Nghiên cứu ảnh hưởng của chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí của vật liệu nano zno ở lân cận nhiệt độ phòng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN TIẾN DŨNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHIẾU SÁNG TỬ NGOẠI TỚI TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ CỦA VẬT LIỆU NANO ZnO Ở LÂN CẬN NHIỆT ĐỘ PHÒNG Ngành: Vật lý kỹ thuật LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐỖ ĐỨC THỌ Hà Nội – 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn nghiên cứu Tất kết đạt tơi thực chưa trình bày luận văn thạc sỹ khác Các số liệu, lý thuyết tham khảo trích dẫn từ tài liệu gốc Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2019 Học viên Nguyễn Tiến Dũng LỜI CẢM ƠN Trước tiên tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Đỗ Đức Thọ, người thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Thầy gợi mở ý tưởng khoa học trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tơi tận tình q trình nghiên cứu Thầy không cung cấp cho kiến thức, phương pháp nghiên cứu khoa học vô quý báu mà cịn truyền cho tơi niềm hăng say học tập tạo cho tơi tính bền bỉ, nghiêm túc nghiên cứu khoa học Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô viện Vật Lý Kỹ Thuật, đặc biệt môn Vật liệu điện tử tạo điều kiện để học tập, nghiên cứu Viện suốt trình học tập trường Tôi xin cảm ơn hỗ trợ Đề tài Khoa học công nghệ cấp B2017-BK-49 hỗ trợ thực đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất bạn bè, đặc biệt người bạn phịng thí nghiệm cảm biến khí, người quan tâm, động viên, trao đổi thông tin, kiến thức suốt thời gian qua Cuối cùng, tơi xin dành tình cảm đặc biệt đến gia đình, người thân tôi, người tin tưởng, động viên cho để vững bước vượt qua khó khăn Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2019 Học viên Nguyễn Tiến Dũng MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 11 1.1 Vật liệu nano ZnO 11 1.1.1 Cấu trúc tinh thể 11 1.1.2 Tính chất điện ZnO 13 1.1.3 Tính chất quang ZnO 14 1.2 Phương pháp chế tạo vật liệu nano ZnO 17 1.2.1 Phương pháp thủy nhiệt 18 1.2.2 Nguyên lý phương pháp thuỷ nhiệt 18 1.2.3 Cơ chế phát triển cấu trúc nano ZnO phương pháp thuỷ nhiệt 20 1.3 Cảm biến khí sở vật liệu oxit kim loại bán dẫn ZnO 26 1.3.1 Cấu tạo cảm biến khí oxit kim loại bán dẫn 28 1.3.2 Cơ chế nhạy cồn vật liệu oxit bán dẫn ZnO 29 1.3.3 Các thông số đặc trưng cho cảm biến khí oxit kim loại bán dẫn 30 1.4 Kết luận chương 40 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 41 2.1 Tổng hợp vật liệu nano ZnO 41 2.1.1 Hoá chất 41 2.1.2 Thiết bị thí nghiệm 41 2.1.1 Tổng hợp vật liệu nano ZnO nano ZnO tổ hợp Fe 2O3 42 2.1.2 Chế tạo hoa nano ZnO hoa nano ZnO tổ hợp 1% Fe2O3 44 2.2 Chế tạo cảm biến sở vật liệu nano ZnO 45 2.2.1 Điện cực sử dụng cho cảm biến 45 2.2.2 Chế tạo cảm biến 46 2.3 Đo đặc trưng vật liệu 47 2.3.1 Khảo sát tính chất 47 2.3.2 Khảo sát đặc trưng cảm biến 47 2.3.3 Quy trình đo 48 2.3.4 Các tính tốn cho đặc trưng cảm biến 49 2.4 Kết luận chương 50 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 51 3.1 Tấm nano ZnO 51 3.1.1 Hình thái, vi cấu trúc vật liệu nano ZnO 51 3.1.2 Cấu trúc tinh thể vật liệu nano ZnO 52 3.1.3 Khảo sát đặc tính nhạy khí cảm biến cồn ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại 55 3.2 Hoa nano ZnO 70 3.2.1 Hình thái, vi cấu trúc vật liệu hoa nano ZnO 70 3.2.2 Hình thái, vi cấu trúc vật liệu hoa nano ZnO tổ hợp 1% Fe2O3 71 3.2.2 Cấu trúc tinh thể hoa nano ZnO 72 3.2.3 Khảo sát đặc tính nhạy khí cảm biến cồn ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại 74 3.3 Các chế ảnh hưởng tác động lên tính chất nhạy khí mẫu cảm biến 84 3.4 Kết luận chương 88 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 90 DANH SÁCH CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 92  Đã công bố: 92  Dự kiến: 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phòng DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình I: Việt Nam tiêu thụ bia rượu gia tăng nhanh giới [1] Hình 1.1: Các cấu trúc tinh thể ZnO: a) Rocksalt, b) Zine blende, c) Wurtzite [26] 12 Hình 1.2: Đặc trưng I-V cảm biến, với mơi trường bóng tối chiếu sáng tử ngoại khơng khí thường N2, đồ thị (a) thang tuyến tính (b) thang hàm loga, (c) hình thái học khác vật liệu ZnO [27] 13 Hình 1.3: Phổ phát xạ huỳnh quang bước sóng 350 nm-420 nm a) hạt nano ZnO; b) nanorod ZnO [28] 15 Hình 1.4: Giản đồ mức lượng ZnO [24] 16 Hình 1.5: Khảo sát thay đổi khối lượng riêng ρ, điện môi ε, số phân ly ion Kw nước tinh khiết áp suất không đổi 30 MPa [30] 19 Hình 1.6: Quá trình chuyển pha nước theo nhiệt độ áp suất [30] 19 Hình 1.7: Hình thái mọc tinh thể điển hình cấu trúc nano ZnO 1D [31] 21 Hình 1.8: Quá trình hình thành cấu trúc tinh thể ZnO môi trường kiềm theo mặt (0001) [5] 22 Hình 1.9: Ảnh hưởng nhiệt độ (a) pH (b) đến kích thước hạt ZnO [32] 22 Hình 1.10: Sơ đồ ổn định pha hệ ZnO-H2O 25 oC hàm nồng độ dung dịch độ pH với đường nét đứt biểu thị cân nhiệt động ion Zn2+ [35] 23 Hình 1.11: Ảnh SEM cấu trúc nano ZnO chiều tổng hợp độ pH khác nhau: (a) pH=9.0, (b) pH=9.5, (c) pH=10.0, (d) pH=10.5, (e) pH=11.0, (f) pH=11.5, (g) pH=11.8 (h) hình ảnh phóng đại (g) [5] 25 Hình 1.12: Cấu tạo cảm biến khí dạng màng 28 NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phịng Hình 1.13 Cơ chế nhạy khí cảm biến thay đổi độ dẫn [22] 29 Hình 1.14: Sự thay đổi màng cảm biến có khí thử [47] 30 Hình 1.15: Minh hoạ cách tính thời gian đáp ứng hồi phục [48] 31 Hình 1.16: Ảnh hưởng kích thước hạt lên cảm biến SnO2 với nồng độ 800 ppm H2 800 ppm CO khơng khí 300 oC [47] 34 Hình 1.17.: Sự phụ thuộc độ đáp ứng khí NO2 cảm biến dựa vật liệu ZnO vào nhiệt độ [51] 35 Hình 1.18: Các loại oxy khác phát bề mặt SnO2 phân tích FTIR, TPD, EPR [52] 36 Hình 1.19: Sự hấp thụ nước bề mặt SnO2 nhiệt độ khác [50] 37 Hình 1.20: Cấu trúc tinh thể α-Fe2O3 [58] 38 Hình 2.1: Minh hoạ cấu trúc điện cực lược cảm biến 45 Hình 2.3: Sơ đồ hệ đo đặc trưng nhạy khí cảm biến 48 Hình 2.4: Minh hoạ việc tính tốn thời gian hồi-đáp cảm biến [48] 49 Hình 3.1: Ảnh FE-SEM vật liệu nano ZnO chế tạo phương pháp thuỷ nhiệt với tỉ lệ tổ hợp Fe2O3 khác 0% (a), 1% (b), 3% (c), 5% (d) 52 Hình 3.2: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu chế tạo với tỉ lệ tổ hợp Fe 2O3 từ 0%, 1%, 3%, 5% điều kiện thuỷ nhiệt 180oC/20h ủ nhiệt 600oC/5h 53 Hình 3.3: Ơ mạng lục giác Wurtzite tinh thể ZnO 53 Hình 3.4: Phổ tán xạ lượng tia X (EDX) mẫu M0, M1, M3 M5 54 Hình 3.5: Ảnh mapping cho biết phân bố nguyên tố mẫu vật liệu M3 55 Hình 3.6: Các đồ thị khảo sát mẫu cảm biến M0: (a) Đặc trưng I-V điều điện môi trường khác nhau; (b) Đáp ứng mẫu môi trường không chiếu sáng tử ngoại; NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phòng (c) Đáp ứng mẫu theo nồng độ cồn 115 oC; (d) Độ đáp ứng theo nồng độ cồn dải nhiệt độ; (e) Độ đáp ứng theo nhiệt độ dải nồng độ cồn 58 Hình 3.7: Các đồ thị độ đáp ứng cồn mẫu cảm biến M0 theo dải nồng độ cồn tăng dần từ 125 - 1500 ppm theo dải nhiệt độ khảo sát từ 40- 115 oC 59 Hình 3.8: Các đồ thị khảo sát mẫu cảm biến M1: (a) Đặc trưng I-V điều điện môi trường khác nhau; (b) Đáp ứng mẫu môi trường không chiếu sáng tử ngoại; (c) Đáp ứng mẫu theo nồng độ cồn 115 oC; (d) Độ đáp ứng mẫu theo nồng độ cồn dải nhiệt độ; (e) Độ đáp ứng mẫu theo nhiệt độ dải nồng độ cồn 60 Hình 3.9: Các đồ thị độ đáp ứng mẫu M1 theo dải nồng độ 125 - 1500 ppm dải nhiệt độ từ 40- 115 oC 61 Hình 3.10: Các đồ thị khảo sát mẫu cảm biến M3: (a) Đặc trưng I-V điều điện môi trường khác nhau; (b) Đáp ứng mẫu môi trường không chiếu sáng tử ngoại; (c) Đáp ứng theo nồng độ cồn 115 oC; (d) Độ đáp ứng mẫu theo nhiệt độ dải nồng độ cồn; (e) Độ đáp ứng mẫu theo nồng độ cồn theo dải nhiệt độ 62 Hình 3.11: Các đồ thị đáp ứng cồn mẫu M3 dải nồng độ 125 -1500 ppm dải nhiệt độ 40-115 oC 63 Hình 3.12: Các đồ thị khảo sát mẫu cảm biến M5: (a) Đặc trưng I-V điều điện môi trường khác nhau; (b) Đáp ứng mẫu môi trường không chiếu sáng tử ngoại; (c) Đáp ứng mẫu theo nồng độ cồn 115 oC; (d) Độ đáp ứng mẫu theo nồng độ cồn dải nhiệt độ; (e) Độ đáp ứng mẫu theo nhiệt độ dải nồng độ cồn 64 Hình 3.13: Các đồ thị đáp ứng cồn mẫu M5 theo dải nồng độ cồn từ 125 - 1500 ppm dải nhiệt độ khảo sát từ 40-115 oC 65 NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phịng Hình 3.14: (a)-(d) Khảo sát thời gian đáp ứng, thời gian hồi phục cảm biến M0, M1, M3, M5 98 oC ứng với 1500 ppm cồn; (e)-(f) Thời gian đáp ứng-hồi phục mẫu theo dải nhiệt độ 40-115 oC ứng với 1500 ppm cồn 66 Kế tiếp, khảo sát thời gian đáp ứng thời gian hồi phục mẫu cảm biến M0, M1, M3 M5 dải nhiệt độ ứng với 1500 ppm cồn biểu diễn đồ thị Hình 3.14 Các đồ thị Hình 3.14(a)-(d) minh hoạ việc khảo sát tính tốn thời gian đáp ứng hồi phục mẫu nhiệt độ tối ưu 98 oC ứng với 1500 ppm cồn Kết khảo sát mẫu theo dải nhiệt độ 40-115 oC thể Hình 3.14(e) cho thấy thời gian đáp ứng trung bình cảm biến nhiệt độ làm việc 115 oC với nồng độ 1500 ppm cảm biến vào khoảng 50 s Trong thời gian hồi phục trung bình cảm biến làm việc nhiệt độ khoảng 63 s thể đồ thị Hình 3.14(f) Cả hai đồ thị cho thấy nhiệt độ làm việc cảm biến tăng thời gian đáp ứng thời gian hồi phục cảm biến giảm Điều giải thích nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng tăng, dẫn đến tốc độ hấp phụ khí tăng Khi nhiệt độ tăng tốc độ giải hấp phụ tăng dẫn đến thời gian hồi phục giảm 67 Hình 3.15: Đồ thị so sánh độ đáp ứng mẫu cảm biến M0, M1, M3 M5 nhiệt độ làm việc tối ưu 98 oC ứng với 1500 ppm cồn 68 Hình 3.16: Khảo sát độ chọn lọc khí mẫu cảm biến M1 với loại khí thử khác ethanol, axetone amoniac nhiệt độ làm việc 98 oC ứng với nồng độ khí đo 1000 ppm có chiếu sáng tử ngoại 69 Hình 3.17: Ảnh chụp FE-SEM hoa nano ZnO theo độ phóng đại: (a) 2000 lần; (b) 20000 lần; (c) 35000 lần (d) 100000 lần 70 Hình 3.18: Ảnh chụp FE-SEM hoa nano ZnO tổ hợp 1% Fe2O3 theo độ phóng đại: 71 (a) 1000 lần; (b) 5000 lần; (c) 22000 lần (d) 40000 lần 71 Hình 3.19: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu hoa nano ZnO 72 NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phịng phát vùng hóa trị làm thay đổi chiếm dụng khuyết tật oxy làm thay đổi khả hấp thụ bề mặt Nói cách khác, photon chiếu xạ lên bề mặt, cặp lỗ trống-electron ảnh hưởng tương tác với oxy hấp thụ gây ion oxy đồng thời với electron tương tác với oxy khơng khí Hiện tượng tiếp tục đạt đến trạng thái cân tỷ lệ xuất cặp điện tử -lỗ trống bề mặt trở nên Sự tương tác tái tổ hợp cặp điện tử-lỗ trống phá vỡ liên kết cung cấp nguyên tử oxy có khả khuếch tán lên bề mặt tinh thể, phản ứng với ion oxy hình thành O2(g) để lại nút khuyết oxy phía sau Các phản ứng xảy bề mặt sau [74]: 𝑂 𝑂 𝑂 ( 𝑂 ( 𝑂 ( ( ) ) ) ↔𝑂 +𝑒 ↔ 𝑂 + ℎ( ) ( ( ↔𝑂 ) + 𝑒( ) ) ) ( ↔𝑂 ( ) + 𝑒 ↔ 2𝑂( 𝑂( ) + 𝑒 ↔ 𝑂( ) ( (3.1) ) ) ) Khí oxy hóa có hoạt tính xúc tác cao Khi tiếp xúc với lớp với khí oxy hóa, khí phản ứng với ion oxy hấp thụ hấp phụ trực tiếp bề mặt Một trạng thái cân động tồn giải-hấp phân tử khí bề mặt Nói cách khác, phân tử khí mục tiêu O2 cạnh tranh cho vị trí hấp phụ có sẵn Số lượng lớn vị trí bị chiếm đóng ion oxy trạng thái cân với phân tử khơng khí, phần nhỏ vị trí có sẵn cho khí mục tiêu dẫn đến phản ứng yếu không hồi phục điều kiện tối Dưới xạ liên tục, photon giúp loại bỏ phần phân tử oxy từ bề mặt, cung cấp vị trí trống có sẵn cho phân tử khí mục tiêu Do đó, trạng thái cân ổn định dựa cân động hấp thụ giải hấp oxy khí hình thành Khi phân tử khí chấp nhận electron từ ion oxy (đặc biệt O2 dạng chiếm ưu nhiệt độ phòng), trạng 85 NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phịng thái hóa học ổn định khí tạo hấp thụ xạ sáng cực tím Phản ứng giải-hấp diễn đồng thời để đạt tới trạng thái cân dịng chảy liên tục photon Nói cách khác, chiếu xạ sáng cực tím đẩy nhanh tốc độ phản ứng thay đổi vị trí cân để tiêu thụ nhiều electron hơn, có lượng ổn định khí hấp phụ bề mặt Hình 3.33: Sơ đồ phản ứng bề mặt xảy cảm biến khí kích thích chiếu sáng tử ngoại với khí đo cồn Hình 3.33 cho thấy sơ đồ phản ứng bề mặt xảy cảm biến khí dựa vật liệu ZnO kích thích sáng tử ngoại với khí đo cồn: C2 H 5OH ads  3Oh  2CO2  3H 2O  3e  (3.2) Vậy việc sử dụng chiếu sáng tử ngoại kích thích yếu tố giúp cải thiện tính chất nhạy khí cảm biến dựa sở vật liệu oxit kim loại bán dẫn ZnO nhiệt độ thấp gần nhiệt độ phịng Ngồi ra, thay đổi cấu trúc hình thái việc tổ hợp tỉ lệ nhỏ 86 NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phòng Fe2O3 giúp làm tăng cường tính chất điện, tăng độ xốp màng, tăng diện tích bề mặt Qua đó, nâng cao độ đáp ứng, tăng độ chọn lọc cảm biến khí Thật vậy, Fe2O3 oxit bán dẫn loại n, có độ rộng vùng cấm cỡ 2,2 eV Khi tổ hợp với ZnO dẫn đến hình thành chuyển tiếp n-n, dịch chuyển hạt tải diễn chênh lệch mức Fermi theo hình thành vùng điện tích khơng gian điện trường tiếp xúc Hình 3.34 Cụ thể, mức Fermi ZnO cao mức Fermi Fe 2O3, dẫn đến uốn cong vùng lượng ZnO Fe 2O3 Cơng ZnO 5,2 eV (s) Fe2O3 5,88 eV (m), chênh lệch công thoát nên electron khuếch tán từ bên ZnO sang bên Fe2O3 hình thành lớp nghèo điện tử bên ZnO lớp giàu điện tử (lớp tích tụ) bên Fe2O3 Các lớp nghèo gờ giảm tốc khiên dịng điện bị ngăn cản khơng thể thẳng (Hình 3.35) Khi tương tác với cồn, cồn nhường điện tử cho hai vật liệu làm giảm chiều dày lớp nghèo bên ZnO dịng điển dễ dàng qua vùng nghèo mà bị ngăn cản khiến điện trở giảm độ đáp ứng tăng so với vật liệu Hình 3.34: Sự uốn cong mức lượng chuyển tiếp Fe2O3-ZnO 87 NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phịng Hình 3.35: Ảnh hưởng vùng nghèo tới kênh dẫn chuyển tiếp ZnO-Fe 2O3 3.4 Kết luận chương Chúng nghiên cứu, chế tạo thành công vật liệu ZnO có kích thước nano với hình thái tấm; hoa nano với tỉ lệ tổ hợp Fe2O3 khác phương pháp thuỷ nhiệt Các mẫu vật liệu có độ đồng cao, kích thước nano, độ xốp cao, cấu trúc tinh thể tốt Cảm biến khí dựa sở nano ZnO nano ZnO tổ hợp Fe 2O3 theo tỉ lệ khác tác động chiếu sáng tử ngoại cải thiện tính chất cồn nhiệt độ thấp lân cận nhiệt độ phịng Cảm biến đáp ứng cồn nhiệt độ 40 oC 1,34 lần Và độ đáp ứng tốt lần mẫu cảm biến M1 có tỉ lệ tổ hợp 1% Fe2O3 nhiệt độ 98 oC với nồng độ khí 1500 ppm cồn Và mẫu có độ chọn lọc cao với cồn Cảm biến khí dựa sở hoa nano ZnO hoa nano ZnO tổ hợp 1% Fe 2O3 có độ xốp cao hơn, tăng khả tiếp xúc với khí thử so với mẫu nano Khi 88 NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phịng kích thích sáng tử ngoại đáp ứng cồn nhiệt độ thấp gần nhiệt độ phòng Đặc biệt mẫu cảm biến H0 cho độ đáp ứng với cồn 40 oC ứng với 1500 ppm cồn 1,855 lần tốt cảm biến H1 có độ đáp ứng 1,158 lần tốt mẫu M1 nhiệt độ Tính chất nhạy khí mẫu cảm biến H0 có độ đáp ứng tốt, rõ ràng mẫu H1 mẫu nano gần nhiệt độ phịng Qua việc khảo sát phân tính tính chất mẫu Chúng tơi cố gắng tìm hiểu chế ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại việc tổ hợp Fe2O3 đến tính chất nhạy khí vật liệu dựa sở vật liệu ZnO qua nghiên cứu cộng đồng khoa học ghi nhận Qua đó, chúng tơi đưa lý giải chế giúp giảm nhiệt độ hoạt động mẫu cảm biến xuống lân cận nhiệt độ phòng ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại Hơn nữa, lý giải việc tổ hợp Fe2O3 với tỉ lệ phù hợp giúp cải thiện tính chất nhạy khí so với vật liệu 89 NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phòng KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ Trên sở kết phân tích trình bày trên, kết luận chung luận văn là: Đã chế tạo thành cơng cấu trúc nano ZnO có hình thái kích thước đồng phương pháp thuỷ nhiệt, đồng thời khảo sát đặc trưng nhạy khí phân tích tác động sáng tử ngoại lên tính chất nhạy khí vật liệu làm việc nhiệt độ thấp gần nhiệt độ phòng Luận văn trình bày kết hệ cảm biến sở vật liệu nano ZnO tổ hợp Fe2O3 theo tỉ lệ khác M0, M1, M3 M5 Các cảm biến khảo sát tính chất nhạy cồn Kết khảo sát cho thấy cảm biến M1 dựa vật liệu nano ZnO tổ hợp 1% Fe2O3 cho độ đáp ứng tốt với cồn nhiệt độ làm việc 98 oC với nồng độ 1500 ppm cồn Ở lân cận nhiệt độ phòng 40 oC, nhiệt độ mà cảm biến khí dựa sở vật liệu oxit kim loại bán dẫn khơng thể hoạt động chiếu sáng tử ngoại mẫu cảm biến đáp ứng với cồn, nhiên độ đáp ứng, thời gian hồi-đáp chưa tốt nhiệt độ 98 oC Hơn nữa, mẫu có tổ hợp Fe2O3 cho độ đáp ứng, độ chọn lọc tốt mẫu M0 với cồn Đã tổng hợp hoa nano ZnO hoa nano tổ hợp 1% Fe 2O3 có cấu trúc hình thái, kích thước khác phương pháp thuỷ nhiệt, đồng thời khảo sát so sánh tính chất nhạy khí loại vật liệu Mẫu cảm biến H0 dựa vật liệu hoa nano ZnO có cấu trúc gồm nhiều dây hoa xếp sát có đường kính thanh-cánh hoa cỡ 80 nm; cho độ đáp ứng tốt nhiệt độ thấp gần nhiệt độ phòng tác động sáng tử ngoại Độ đáp ứng với cồn 40 oC với nồng độ khí 1500 ppm cồn 1,855 lần tốt cảm biến H1 có độ đáp ứng 1,158 lần nhiệt độ Tính chất nhạy khí mẫu cảm biến H0 có độ đáp ứng tốt, rõ ràng mẫu H1 gần nhiệt độ phòng 90 NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phòng Qua việc tìm hiểu phân tích, chế ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại việc tổ hợp Fe2O3 đến tính chất nhạy khí vật liệu dựa sở vật liệu ZnO lý giải cách phù hợp với kết khảo sát phân tích Qua đó, cho thấy ảnh hưởng tích cực chiếu sáng tử ngoại giúp làm giảm nhiệt độ hoạt động cảm biến khí dựa sở vật liệu ZnO xuống lân cận nhiệt độ phòng việc tổ hợp Fe 2O3 với tỉ lệ phù hợp có tác động tích cực tới việc cải thiện tính chất nhạy khí so với vật liệu ZnO Mặc dù cố gắng thực đề tài nghiên cứu cách hoàn thiện nhất, nhiên cịn nhiều phân tích cần tiến hành để làm rõ tác động ảnh hưởng sáng tử ngoại lên tính chất nhạy khí nhiệt độ thấp gần nhiệt độ phòng nhiều phát mới, lý thú cần giải tương lai Do đó, hướng nghiên cứu dự định bao gồm:  Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng sáng tử ngoại lên tính chất nhạy khí cảm biến dựa vật liệu oxit bán dẫn ZnO nhiệt độ phòng, khống chế độ ẩm mơi trường, từ làm sáng tỏ chế nhạy khí tác động sáng tử ngoại ảnh hưởng độ ẩm môi trường có tác động với cảm biến  Tổ hợp, biến tính bề mặt vật liệu nano ZnO kim loại quý Au, Ag, Pt, Pd nhằm cải thiện, tăng tính nhạy khí vật liệu  Kết hợp với vật liệu có tính chất đặc biệt CNT, GO để cải thiện tính chất nhạy khí nhiệt độ phịng mà khơng dùng kích thích sáng tử ngoại 91 NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phịng DANH SÁCH CƠNG TRÌNH KHOA HỌC Đã cơng bố:  L H Phuoc, D D Tho, N T Dung, V X Hien, D D Vuong, and N D Chien, “Enhancement of ethanol-sensing properties of ZnO nanoplates by UV illumination,” Bull Mater Sci., no 3, 2019 Dự kiến:  UV LED photo-activated Fe-doped ZnO flower-like for ethanol vapor sensing at room temperature Hội nghị ICAMN 2019  UV activated flower-like ZnO for selective ethanol sensors at near room temperatures Hội nghị SPMS 2019 92 NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phòng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Manthey, K D Shield, M Rylett, O S M Hasan, C Probst, and J Rehm, “Articles Global alcohol exposure between 1990 and 2017 and forecasts until 2030 : a modelling study,” vol 6736, no 18, pp 1–10, 2019 [2] Y Deng, Semiconducting Metal Oxides for Gas Sensing [3] Y Shen, X Yang, Y Bian, K Nie, S Liu, and K Tang, “First-principles insights on the electronic and optical properties of ZnO @ CNT core @ shell nanostructure,” Sci Rep., no October, pp 1–9, 2018 [4] Z L Wang, “Nanostructures of zinc oxide,” no June, pp 26–33, 2004 [5] H Search, C Journals, A Contact, M Iopscience, and I P Address, “Hydrothermal growth of ZnO nanostructures,” vol 013001, 2009 [6] H Tai, Z Yuan, W Zheng, Z Ye, C Liu, and X Du, “ZnO Nanoparticles / Reduced Graphene Oxide Bilayer Thin Films for Improved NH -Sensing Performances at Room Temperature,” Nanoscale Res Lett., 2016 [7] N D Khoang, D D Trung, N Van Duy, N D Hoa, and N Van Hieu, “Design of SnO2/ZnO hierarchical nanostructures for enhanced ethanol gas-sensing performance,” Sensors Actuators, B Chem., vol 174, pp 594–601, 2012 [8] R A Potyrailo, “Multivariable Sensors for Ubiquitous Monitoring of Gases in the Era of Internet of Things and Industrial Internet,” 2016 [9] C Zhang, A Boudiba, C Bittencourt, R Snyders, M G Olivier, and M Debliquy, “Visible light activated tungsten oxide sensors for NO2detection at room temperature,” Procedia Eng., vol 47, no 2, pp 116–119, 2012 [10] S Arunkumar et al., “Au Decorated ZnO hierarchical architectures : Facile synthesis , tunable morphology and enhanced CO detection at room temperature,” Sensors Actuators B Chem., 2016 [11] Y LI, L li CHEN, and F xian ZHAO, “Highly selective acetone sensor based on ternary Au/Fe2O3-ZnO synthesized via co-precipitation and microwave irradiation,” Trans Nonferrous Met Soc China (English Ed., vol 28, no 1, pp 1–8, 2018 [12] F Schu, V Postica, R Adelung, and O Lupan, “Single and Networked ZnO − CNT 93 NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phòng Hybrid Tetrapods for Selective Room-Temperature High-Performance Ammonia Sensors,” 2017 [13] A S M I Uddin, D Phan, and G Chung, “Sensors and Actuators B : Chemical Low temperature acetylene gas sensor based on Ag nanoparticles-loaded ZnO-reduced graphene oxide hybrid,” Sensors Actuators B Chem., vol 207, pp 362–369, 2015 [14] E Espid and F Taghipour, “UV-LED Photo-activated Chemical Gas Sensors: A Review,” Crit Rev Solid State Mater Sci., vol 42, no 5, pp 416–432, 2017 [15] Z Fan and J G Lu, “Zinc Oxide Nanostructures : Synthesis and Properties,” vol 5, no 10, 2005 [16] P A Rodnyi and I V Khodyuk, “Optical and Luminescence Properties of Zinc Oxide,” vol 111, no 5, pp 776–785, 2011 [17] Q Peng and Y Qin, “ZnO Nanowires and Their Application for Solar Cells,” 2009 [18] H D Abruña, Y Kiya, and J C Henderson, “Batteries and electrochemical capacitors,” Phys Today, vol 61, no 12, pp 43–47, 2008 [19] Y W Heo et al., “ZnO nanowire growth and devices,” vol 47, pp 1–47, 2004 [20] O Lupan, L Chow, T Pauporté, L K Ono, B R Cuenya, and G Chai, “Sensors and Actuators B : Chemical Highly sensitive and selective hydrogen single-nanowire nanosensor,” Sensors Actuators B Chem., vol 173, pp 772–780, 2012 [21] Q Wan et al., “Fabrication and ethanol sensing characteristics of ZnO nanowire gas sensors Fabrication and ethanol sensing characteristics of ZnO nanowire gas sensors,” vol 3654, no 2004, pp 2002–2005, 2008 [22] R Kumar, G Kumar, and A Umar, “Zinc Oxide Nanostructures for NO Gas – Sensor Applications :,” no 2, 2014 [23] P Song, Q Wang, and Z Yang, “Acetone sensing characteristics of ZnO hollow spheres prepared by one-pot hydrothermal reaction,” Mater Lett., vol 86, pp 168–170, 2012 [24] P K Samanta and P R Chaudhuri, “Substrate effect on morphology and photoluminescence from ZnO monopods and bipods,” vol 4, no 2, pp 130–136, 2011 [25] P Judith and P Espitia, “Zinc Oxide Nanoparticles : Synthesis , Antimicrobial Activity and Food Packaging Applications,” pp 1447–1464, 2012 94 NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phòng [26] G Properties, General Properties of ZnO 2009 [27] “Realization of Inter-linked ZnO Tetrapod Networks for UV Sensor and Room Temperature Gas Sensor,” 2015 [28] J Zhao, C Liu, and Z Lv, “Photoluminescence of ZnO nanoparticles and nanorods,” Opt - Int J Light Electron Opt., pp 18–20, 2015 [29] M L Curri, R Comparelli, M Striccoli, and A Agostiano, “Emerging methods for fabricating functional structures by patterning and assembling engineered nanocrystals,” vol 12, no 37, 2010 [30] R P Lachance, M Fro, M J Antal, A A Peterson, and J W Tester, “Thermochemical biofuel production in hydrothermal media : A review of sub- and supercritical water technologies,” pp 32–65, 2008 [31] Z L Wang, “Zinc oxide nanostructures : growth , properties and applications applications,” 2004 [32] C Lu and C Yeh, “In ¯ uence of hydrothermal conditions on the morphology and particle size of zinc oxide powder,” vol 26, pp 351–357, 2000 [33] L N Demianets, D V Kostomarov, I P Kuz’mina, and S V Pushko, “Mechanism of growth of ZnO single crystals from hydrothermal alkali solutions,” Crystallogr Reports, vol 47, no S1, pp S86–S98, 2002 [34] R Viswanatha, H Amenitsch, and D D Sarma, “Growth kinetics of ZnO nanocrystals: A few surprises,” J Am Chem Soc., vol 129, no 14, pp 4470–4475, 2007 [35] L N Dem’yanets, D V Kostomarov, and I P Kuz’mina, “Chemistry and kinetics of ZnO growth from alkaline hydrothermal solutions,” Inorg Mater., vol 38, no 2, pp 124–131, 2002 [36] N Van Hieu, N D Khoang, D D Trung, and L D Toan, “Comparative study on CO and CO sensing performance of LaOCl-coated ZnO nanowires,” J Hazard Mater., vol 244–245, no 2, pp 209–216, 2013 [37] N Van Hieu, L Thi, N Loan, N Duc, and N Tuan, “A facile thermal evaporation route for large-area synthesis of tin oxide nanowires : Characterizations and their use for liquid petroleum gas sensor,” Curr Appl Phys., vol 10, no 2, pp 636–641, 2010 95 NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phòng [38] L Wang, Y Kang, X Liu, S Zhang, W Huang, and S Wang, “ZnO nanorod gas sensor for ethanol detection,” Sensors Actuators, B Chem., vol 162, no 1, pp 237–243, 2012 [39] M Cho and I Park, “Recent Trends of Light-enhanced Metal Oxide Gas Sensors: Review,” J Sens Sci Technol., vol 25, no 2, pp 103–109, 2016 [40] D Lacy, “Sensors and Actuators B : Chemical,” vol 140, no 2, pp 337–341, 2009 [41] Y Li, J Gong, G He, and Y Deng, “Enhancement of photoresponse and UV-assisted gas sensing with Au decorated ZnO nanofibers,” Mater Chem Phys., vol 134, no 2–3, pp 1172–1178, 2012 [42] F Zhou, W Jing, P Liu, D Han, Z Jiang, and Z Wei, “Doping Ag in ZnO Nanorods to Improve the Performance of Related Enzymatic Glucose Sensors,” 2017 [43] K Lokesh et al., “Effective Ammonia Detection Using n- ZnO / p- NiO Heterostructured Nanofibers,” no c, 2016 [44] L F da Silva et al., “UV-enhanced ozone gas sensing response of ZnOSnO2heterojunctions at room temperature,” Sensors Actuators, B Chem., vol 240, pp 573–579, 2017 [45] J Zhang et al., “Synthesis and gas sensing properties of α -Fe O @ ZnO core – shell nanospindles,” vol 185501, 2011 [46] Y Heo, F Ren, and D P Norton, “Gas , Chemical and Biological Sensing with ZnO,” 2006 [47] N Yamazoe, G Sakai, and K Shimanoe, “Oxide semiconductor gas sensors,” Catal Surv from Asia, vol 7, no 1, pp 63–75, 2003 [48] K Kinh and R J Dalton, “Luận án TS Nguyễn Đức Khoáng,” pp 1–64, 2007 [49] G Korotcenkov, Handbook of Gas Sensor Materials, vol [50] N Barsan, U Weimar, and T Chemistry, “Fundamentals of Metal Oxide Gas Sensors,” pp 618–621, 2012 [51] D V Ponnuvelu et al., “Rapid synthesis and characterization of hybrid ZnO@Au coreshell nanorods for high performance, low temperature NO gas sensor applications,” Appl Surf Sci., vol 355, no 2, pp 726–735, 2015 [52] N Barsan, D Koziej, and U Weimar, “Metal oxide-based gas sensor research : How 96 NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phòng to ?,” vol 121, pp 18–35, 2007 [53] V A Online, Y Cai, H Fan, M Xu, Q Li, and C Long, “Fast economical synthesis of Fe-doped ZnO hierarchical nanostructures and their high gas-sensing performance,” no 3, pp 7339–7345, 2013 [54] X Wu, Z Wei, L Zhang, X Wang, H Yang, and J Jiang, “Optical and Magnetic Properties of Fe Doped ZnO Nanoparticles Obtained by Hydrothermal Synthesis,” vol 2014, pp 1–7, 2014 [55] A Yu et al., “Sensors and Actuators B : Chemical Micro-lotus constructed by Fe-doped ZnO hierarchically porous nanosheets : Preparation , characterization and gas sensing property,” Sensors Actuators B Chem., vol 158, no 1, pp 9–16, 2011 [56] L Han, D Wang, Y Lu, T Jiang, B Liu, and Y Lin, “Visible-light-assisted HCHO gas sensing based on Fe-doped flowerlike ZnO at room temperature,” J Phys Chem C, vol 115, no 46, pp 22939–22944, 2011 [57] R Vyas et al., “RSC Advances Probing luminescent Fe-doped ZnO nanowires for highperformance oxygen gas sensing application †,” RSC Adv., vol 4, pp 54953–54959, 2014 [58] L MacHala, J Tuček, and R Zbořil, “Polymorphous transformations of nanometric iron(III) oxide: A review,” Chem Mater., vol 23, no 14, pp 3255–3272, 2011 [59] N Barsan and U D O Weimar, “Conduction Model of Metal Oxide Gas Sensors r r r r r r r,” pp 143–167, 2002 [60] Y Chen, X Li, X Li, J Wang, and Z Tang, “U[1] Y Chen, X Li, X Li, J Wang, and Z Tang, ‘UV activated hollow ZnO microspheres for selective ethanol sensors at low temperatures,’ Sensors Actuators, B Chem., vol 232, pp 158–164, 2016.V activated hollow ZnO microspheres for selective ethanol s,” Sensors Actuators, B Chem., vol 232, pp 158–164, 2016 [61] S Fan, A K Srivastava, V P Dravid, S Fan, A K Srivastava, and V P Dravid, “UVactivated room-temperature gas sensing mechanism of polycrystalline ZnO UV-activated room-temperature gas sensing mechanism of polycrystalline ZnO,” vol 142106, no 2009, pp 10–13, 2013 97 NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phòng [62] H Search, C Journals, A Contact, M Iopscience, and I P Address, “Enhanced gassensing properties of ZnO nanorods encapsulated in an Fe-doped ZnO,” vol 075003 [63] J Gong, Y Li, X Chai, Z Hu, And, and Y Deng, “UV-Light -Activated ZnO Fibres for Organic Gas Sensing at Room Temperature,” J Phys Chem C, vol 114, pp 1293–1298, 2010 [64] V Postica et al., “Materials Science in Semiconductor Processing Multifunctional device based on ZnO : Fe nanostructured fi lms with enhanced UV and ultra-fast ethanol vapour sensing,” Mater Sci Semicond Process., vol 49, pp 20–33, 2016 [65] C B Jacobs et al., “UV-activated ZnO films on a flexible substrate for room temperature O and H O sensing,” no February, pp 1–10, 2017 [66] L H Phuoc, D D Tho, N T Dung, V X Hien, D D Vuong, and N D Chien, “Enhancement of ethanol-sensing properties of ZnO nanoplates by UV illumination,” Bull Mater Sci., no 3, 2019 [67] P Zhang, G Pan, B Zhang, J Zhen, and Y Sun, “High Sensitivity Ethanol Gas Sensor Based on Sn-doped ZnO Under Visible Light Irradiation at Low Temperature,” pp 5–10, 2014 [68] J Zhai, L Wang, D Wang, Y Lin, D He, and T Xie, “Sensors and Actuators B : Chemical UV-illumination room-temperature gas sensing activity of carbon-doped ZnO microspheres,” Sensors Actuators B Chem., vol 161, no 1, pp 292–297, 2012 [69] F Meng, H Zheng, Y Sun, M Li, and J Liu, “UV-activated room temperature singlesheet ZnO gas sensor,” vol 12, pp 813–817, 2017 [70] C Lin, S Chang, and T Hsueh, “A low-temperature ZnO nanowire ethanol gas sensor prepared on plastic substrate,” Mater Res Express, vol 3, no 9, pp 1–7 [71] M Jabeen, M T Javed, M W Ashraf, S Tayyaba, and R V Kumar, “Synthesis of ZnO nanorods on aluminum foil for ethanol sensing at low temperature,” Dig J Nanomater Biostructures, vol 12, no 4, pp 981–992, 2017 [72] X Wang, W Wang, and Y Liu, “Sensors and Actuators B : Chemical Enhanced acetone sensing performance of Au nanoparticles functionalized flower-like ZnO,” Sensors Actuators B Chem., vol 168, pp 39–45, 2012 98 NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phòng [73] R S Ganesh et al., “Sensitivity enhancement of ammonia gas sensor based on Ag/ZnO flower and nanoellipsoids at low temperature,” Sensors Actuators B Chem., 2017 [74] E Espid and F Taghipour, “UV-LED Photo-activated Chemical Gas Sensors : A Review,” vol 8436, no October, 2017 99 NGUYỄN TIẾN DŨNG ... NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phòng 1.3.4.6 Ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại (UV) Cơ chế nhạy khí vật liệu oxit kim... trở màng nhiệt độ làm việc tối ưu lại tăng 34 NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại tới tính chất nhạy khí vật liệu nano ZnO lân cận nhiệt độ phòng 1.3.4.3 Ảnh hưởng nhiệt độ. .. dụng chiếu sáng tử ngoại lân cận nhiệt độ phòng Khảo sát, phân tích ảnh hưởng chiếu sáng tử ngoại đến tính chất nhạy khí cảm biến khí dựa sở vật liệu nano ZnO 10 NGUYỄN TIẾN DŨNG Nghiên cứu ảnh hưởng