Nghiên cứu hiệu ứng tự đốt nóng của dây nano sno2 ứng dụng cho cảm biến khí

LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sĩ hoàn thành Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Văn Duy PGS.TS Nguyễn Ngọc Trung Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy định hướng khoa học, phương pháp nghiên cứu Dưới bảo tận tình quan tâm giúp đỡ điều kiện mà thầy giành cho học trò giúp học trò hồn thành luận văn Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn GS.TS Nguyễn Văn Hiếu, GS.TS Nguyễn Đức Hòa, GS.TS Hugo Nguyễn có dẫn khoa học, giúp đỡ góp ý để luận án hồn thiện Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn cán thuộc Phòng thí nghiệm nghiên cứu phát triển ứng dụng Cảm biến nano, nghiên cứu sinh, học viên nhóm iSensors nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ, chia sẻ ý tưởng khoa học, chia sẻ khó khăn thời khắc quan trọng để nghiên cứu sinh vượt qua hồn thành luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng, Ban Viện, Trường tạo điều kiện để nghiên cứu sinh hồn thành chương trình học tập, nghiên cứu Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn nhà khoa học, tác giả cơng trình khoa học trích dẫn luận án cung cấp kiến thức, ý tưởng khoa học liên quan tới nội dung nghiên cứu luận án Tác giả bày tỏ lòng biết ơn người thân gia đình động viên, khích lệ tác giả suốt thời gian học tập, nghiên cứu thực luận án Tác giả luận án Trịnh Minh Ngọc LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan nội dung luận án cơng trình nghiên cứu riêng tác giả hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Duy PGS.TS Nguyễn Ngọc Trung Các số liệu kết luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả Giáo viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Duy Trịnh Minh Ngọc PGS.TS Nguyễn Ngọc Trung i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC ii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ viii GIỚI THIỆU CHUNG CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Sự cần thiết việc đốt nóng cảm biến khí 10 1.1.1 Cấu trúc vùng lượng, nguyên lý hoạt động vai trò nhiệt độ 10 1.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến phản ứng bề mặt 13 1.2 Cơng suất tiêu thụ cảm biến khí 16 1.2.1 Yêu cầu giảm công suất tiêu thụ chế tạo cảm biến 17 1.2.2 Ứng dụng công nghệ để giảm c ng suất tiêu thụ cảm iến .19 1.3 Cảm biến khí ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng 26 1.3.1 Hiệu ứng tự đốt nóng Joule truyền nhiệt 27 1.3.2 Cảm biến ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng tình hình nghiên cứu 29 1.4 Kết luận chương 39 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 40 2.1 Hình thái ước chế tạo điện cực 40 2.1.1 Hình thái điện cực 40 2.1.2 Các ước chế tạo điện cực 41 2.2 Công nghệ chế tạo dây nano SnO2 43 2.2.1 Thiết bị vật tư cần thiết 43 2.2.2 Thực nghiệm chế tạo dây nano SnO2 44 ii 2.2.3 Phương pháp nghiên cứu hình thái vật liệu 46 2.2.4 Một số yếu tố ảnh hưởng tới hình thái vật liệu 47 2.3 Hệ đo tính chất nhạy khí phương pháp thực nghiệm .47 2.3.1 Hệ đo tính chất nhạy khí 47 2.3.2 Phương pháp đo tính chất nhạy khí cảm biến tự đốt nóng 49 2.4 Biến tính mạng lưới dây nano SnO2 51 2.5 Kết luận chương 52 CHƢƠNG 3: ẢNH HƢỞNG CỦA HÌNH THÁI ĐIỆN CỰC VÀ VẬT LIỆU NHẠY KHÍ TỚI CƠNG SUẤT HOẠT ĐỘNG VÀ TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ CỦA CẢM BIẾN 53 3.1 Nghiên cứu phát triển điện cực cho cảm biến tự đốt nóng 53 3.1.1 Vai trò hình thái điện cực cảm biến khí oxit kim loại bán dẫn 53 3.1.2 Nghiên cứu phát triển điện cực cho cảm biến tự đốt nóng 56 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng mạng lưới dây nano SnO2 tới cơng suất hoạt động 60 3.2.1 Mơ hình mạch điện chế nhạy khí mạng lưới dây nano SnO2 60 3.2.2 Hình thái cấu trúc mạng lưới dây nano SnO2 63 3.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng mạng lưới dây nano SnO2 tới cơng suất hoạt động đáp ứng khí cảm biến 68 3.3 Tối ưu điều kiện chế tạo mạng lưới dây nano SnO2 cho phát triển cảm biến khí khử tự đốt nóng cơng suất thấp 76 3.3.1 Tác động công suất tới độ ổn định mạng lưới dây nano .77 3.3.2 Đặc trưng nhạy khí khử theo cơng suất hoạt động cảm biến mạng lưới dây nano 81 3.3.3 Định tính nhiệt độ hoạt động hoạt cảm biến thông qua công suất hoạt động… 89 3.4 Kết luận chương 90 CHƢƠNG 4: PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN TỰ ĐỐT NÓNG MẠNG LƢỚI DÂY NANO SnO2 BIẾN TÍNH BẠC CHO NHẠY KHÍ H2S 92 4.1 Cảm biến khí tự đốt nóng mạng lưới dây nano SnO2 biến tính Ag .93 iii 4.1.1 Hình thái vật liệu sau biến tính 96 4.1.2 Nghiên cứu hoạt động nhạy khí cảm biến tự đốt nóng biến tính kim loại Ag .100 4.2 Phát triển cảm biến tự đốt nóng cho ứng dụng phân tích khí 114 4.2.1 Kỹ thuật đo thiết bị cảm biến ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng 114 4.2.2 Hoạt động mơ đa cảm biến ứng dụng cho phân tích khí cảm biến tự đốt nóng 119 4.3 Kết luận chương 125 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO .129 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 143 iv DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu, viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt Complementary MetalOxide-Semiconductor Bán dẫn – Oxit – Kim loại ù (một loại c ng nghệ sản xuất mạch tích hợp) CMOS CNTs CVD Carbon nanotubes Chemical Vapour Deposition Ống nano car on Lắng đọng hóa học pha DL FE FE-SEM Detection Limit Field Emission Field Emission Scanning Electron Microsope Giới hạn phát Phát xạ trường Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FIB Chùm ion hội tụ Kính hiển vi điện tử HR-TEM Focused Ion Beam High Resolution Transmission Electron Microscope 10 11 IC ITO LDA Integrated Circuit Indium Tin Oxide Linear Discriminat Analysis Mạch tích hợp Oxit thiếc inđi Phân tích khác iệt tuyến tính 12 MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems Hệ vi điện tử 13 MFC Mass Flow Controllers Bộ điều khiển lưu lượng khí 14 MWCNTs Multi-walled carbon nanotubes Ống nano car on đa tường 15 16 17 NRs NWs ppb Nanorods Nanowires Parts per billion Thanh nano Dây nano Một phần tỷ v truyền qua phân giải cao 18 PCA Principal Component Analysis Phân tích thành phần 19 20 21 22 ppm PR ppt Parts per million Photo Resist Parts per trillion Một phần triệu Cảm quang Một phần nghìn tỷ Điện trở đo kh ng 23 Rg sccm 24 Ra Điện trở đo khí thử Standard cubic centimeters per minute Đơn vị đo lưu lượng khí cm /phút Kính hiển vi điện tử quét 25 SEM Scanning Electron Microscope 26 SMO Semiconductor Metal Oxide Oxit kim loại án dẫn 27 28 SVM SWCNTs Support Vector Machine Single-walled carbon nanotubes Máy hỗ trợ véc-tơ Ống nano car on đơn tường 29 30 31 32 33 TE UV V-L-S WSN 1D Thermal Emission Ultraviolet Vapour Liquid Solid Wireless Sensor Network One Dementional Phát xạ nhiệt Tia cực tím Hơi-lỏng-rắn Mạng cảm biến khơng dây Một chiều vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Công suất tiêu thụ thành phần điện sử dụng thiết kế nút mạng cảm biến không dây [29]……………………………………………………… 18 Bảng 1.2 Tính chất nhiệt thiết kế lò nhiệt [55]……………………………… 23 Bảng 1.3 Đặc tính loại lò nhiệt [58]…………………………………………… 24 Bảng 2.1 Nồng độ khí khác pha lỗng từ khí khí chuẩn…….……… 50 Bảng 2.2 Các thông số sử dụng phún xạ kim loại Ag………………………… 51 Bảng 4.1 Ký hiệu cảm biến sau biến tính Ag điều kiện khác nhau… 94 Bảng 4.2 Độ đáp ứng cảm biến ST20(G10-S3) nồng độ khác loại khí khác tương ứng với dòng điện cấp cho cảm biến hoạt động khác nhau………………………………………………………………………………… 121 Bảng 4.3 Ma trận nhầm lẫn nhận từ phương pháp hồi quy máy hỗ trợ véc-tơ cảm biến ST20(G10-S3) dòng điện 0,6 mA; 0,8 mA mA……………… 124 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc vùng lượng vật liệu bán dẫn .11 Hình 1.2 Mơ hình kênh dẫn vật liệu m i trường kh ng khí sơ đồ cấu trúc vùng lượng vật liệu bán dẫn loại n sau hấp phụ oxy bề mặt 12 Hình 1.3 Các dạng tồn oxy nhiệt độ khác bề mặt vật liệu nhạy khí SnO2 [12] 14 Hình 1.4 Cơ chế hấp phụ độ ẩm bề mặt SnO2; phân tử H2O liên kết với hai vị trí kim loại (a) phân tử nước liên kết với vị trí kim loại (b) [20] .15 Hình 1.5 Mối quan hệ điện trở độ ẩm bán dẫn loại n loại p [20] 16 Hình 1.6 Thành tựu cơng nghệ việc giảm công suất tiêu thụ cảm biến hãng Figaro (a), cảm biến khí tích hợp điện thoại th ng minh ( ) đồng hồ thông minh (c) [25-27] 17 Hình 1.7 Cảm biến kiểu Taguchi thành phần cấu tạo (a), nhiệt độ làm việc cảm biến khoảng 200 ± 400 ºC, đóng gói cảm biến (b) Cảm biến khí chế tạo kỹ thuật in lưới đế gốm có kích thước mm × mm, có nhiệt độ làm việc khoảng 300 ºC (c) [32] 20 Hình 1.8 Đặc tính nhiệt lò vi nhiệt: lò nhiệt Pt (a), lò nhiệt Si đa tinh thể (b) [40]…………………………………………………………………………………….21 Hình 1.9 Lò vi nhiệt cảm biến công nghệ MEMS (a,b), cấu tạo cảm biến (c) [43,44]………………… 22 Hình 1.10 Mất nhiệt dây nano tiếp xúc kim loại, m i trường khí xạ [59]…… 27 Hình 1.11 Mơ hình cảm biến khí sử dụng: lò nhiệt ngồi (a), hiệu ứng tự đốt nóng (b)……… 29 Hình 1.12 Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt so với công suất tiêu thụ (a), thay đổi độ nhạy cảm biến so với điện áp xoay chiều nhiệt độ 1000 ppm CO (b) [60] .30 viii Hình 1.13 Ảnh SEM cảm biến NO2 dạng đơn sợi ống nano cac on (a), đặc trưng nhạy khí cảm biến dựa hiệu ứng tự đốt nóng (b) [65] 32 Hình 1.14 Sợi nano cac on lắng động lên điên cực (a), ảnh quang học cảm biến (b), ảnh TEM sợi nano cacbon (c) [66,67] 32 Hình 1.15 Ảnh nhiệt cảm biến làm nóng đến nhiệt độ 100 ºC phương pháp tự đốt nóng (ảnh trái) lò ngồi (ảnh phải) (a), biểu đồ phân bố nhiệt độ phân tích từ ảnh nhiệt (b), phổ Raman phân bố nhiệt độ ba nhiệt độ tự đốt nóng khác (c) [68]…………………………………………………………….33 Hình 1.16 Đáp ứng khí cảm biến hoạt động chế độ tự đốt nóng: Khí NH3 (a), khí NO2 (b) [67] 34 Hình 1.17 Ảnh SEM mạng lưới dây nano Pt (a), đường cong đáp ứng hồi phục nồng độ H2 khác (c), ảnh nhiệt mẫu V (b), hoạt động nhạy khí H2 với nồng độ % nhiệt độ khác (d) [84] 36 Hình 1.18 Mơ hình tự đốt tự đốt nóng cảm biến mạng lưới dây nano SnO 2: mật độ dây thưa (a), mật độ dây dầy (b) 38 Hình 2.1 Cấu hình điện cực cảm biến loại I 40 Hình 2.2 Cấu hình điện cực cảm biến G 41 Hình 2.3 Các ước chế tạo điện cực cho cảm biến loại G 42 Hình 2.4 Điện cực thành phẩm cảm biến loại G 43 Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ bốc bay nhiệt nằm ngang 43 Hình 2.6 Thuyền thạch anh thiết kế riêng cho chế tạo cảm biến loại G 44 Hình 2.7 Chu trình nhiệt chế tạo dây nano SnO2…………………………………… 46 Hình 2.8 Hình thái cảm biến sau chế tạo quan sát kính hiển vi quang học 46 Hình 2.9 Sơ đồ thuật tốn cho phương pháp đo ổn định công suất 48 Hình 2.10 Mạng lưới dây nano trước (a) sau ( ) phún xạ 52 Hình 3.1 Cấu hình loại điện cực sử dụng rộng rãi cho cảm biến khí: dạng hình trụ (a), dạng đĩa ( ), song song (c), dạng lược (d) dạng sóng âm bề mặt (e) [97,98] 55 ix [10] D Neamen, Semiconductor Physics And Devices Elizabeth A Jones, 2001 [11] N Yamazoe, J Fuchigami, M Kishikawa, and T Seiyama, ―Interactions of tin oxide surface with O2, H2O AND H2,‖ Surface Science, vol 86, no C pp 335– 344, 1979 [12] N Barsan, M Schweizer-Ber erich, and W Göpel, ―Fundamental and practical aspects in the design of nanoscaled SnO2 gas sensors: A status report,‖ Fresenius’ Journal of Analytical Chemistry, vol 365, no pp 287–304, 1999 [13] N Bârsan and U Weimar, ―Understanding the fundamental principles of metal oxide based gas sensors; the example of CO sensing with SnO2sensors in the presence of humidity,‖ Journal of Physics Condensed Matter, vol 15, no 20 2003 [14] N Yamazoe and K Shimanoe, ―Theory of power laws for semiconductor gas sensors,‖ Sensors and Actuators, B: Chemical, vol 128, no pp 566–573, 2008 [15] N Bârsan, ―Conduction models in gas-sensing SnO2 layers: grain-size effects and am ient atmosphere influence,‖ Sensors Actuators B Chem., vol 17, no 3, pp 241–246, Feb 1994 [16] K D Schier aum, U Weimar, and W Giipel, ―work function and catalytic activity of SnO , - ased gas,‖ Scanning Electron Microscopy, vol pp 205– 214, 1991 [17] C T Quy et al., ―C2H5OH and NO2 sensing properties of ZnO nanostructures: correlation etween crystal size, defect level and sensing performance,‖ RSC Adv., vol 8, no 10, pp 5629–5639, 2018 [18] W M Sears, K Col ow, and F Consadori, ―Algorithms to improve the selectivity of thermally-cycled tin oxide gas sensors,‖ Sensors and Actuators, vol 19, no pp 333–349, 1989 [19] S Ahlers, G Müller, and T Doll, ―A rate equation approach to the gas sensitivity of thin film metal oxide materials,‖ Sensors and Actuators, B: Chemical, vol 107, no pp 587–599, 2005 130 [20] J B B R Pra akaran Shankar, ―Gas sensing mechanism of metal oxides: The role of ambient atmosphere, type of semiconductor and gases - A review‖, Sci Lett J 4: 126, 2015 [21] H G Moon et al., ―Hollow Pt-Functionalized SnO Hemipill Network Formation Using a Bacterial Skeleton for the Noninvasive Diagnosis of Dia etes,‖ ACS Sensors, vol 3, no 3, pp 661–669, Mar 2018 [22] M M Arafat, B Dinan, S A Ak ar, and A S M A Hasee , ―Gas Sensors Based on One Dimensional Nanostructured Metal-Oxides: A Review,‖ Sensors, vol 12, no 6, pp 7207–7258, May 2012 [23] C Fàbrega, O Casals, F Hernández-Ramírez, and J D Prades, ―A review on efficient self-heating in nanowire sensors: Prospects for very-low power devices,‖ Sensors Actuators B Chem., vol 256, pp 797–811, Mar 2018 [24] H Nguyen et al., ―Controlla le growth of ZnO nanowires grown on discrete islands of Au catalyst for realization of planar-type micro gas sensors,‖ Sensors and Actuators, B: Chemical, vol 193 pp 888–894, 2014 [25] ―http://www.figaro.co.jp/en/technicalinfo/miniaturization.html.‖ [26] ―https://www.itri.org.tw.‖ [27] ―http://www.virtualworldlets.net/Resources/Hosted/Resource.php.‖ [28] S P Kumar and C Y Chong, ―Sensor networks: Evolution, opportunities, and challenges,‖ Proceedings of the IEEE, vol 91, no pp 1247–1256, 2003 [29] A Baranov, D Spirjakin, S Ak ari, and A Somov, ―Optimization of power consumption for gas sensor nodes: A survey,‖ Sensors Actuators A Phys., vol 233, pp 279–289, Sep 2015 [30] A Somov, A Baranov, A Savkin, D Spirjakin, A Spirjakin, and R Passerone, ―Development of wireless sensor network for com usti le gas monitoring,‖ Sensors and Actuators, A: Physical, vol 171, no pp 398–405, 2011 [31] D Brunelli and M Rossi, ―Enhancing lifetime of WSN for natural gas leakages detection,‖ Microelectronics Journal, vol 45, no 12 pp 1665–1670, 2014 [32] I Simon, N Bârsan, M Bauer, and U Weimar, ―Micromachined metal oxide 131 gas sensors: opportunities to improve sensor performance,‖ Sensors Actuators B Chem., vol 73, no 1, pp 1–26, Feb 2001 [33] A Götz et al., ―A micromachined solid state integrated gas sensor for the detection of aromatic hydrocar ons,‖ Sensors and Actuators, B: Chemical, vol 44, no 1–3 pp 483–487, 1997 [34] S K H Fung, Z Tang, P C H Chan, J K O Sin, and P W Cheung, ―Thermal analysis and design of a micro-hotplate for integrated gas-sensor applications,‖ Sensors and Actuators, A: Physical, vol 54, no 1–3 pp 482–487, 1996 [35] K Murakami, D.-B Ye, and T Yamamoto, ―Integrated hydrogen leak detector with a tunnel mis structure,‖ Sensors and Actuators, vol 13, no 4, pp 315–321, Apr 1988 [36] E Comini, G Faglia, and G S erveglieri, ―UV light activation of tin oxide thin films for NO2 sensing at low temperatures,‖ Sensors and Actuators, B: Chemical, vol 78, no 1–3 pp 73–77, 2001 [37] G Korotcenkov and B K Cho, ―Engineering approaches for the improvement of conductometric gas sensor parameters,‖ Sensors Actuators B Chem., vol 188, pp 709–728, Nov 2013 [38] A Vasiliev, R Pavelko, S Gogish-Klushin, D Kharitonov, O Gogish-Klushina, A Pisliakov, A Sokolov, N Samotaev, V Guarnieri, M Zen, L Lorenzelli, ―Sensors based on technology 'nano-on-micro' for wireless instruments preventing ecological and industrial catastrophes,‖ Sensors for Environment, health and security, Springer, p 205-228, 2009 [39] A A Vasiliev et al., ―Alumina MEMS platform for impulse semiconductor and IR optic gas sensors,‖ Sensors Actuators B Chem., vol 132, no 1, pp 216–223, May 2008 [40] D D Lee, W Y Chung, M S Choi, and J M Baek, ―Low-power micro gas sensor,‖ Sensors and Actuators, B: Chemical, vol 33, no 1–3 pp 147–150, 1996 [41] M Jaegle et al., ―Micromachined thin film SnO2 gas sensors in temperature- 132 pulsed operation mode,‖ Sensors and Actuators, B: Chemical, vol 57, no 1–3 pp 130–134, 1999 [42] W Y Chung, J W Lim, D D Lee, N Miura, and N Yamazoe, ―Thermal and gas-sensing properties of planar-type micro gas sensor,‖ Sensors and Actuators, B: Chemical, vol 64, no 1–3 pp 118–123, 2000 [43] P Fürjes, C Dücs, M Ádám, J Zettner, and I Bársony, ―Thermal characterisation of micro-hotplates used in sensor structures,‖ Superlattices and Microstructures, vol 35, no 3–6 pp 455–464, 2004 [44] D C Meier, S Semancik, B Button, E Strelcov, and A Kolmakov, ―Coupling nanowire chemiresistors with MEMS microhotplate gas sensing platforms,‖ Appl Phys Lett., vol 91, no 6, p 063118, Aug 2007 [45] L Francioso et al., ―Linear temperature microhotplate gas sensor array for automotive ca in air quality monitoring,‖ Sensors and Actuators, B: Chemical, vol 134, no pp 660–665, 2008 [46] C Tsamis, A G Nassiopoulou, and A Tserepi, ―Thermal properties of suspended porous silicon micro-hotplates for sensor applications,‖ Sensors and Actuators, B: Chemical, vol 95, no 1–3 pp 78–82, 2003 [47] A Chari, P de Mierry, A Menikh, and M Aucouturier, ―Impurity-defect interaction in polycrystalline silicon for photovoltaic applications The role of hydrogen,‖ Rev Phys Appliquée, vol 22, no 7, pp 655–662, 1987 [48] T I Kamins, J Manoliu, and R N Tucker, ―Diffusion of Impurities in Polycrystalline Silicon,‖ J Appl Phys., vol 43, no 1, pp 83–91, Jan 1972 [49] I Yonenaga, W J Li, T Akashi, T Ayuzawa, and T Goto, ―Temperature dependence of electron and hole mobilities in heavily impurity-doped SiGe single crystals,‖ J Appl Phys., vol 98, no 6, p 063702, Sep 2005 [50] A Splinter, O Bartels, and W Benecke, ―Thick porous silicon formation using implanted mask technology,‖ Sensors and Actuators, B: Chemical, vol 76, no 1– pp 354–360, 2001 [51] S E Moon, ―Semiconductor-Type MEMS Gas Sensor for Real-Time 133 Environmental Monitoring Applications,‖ ETRI J., vol 35, no 4, pp 617–624, Aug 2013 [52] W J Salcedo, F J R Fernandez, and J C Ru im, ―Photoluminescence quenching effect on porous silicon films for gas sensors application,‖ Spectrochimica Acta - Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, vol 60, no pp 1065–1070, 2004 [53] B Panchapakesan, D L DeVoe, M R Widmaier, R Cavicchi, and S Semancik, ―Nanoparticle engineering and control of tin oxide microstructures for chemical microsensor applications,‖ Nanotechnology, vol 12, no 3, pp 336– 349, Sep 2001 [54] Q Zhou, A Sussman, J Chang, J Dong, A Zettl, and W Mickelson, ―Fast response integrated MEMS microheaters for ultra low power gas detection,‖ Sensors and Actuators, A: Physical, vol 223 pp 67–75, 2015 [55] G Korotcenkov and B K Cho, ―Engineering approaches to improvement of conductometric gas sensor parameters Part 2: Decrease of dissipated (consuma le) power and improvement sta ility and relia ility,‖ Sensors Actuators B Chem., vol 198, pp 316–341, Jul 2014 [56] Z Dai et al., ―Fast-response, sensitivitive and low-powered chemosensors by fusing nanostructured porous thin film and IDEs-microheater chip,‖ Scientific Reports, vol 2013 [57] S E Moon et al., ―Low power consumption micro C2H5OH gas sensor ased on micro-heater and ink jetting technique,‖ Sensors Actuators, B Chem., vol 217, pp 146–150, Oct 2015 [58] A Y Ahmed, J O Dennis, M N M Saad, and W A Talah, ―Design and simulation of a high temperature MEMS microhotplate for application in trace gas detection,‖ in IEEE International Conference on Semiconductor Electronics, Proceedings, ICSE, pp 153–157, 2008 [59] E Strelcov, S Dmitriev, B Button, J Cothren, V Sysoev, and A Kolmakov, ―Evidence of the self-heating effect on surface reactivity and gas sensing of 134 metal oxide nanowire chemiresistors,‖ Nanotechnology, vol 19, no 35, p 355502, Sep 2008 [60] A Salehi, ―A highly sensitive self heated SnO2 car on monoxide sensor,‖ Sensors and Actuators, B: Chemical, vol 96, no 1–2 pp 88–93, 2003 [61] E Pop, D Mann, Q Wang, K Goodson, and H Dai, ―Thermal Conductance of an Individual Single-Wall Car on Nanotu e a ove Room Temperature,‖ Nano Lett., vol 6, no 1, pp 96–100, Jan 2006 [62] T Kawano, H C Chiamori, M Suter, Q Zhou, B D Sosnowchik, and L Lin, ―An electrothermal car on nanotu e gas sensor,‖ Nano Letters, vol 7, no 12 pp 3686–3690, 2007 [63] I.-K Hsu, M T Pettes, M Aykol, L Shi, and S B Cronin, ―The effect of gas environment on electrical heating in suspended car on nanotu es,‖ J Appl Phys., vol 108, no 8, p 084307, Oct 2010 [64] Y.-J Yu et al., ―High-resolution spatial mapping of the temperature distribution of a Joule self-heated graphene nanori on,‖ Appl Phys Lett., vol 99, no 18, p 183105, Oct 2011 [65] K Chikkadi, M Muoth, V Maiwald, C Roman, and C Hierold, ―Ultra-low power operation of self-heated, suspended car on nanotu e gas sensors,‖ Appl Phys Lett., vol 103, no 22, p 223109, Nov 2013 [66] O Monereo, O Casals, J D Prades, and A Cirera, ―A low-cost approach to low-power gas sensors based on self-heating effects In large arrays of nanostructures,‖ in Procedia Engineering, vol 120, pp 787–790, 2015 [67] O Monereo, J D Prades, and A Cirera, ―Self-heating effects in large arrangements of randomly oriented carbon nanofibers: Application to gas sensors,‖ Sensors Actuators, B Chem., vol 211, pp 489–497, May 2015 [68] O Monereo et al., ―Localized self-heating in large arrays of 1D nanostructures,‖ Nanoscale, vol 8, no 9, pp 5082–5088, 2016 [69] J Seo, Y Lim, and H Shin, ―Self-heating hydrogen gas sensor based on an array of single suspended carbon nanowires functionalized with palladium 135 nanoparticles,‖ Sensors Actuators B Chem., vol 247, pp 564–572, Aug 2017 [70] E Strelcov et al., ―Self-heated Nanowire Sensors: Opportunities, Optimization and Limitations,‖ in AIP Conference Proceedings, pp 9–11, 2009 [71] J D Prades et al., ―Ultralow power consumption gas sensors ased on selfheated individual nanowires,‖ Appl Phys Lett., vol 93, no 12, p 123110, Sep 2008 [72] J.-H Ahn, J Yun, D.-I Moon, Y.-K Choi, and I Park, ―Self-heated silicon nanowires for high performance hydrogen gas detection,‖ Nanotechnology, vol 26, no 9, p 095501, Mar 2015 [73] G Meng et al., ―Nanoscale Thermal Management of Single SnO Nanowire: pico-Joule Energy Consumed Molecule Sensor,‖ ACS Sensors, vol 1, no 8, pp 997–1002, Aug 2016 [74] J D Prades et al., ―Direct o servation of the gas-surface interaction kinetics in nanowires through pulsed self-heating assisted conductometric measurements,‖ Appl Phys Lett., vol 95, no 5, p 053101, Aug 2009 [75] P Offermans, M Crego-Calama, S H Brongersma, H D Tong, and C J M Van Rijn, ―Ultra-low-power hydrogen sensing with palladium nanowires,‖ Proceedings of IEEE Sensors pp 98–101, 2008 [76] J D Prades, R Jimenez-Diaz, F Hernandez-Ramirez, A Cirera, A RomanoRodriguez, and J R Morante, ―Harnessing self-heating in nanowires for energy efficient, fully autonomous and ultra-fast gas sensors,‖ Sensors and Actuators, B: Chemical, vol 144, no pp 1–5, 2010 [77] J D Prades et al., ―Quantitative analysis of CO-humidity gas mixtures with self-heated nanowires operated in pulsed mode,‖ Appl Phys Lett., vol 97, no 24, p 243105, Dec 2010 [78] F Yang, D K Taggart, and R M Penner, ―Joule Heating a Palladium Nanowire Sensor for Accelerated Response and Recovery to Hydrogen Gas,‖ Small, vol 6, no 13, pp 1422–1429, Jun 2010 [79] C S Prajapati and N Bhat, ―Self-heating oxidized suspended Pt nanowire for 136 high performance hydrogen sensor,‖ Sensors Actuators B Chem., vol 260, pp 236–242, May 2018 [80] J Yun, C Y Jin, J.-H Ahn, S Jeon, and I Park, ―A self-heated silicon nanowire array: selective surface modification with catalytic nanoparticles by nanoscale Joule heating and its gas sensing applications,‖ Nanoscale, vol 5, no 15, p 6851, 2013 [81] M Afshar et al., ―Indium-tin-oxide single-nanowire gas sensor fabricated via laser writing and su sequent etching,‖ Sensors Actuators B Chem., vol 215, pp 525–535, Aug 2015 [82] F Hernandezramirez, A Tarancon, O Casals, J Arbiol, A Romanorodriguez, and J Morante, ―High response and sta ility in CO and humidity measures using a single SnO2 nanowire,‖ Sensors Actuators B Chem., vol 121, no 1, pp 3–17, Jan 2007 [83] N D Chinh, N Van Toan, V Van Quang, N Van Duy, N D Hoa, and N Van Hieu, ―Comparative NO2 gas-sensing performance of the self-heated individual, multiple and networked SnO2 nanowire sensors fa ricated y a simple process,‖ Sensors Actuators, B Chem., vol 201, pp 7–12, Oct 2014 [84] S Walia, R Gupta, K D M Rao, and G U Kulkarni, ―Transparent Pd Wire Network-Based Areal Hydrogen Sensor with Inherent Joule Heater,‖ ACS Appl Mater Interfaces, vol 8, no 35, pp 23419–23424, Sep 2016 [85] T F Choo, N U Saidin, and K Y Kok, ―A novel self-heating zinc oxide/indium tin oxide based hydrogen gas sensor: Dual sensing mode of hydrogen gas detection,‖ Chem Phys Lett., vol 713, pp 180–184, Dec 2018 [86] J H Kim, H W Kim, and S S Kim, ―Self-heating effects on the toluene sensing of Pt-functionalized SnO2 –ZnO core–shell nanowires,‖ Sensors Actuators, B Chem., vol 251, pp 781–794, Nov 2017 [87] D T T Le et al., ―Density-controllable growth of SnO2 nanowire junctionbridging across electrode for low-temperature NO2 gas detection,‖ J Mater Sci., vol 48, no 20, pp 7253–7259, Oct 2013 137 [88] D D Trung, N Van Toan, P Van Tong, N Van Duy, N D Hoa, and N Van Hieu, ―Synthesis of single-crystal SnO2 nanowires for NOx gas sensors application,‖ Ceramics International, vol 38, no pp 6557–6563, 2012 [89] W Yin, B Wei, and C Hu, ―In situ growth of SnO nanowires on the surface of Au-coated Sn grains using water-assisted chemical vapor deposition,‖ Chemical Physics Letters, vol 471, no 1–3 pp 11–16, 2009 [90] E S M Duraia, Z A Mansorov, and S Tokmolden, ―Synthesis, characterization and photoluminescence of tin oxide nanoribbons and nanowires,‖ Physica B: Condensed Matter, vol 404, no 21 pp 3952–3956, 2009 [91] E M El-Maghra y, A Qurashi, and T Yamazaki, ―Synthesis of SnO2 nanowires their structural and H2 gas sensing properties,‖ Ceram Int., vol 39, no 7, pp 8475–8480, Sep 2013 [92] L Mazeina, Y N Picard, J D Caldwell, E R Glaser, and S M Prokes, ―Growth and photoluminescence properties of vertically aligned SnO2 nanowires,‖ Journal of Crystal Growth, vol 311, no 11 pp 3158–3162, 2009 [93] A Dey, ―Materials Science & Engineering B Semiconductor metal oxide gas sensors : A review,‖ Materials Science and Engineering B, vol 229 pp 206– 217, 2018 [94] H Liu, L Zhang, K Li, and O Tan, ―Microhotplates for Metal Oxide Semiconductor Gas Sensor Applications—Towards the CMOS-MEMS Monolithic Approach,‖ Micromachines, vol 9, no 11, p 557, Oct 2018 [95] K Potje-Kamloth, ―Semiconductor junction gas sensors,‖ Chemical Reviews, vol 108, no pp 367–399, 2008 [96] M Chen, X Xia, Z Wang, Y Li, J Li, and C Gu, ―Rectifying ehavior of individual SnO2 nanowire by different metal electrode contacts,‖ Microelectronic Engineering, vol 85, no 5–6 pp 1379–1381, 2008 [97] M J Toohey, ―Electrodes for nanodot- ased gas sensors,‖ Sensors Actuators B Chem., vol 105, no 2, pp 232–250, Mar 2005 138 [98] S Lee, ―Electrodes for Semiconductor Gas Sensors,‖ Sensors, vol 17, no 4, p 683, Mar 2017 [99] N M Shaalan, T Yamazaki, and T Kikuta, ―Influence of morphology and structure geometry on NO2 gas-sensing characteristics of SnO2 nanostructures synthesized via a thermal evaporation method,‖ Sensors Actuators, B Chem., vol 153, no 1, pp 11–16, Mar 2011 [100] B G Kim, D G Lim, J H Park, Y J Choi, and J G Park, ―In-situ bridging of SnO nanowires between the electrodes and their NO gas sensing characteristics,‖ Applied Surface Science, vol 257, no 10 pp 4715–4718, 2011 [101] L V Thong, L T N Loan, and N Van Hieu, ―Comparative study of gas sensor performance of SnO2 nanowires and their hierarchical nanostructures,‖ Sensors and Actuators, B: Chemical, vol 150, no pp 112–119, 2010 [102] L V Thong et al., ―On-chip fabrication of SnO2-nanowire gas sensor: The effect of growth time on sensor performance,‖ Sensors and Actuators, B: Chemical, vol 146, no pp 361–367, 2010 [103] D Dang, L Duc, H Si, T Dai, T Trung, and N Van Hieu, ―Selective detection of carbon dioxide using LaOCl-functionalized SnO nanowires for air-quality monitoring,‖ Talanta, vol 88 pp 152–159, 2012 [104] N Van Hieu, H R Kim, B K Ju, and J H Lee, ―Enhanced performance of SnO2 nanowires ethanol sensor y functionalizing with La2O3,‖ Sensors and Actuators, B: Chemical, vol 133, no pp 228–234, 2008 [105] A Sharma, M Tomar, and V Gupta, ―Sensors and Actuators B : Chemical SnO thin film sensor with enhanced response for NO gas at lower temperatures,‖ Sensors & Actuators: B Chemical, vol 156, no pp 743–752, 2011 [106] A Sharma, M Tomar, and V Gupta, ―A low temperature operated NO2 gas sensor based on TeO2/SnO2 p-n heterointerface,‖ Sensors and Actuators, B: Chemical, vol 176 pp 875–883, 2013 [107] Y.-J Choi, I.-S Hwang, J.-G Park, K J Choi, J.-H Park, and J.-H Lee, ―Novel fa rication of an SnO nanowire gas sensor with high sensitivity,‖ 139 Nanotechnology, vol 19, no 9, p 095508, Mar 2008 [108] Y Wang et al., ―Low-Temperature H S Detection with Hierarchical Cr-Doped WO Microspheres,‖ ACS Appl Mater Interfaces, vol 8, no 15, pp 9674– 9683, Apr 2016 [109] A Buerke, H Wendrock, and K Wetzig, ―Study of electromigration damage in Al interconnect lines inside a SEM,‖ Cryst Res Technol., vol 35, no 6, pp 721– 730, Jul 2000 [110] H V Nguyen et al., ―Fast temperature cycling and electromigration induced thin film cracking in multilevel interconnection: Experiments and modeling,‖ Microelectronics Reliability, vol 42, no 9–11 pp 1415–1420, 2002 [111] C H Liu, L Zhang, and Y J He, ―Properties and mechanism study of Ag doped SnO thin films as H S sensors,‖ Thin Solid Films, vol 304, no 1–2 pp 13– 15, 1997 [112] I.-S Hwang et al., ―Facile Control of C H OH Sensing Characteristics y Decorating Discrete Ag Nanoclusters on SnO Nanowire Networks,‖ ACS Appl Mater Interfaces, vol 3, no 8, pp 3140–3145, Aug 2011 [113] J W Yoon, Y J Hong, Y C Kang, and J H Lee, ―High performance chemiresistive H2S sensors using Ag-loaded SnO2 yolk-shell nanostructures,‖ RSC Adv., vol 4, no 31, pp 16067–16074, 2014 [114] P S Kolhe, P M Koinkar, N Maiti, and K M Sonawane, ―Synthesis of Ag doped SnO2 thin films for the evaluation of H2S gas sensing properties,‖ Phys B Condens Matter, vol 524, pp 90–96, Nov 2017 [115] S.-J Kim, S.-J Choi, J.-S Jang, H.-J Cho, and I.-D Kim, ―Innovative Nanosensor for Disease Diagnosis,‖ Acc Chem Res., vol 50, no 7, pp 1587– 1596, Jul 2017 [116] A Schutze, A Gramm, and T Ruhl, ―Identification of Organic Solvents y a Virtual Multisensor System with Hierarchical Classification,‖ IEEE, vol 4, no pp 382–387, 2002 [117] W Wojnowski, T Majchrzak, T Dymerski, J Gę icki, and J Namieśnik, 140 ―Porta le electronic nose ased on electrochemical sensors for food quality assessment,‖ Sensors (Switzerland), vol 17, no 12, p 2715, Nov 2017 [118] Y Chen, P Xu, T Xu, D Zheng, and X Li, ―ZnO-nanowire size effect induced ultra-high sensing response to ppb-level H2S,‖ Sensors Actuators B Chem., vol 240, pp 264–272, Mar 2017 [119] A Kumar et al., ―Fast Response and High Sensitivity of ZnO Nanowires Cobalt Phthalocyanine Heterojunction Based H2S Sensor,‖ ACS Appl Mater Interfaces, vol 7, no 32, pp 17713–17724, Aug 2015 [120] H M Ammann, ―A new look at physiologic respiratory response to H2S poisoning,‖ Journal of Hazardous Materials, vol 13, no pp 369–374, 1986 [121] S Singh and H Lin, ―Hydrogen Sulfide in Physiology and Diseases of the Digestive Tract,‖ Microorganisms, vol 3, no pp 866–889, 2015 [122] K Saksrithai and A J King, ―Controlling Hydrogen Sulfide Emissions during Poultry Productions,‖ J Anim Res Nutr., vol 03, no 01, 2018 [123] M Rivai, F Budiman, D Purwanto, and J Simamora, ―Meat freshness identification system using gas sensor array and color sensor in conjunction with neural network pattern recognition,‖ J Theor Appl Inf Technol., vol 96, no 12, pp 3861–3872, 2018 [124] S W Choi, A Katoch, J Zhang, and S S Kim, ―Electrospun nanofi ers of CuO-SnO2 nanocomposite as semiconductor gas sensors for H2S detection,‖ Sensors and Actuators, B: Chemical, vol 176 pp 585–591, 2013 [125] A Stanoiu et al., ―Sensors based on mesoporous SnO2 -CuWO4 with high selective sensitivity to H S at low operating temperature,‖ J Hazard Mater., vol 331, pp 150–160, Jun 2017 [126] J Gong, Q Chen, M R Lian, N C Liu, R G Stevenson, and F Adami, ―Micromachined nanocrystalline silver doped SnO2 H2S sensor,‖ Sensors and Actuators, B: Chemical, vol 114, no pp 32–39, 2006 [127] D N Chavan, G E Patil, D D Kajale, V B Gaikwad, P K Khanna, and G H Jain, ―Nano Ag-doped In2O3 thick film: A low-temperature H2S gas sensor,‖ 141 Journal of Sensors, vol 2011 2011 [128] M S Barbosa, P H Suman, J J Kim, H L Tuller, J A Varela, and M O Orlandi, ―Gas sensor properties of Ag- and Pd-decorated SnO micro-disks to NO2, H2 and CO: Catalyst enhanced sensor response and selectivity,‖ Sensors Actuators, B Chem., vol 239, pp 253–261, Feb 2017 [129] Y Qin, D Liu, T Zhang, and Z Cui, ―Ultrasensitive Silicon Nanowire Sensor Developed by a Special Ag Modification Process for Rapid NH Detection,‖ ACS Appl Mater Interfaces, vol 9, no 34, pp 28766–28773, Aug 2017 [130] Z Yin et al., ―Aligned hierarchical Ag/ZnO nano-heterostructure arrays via electrohydrodynamic nanowire template for enhanced gas-sensing properties,‖ Scientific Reports, vol 7, no 2017 [131] H W Kim, H G Na, D S Kwak, H Y Cho, and Y J Kwon, ―Enhanced Gas Sensing Characteristics of Ag2O-Functionalized Networked In2O3 Nanowires,‖ Jpn J Appl Phys., vol 52, no 10S, p 10MD01, Oct 2013 [132] Chen, X., Guo, Z., Xu, W -H., Yao, H -B., Li, M.-Q., Liu, J.-H., Huang, X.-J., Yu, S.-H., ―Templating Synthesis of SnO2 Nanotu es Loaded with Ag2O Nanoparticles and Their Enhanced Gas Sensing Properties,‖ Adv Funct Mater 21, 2049–2056, 2011 [133] Hui Li, Dehan Luo, Yunlong Sun and Hamid GholamHosseini, ―Classification and Identification of Industrial Gases Based on Electronic Nose Technology,‖ Sensors, 19, 5033, 2019 [134] M A Akbar et al., ―An Empirical Study for PCA- and LDA-Based Feature Reduction for Gas Identification,‖ IEEE Sens J., vol 16, no 14, pp 5734–5746, Jul 2016 142 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Ha Minh Tan, Chu Manh Hung, Trinh Minh Ngoc, Hugo Nguyen, Nguyen Duc Hoa, Nguyen Van Duy, Nguyen Van Hieu (2017), Novel Self-Heated Gas Sensors Using on-Chip Networked Nanowires with Ultralow Power Consumption, ACS Appl Nguyen Kien, Chu Manh Hung, Trinh Minh Ngoc, Dang Thi Thanh Le, Nguyen Duc Hoa, Nguyen Van Duy, Nguyen Van Hieu (2017), Low-temperature prototype hydrogen sensors using Pd-decorated SnO2 nanowires for exhaled breath applications, Sensors and Actuators B: Chemical, vol 253, pp 156–163 Trịnh Minh Ngọc, Chử Mạnh Hưng, Nguyễn Ngọc Trung, Nguyễn Văn Duy (SPMS2017), Enhanced Hydrogen sensitivity of self-heating sensor using SnO2 nanowires network by catalyst, Proceeding of the 10th Vietnam national conference on solid state physics and materials science, pp 376-379 Trinh Minh Ngoc, Hugo Nguyen, Chu Manh Hung, Nguyen Ngoc Trung, Nguyen Van Duy (ACCS2017), H2S Sensing Characteristics of Self-heated Ag-coated SnO2 nanowires, Proceeding of the 12th Asian Conference on Chemical Sensors, pp 350-353 Trinh Minh Ngoc, Nguyen Van Duy, Chu Manh Hung, Nguyen Duc Hoa, Nguyen Ngoc Trung, Hugo Nguyen, Nguyen Van Hieu (2018) Ultralow power consumption gas sensor based on a self-heated nanojunction of SnO2 nanowires, RSC Adv., 8, 36323–36330 Trinh Minh Ngoc, Nguyen Van Duy, Chu Manh Hung, Nguyen Duc Hoa, Hugo Nguyen, Matteo Tonezzer, Nguyen Van Hieu (2019), Self-heated Ag-decorated SnO2 nanowires with low power consumption used as a predictive virtual multisensor for H2S-selective sensing, Analytica Chimica Acta 1069, 108-116 143 Trinh Minh Ngoc, Nguyen Van Duy, Nguyen Duc Hoa, Chu Manh Hung, Hugo Nguyen, Nguyen Van Hieu (2019), Effective design and fabrication of low-powerconsumption self-heated SnO2 nanowire sensors for reducing gases, Sensors and Actuators B: Chemical, vol 295, pp 144-152 144 ... iến .19 1.3 Cảm biến khí ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng 26 1.3.1 Hiệu ứng tự đốt nóng Joule truyền nhiệt 27 1.3.2 Cảm biến ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng tình hình nghiên cứu 29 1.4... nóng cho cảm biến khí phát triển tương lai Vì vậy, nghiên cứu sinh chọn đề tài nghiên cứu luận án Nghiên cứu hiệu ứng tự đốt nóng dây nano SnO2 ứng dụng cho cảm biến khí Mục tiêu nghiên cứu -... điểm hiệu ứng tự đốt nóng nên gần có nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu ứng dụng hiệu ứng cho hoạt động cảm biến khí Nhóm Ning Sheng Xu c ng ố nghiên cứu cảm biến khí H tự đốt nóng dựa mạng lưới dây