công nghệ chế tạo pha tạp Kết luận Hình 3: Sự hồi phục điện trở Với công nghệ phun nhiệt phân pha màng quang trở nco TiO2/SnO2 chế tạo tạp SnO2, màng nco TiO2/SnO2 chế tạo có nhiệt độ 380, 410 440 oC thời gian hồi phục quang dẫn ô giảm Hình biểu diễn thời gian hồi phục (tỉ nhiều bậc, giá trò ô lớn số R/Rt theo thời gian ngừng chiếu ứng dụng cho thực tiễn chế tạo cảm biến sáng) mẫu Kết cho thấy thời gian nhạy UV dùng cho thiết bò đo mức cường độ hồi phục quang dẫn màng quang trở UV mặt trời Với việc cải tiến công nghệ lớn (~ 17 s mức 0,7) Trong màng cho ứng dụng này, tương lai nano TiO2 tồn tâm tái hợp làm giảm ô để có bẫy ảnh hưởng đến thời gian sống hạt tải thể nâng cao giá trò sử dụng thiết bò [17] Bẫy hạt tải điện làm * UV RADIATION SENSOR OF THE SUN Tran Kim Cuong Thu Dau Mot University ABSTRACT Environmental pollutions by developmen actions of human are increasing, it lead to make the ozonosphere thin getting thiner, so it can not prevent untra violet radiation of the sun for protecting life of human on the Eath To warning UV level, it is necessary to have equipments for measuring UV intensity level The research results on nanocomposite (nco) TiO2/SnO2 films wich prepare by pyrolysis method may be used to make 56 Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 3(10) - 2013 UV sensitive sensor – basic component in equipments measuring UV Optical properties, UV sensitivity, responsive time asa well as restoration time of photo-resistance of UV sensor based on the nco TiO2/SnO2 films researched detailly TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Anh Tuấn (26/05/2006), ‚Một số tác hại ánh nắng mặt trời mắt‛, Sức khoẻ, http://www.tienphongonline.com.vn/Tianyon/ Index.aspx [2] Trần Kim Cương, Phạm Văn Nho (2008), ‚Ảnh hưởng hấp phụ SnO đến tính chất màng nano tinh thể TiO2 chế tạo phương pháp phun nhiệt phân‛, Tạp chí KH&CN 46 (2), tr 55 – 62 [3] Bae H.S, Seongil Im (2004), ‚Ultraviolet detecting properties of ZnO-based thin film transistors‛, Thin Solid Film 469 – 470, pp 75 – 79 [4] Gelis C., Girard S., Mavon A., Delverdier M., Paillous N., Vicendo P (2003), ‚Assessment of the skin photoprotective capacities of an organo-mineral broadspectrum sunblock on two ex vivo skin models‛, Photodermatol Photoimmunol Photomed 19, pp 242 – 253 [5] Genicom Co., Ltd (5F, UV Sensor Technology Total Solution Genicom Co., Ltd.) Application of UV sensor, Daehan Bldg., 1018 Dunsan-dong, Seo-gu, Daejeon 302120, Korea [6] Haywood R., Wardman P., Sanders R., Linge C (2003), ‚Sunscreens inadequately protect against ultraviolet-A-induced free radicals in skin: implications for skin aging and melanoma?‛, J Invest Dermatol 121, pp 862 – 868 [7] Mandalapu L.J., Yang Z., Xiu F.X., Zhao D.T and Liu J.L (2006), ‚Homojunction photodiodes based on Sb-doped p-type ZnO for ultraviolet detection‛, Applied Physics letters 88, pp 092103-1 – 092103-3 [8] Nickolay Golego, Studenikin S.A., and Michael Cocivera (1998), ‚Bandgap DOS Distribution From Transient Photoconductivity in Thin-Film Polycrystalline TiO2 Containing Nb‛, The 53rd Congress of Canadian Association of Physicists, University of Waterloo, Ont., Canada [9] Pham Van Nho, Hoang Ngoc Thanh, Davoli I.V (2004), ‚Characterization of nanocrystalline TiO2 films prepared by means of solution spray method‛, Proceedings of The ninth Asia Pacific Physiscs Conference (9th APPC), Hanoi, Vietnam, pp 348 – 349 [10] Pham Van Nho, Tran Kim Cuong (2006), ‚Enhanced UV Detecting properties of Nano TiO2‛, VNU J Sci Math.-Phys XXII (2AP), pp 119 – 122 [11] Pham Van Nho, Tran Kim Cuong (2008), ‚Preparation and Characterization of nanocomposite TiO2/SnO2 films‛, VNU J Sci Math.-Phys 24, pp 42 – 46 [12] Scientific American Editors (1996), ‚Twelve major cancers‛, Scientific American 275 (3), pp 126 – 132 57 Journal of Thu Dau Mot University, No 3(10) – 2013 [13] Shah S.I., Li W., Huang C.P., Jung O., and Ni C (2002), ‚Study of Nd 3+, Pd2+, Pt4+, and Fe3+ dopant effect on photoreactivity of TiO2 nanoparticles‛, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNASA6) 99 (2 ), pp 6482 – 6486 [14] Tran Kim Cuong, Nguyen Quang Tien (2007), ‚UV Sensitive Sensor Based on TiO2 Nano Crystalline Film by the soaking wet‛, Proceeding of the 1st International Workshop on Nanotechnology and Application (IWNA) 2007, Vung Tau, Vietnam, pp 284 – 287 [15] Website: www.boselec.com/documents/UVPhotodetectorswww5-4-05.pdf [16] Wilgus T.A., Koki A.T., Zweifel B.S., Kusewitt D.F., Rubal P.A., Oberyszyn T.M (2003), ‚Inhibition of cutaneous ultraviolet light B-mediated inflammation and tumor formation with topical celecoxib treatment‛ Mol Carcinog 38, pp 49 – 58 [17] Xinming Qian , Dongqi Qin, Qing Song , Yubai Bai , Tiejin Li , Xinyi Tang , Erkang Wang and Shaojun Dong (2001), ‚Surface photovoltage spectra and photo electrochemical properties of semiconductor-sensitized electrodes‛, Thin solid films 385 (1-2), pp 152 – 161 58 nanostructured TiO2 ... sương mù khí quyển, xạ UV bò mây sương mù hấp thụ tán xạ mạnh Mặt đất phản xạ xạ UV, hầu hết bề mặt tự nhiên cỏ, đất nước phản xạ < 10%, cát phản xạ 10 – 25%, tuyết phản xạ 80% xạ UV Ngoài phụ thuộc... (10) - 2013 bề mặt đất – Mặt trời cao, cường độ UV lớn Vò trí mặt trời biến đổi theo mùa, thời gian ngày vó độ Do ozone hấp thụ xạ UV nên lượng ozone khí nhiều lượng xạ UV đến bề mặt trái đất Phụ... cáo nghiên cứu hiệu ba che mặt trời cách đo khả chúng ngăn cản hình thành gốc tự mà UV- A gây Cả ba loại che mặt trời cho bảo vệ UV- A chí chúng có hệ số bảo vệ mặt trời 20 hay cao [6] Hàng năm