Nghiên cứu chế tạo vật liệu màng mỏng hai chiều mos2 dạng tấm bằng phương pháp CVD và khảo sát đặc tính cấu trúc của chúng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Vy Anh Vương NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU MÀNG MỎNG HAI CHIỀU MoS2 DẠNG TẤM BẰNG PHƯƠNG PHÁP CVD VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CẤU TRÚC CỦA CHÚNG Chuyên ngành: Khoa học Kỹ thuật vật liệu LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Khoa học Kỹ thuật vật liệu Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Vy Anh Vương NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU MÀNG MỎNG HAI CHIỀU MoS2 DẠNG TẤM BẰNG PHƯƠNG PHÁP CVD VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CẤU TRÚC CỦA CHÚNG Chuyên ngành: Khoa học Kỹ thuật vật liệu LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Khoa học Kỹ thuật vật liệu NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS CHỬ MẠNH HƯNG Hà Nội – 2018 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn thạc sĩ cách hoàn chỉnh, bên cạnh nỗ lực cố gắng thân cịn có hướng dẫn tận tình quý Thầy Cô, động viên, ủng hộ gia đình, anh chị bạn bè suốt thời gian học tập, nghiên cứu thực luận văn thạc sĩ Xin bày tỏ kính trọng lòng biết ơn sâu sắc tới thầy TS.Chử Mạnh Hưng – Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS)  trường Đại học Bách khoa Hà Nội Thầy truyền đạt kiến thức quý báu, tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt thời gian hồn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn Thầy Cô Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS)  trường Đại học Bách khoa học Hà Nội hỗ trợ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu thực luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, anh chị bạn hỗ trợ động viên tinh thần lúc khó khăn để tơi vượt qua hồn thành tốt luận văn VY ANH VƯƠNG i ITIMS 2016 - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu tơi Luận văn khơng có chép tài liệu, cơng trình nghiên cứu người khác mà không rõ mục tài liệu tham khảo Những kết số liệu luận văn chưa công bố hình thức Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước nhà trường cam đoan Hà Nội, ngày … tháng … năm 2018 Học viên Vy Anh Vương VY ANH VƯƠNG ii ITIMS 2016 - 2018 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ B ẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 12 1.1 Kim loại chuyển tiếp Dichalcogenides 12 1.2 Molybden disulfide (MoS2) 13 1.2.1 Cấu trúc tinh thể MoS2 13 1.2.2 Tính chất điện tử 14 1.3 Các phương pháp tổng hợp MoS2 15 1.3.1 Phương pháp bóc tách học 16 1.3.2 Phương pháp thủy nhiệt 16 1.3.3 Phương pháp l ắng đọng hóa học pha CVD 16 1.4 Vật liệu MoS2 cho cảm biến khí 18 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 20 2.1 Thiết bị dụng cụ hóa chất 20 2.1.1 Chuẩn bị dụng cụ hóa chất 20 2.1.2 Hệ thiết bị CVD 21 2.2 Quy trình chế tạo MoS2 phương pháp CVD 21 2.2.1 Quy trình chế tạo MoS2 từ màng Mo bột S 21 2.2.2 Quy trình chế tạo MoS2 từ bột MoO3 bột S 23 VY ANH VƯƠNG ITIMS 2016 - 2018 2.3 Các phương pháp khảo sát phân tích vật liệu MoS2 24 2.3.1 Phổ tán xạ Raman 24 2.3.2 Hiển vi điện tử quét (SEM) 25 2.3.3 Nhiễu xạ tia X (XRD) 25 2.4 Khảo sát tính chất nhạy khí vật liệu MoS2 25 2.4.1 Thiết bị dụng cụ 25 2.4.2 Thao tác tiến hành 27 2.4.3 Nguyên tắc hoạt động hệ đo khí 27 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 3.1 Khảo sát hình thái cấu trúc tính chất vật liệu MoS2 tổng hợp phương pháp CVD sử dụng màng Mo bột S làm tiền chất 28 3.1.1 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng 28 3.1.2 Ảnh hưởng tốc độ gia nhiệt 31 3.1.3 Ảnh hưởng khối lượng bột lưu huỳnh 34 3.1.4 Ảnh hưởng thời gian phản ứng 36 3.2 Khảo sát cấu trúc tính chất vật liệu MoS2 tổng hợp phương pháp CVD sử dụng MoO3 S làm tiền chất 39 3.2.1 Ảnh hưởng tốc độ gia nhiệt 40 3.2.2 Ảnh hưởng thời gian phản ứng 42 3.2.3 Ảnh hưởng khối lượng bột MoO3 44 3.3 Khảo sát tính chất nhạy khí vật liệu MoS2 48 3.3.1 Tính chất nhạy khí màng vật liệu hạt nano MoS2 48 3.3.2 Tính chất nhạy khí màng vật liệu nano MoS2 52 3.3.3 Cơ chế nhạy khí NO2 vật liệu MoS2 57 VY ANH VƯƠNG ITIMS 2016 - 2018 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Viết tắt Tiếng anh Nghĩa CVD Chemical Vapour Deposition Lắng đọng hóa học pha TMDs Transition metal Kim loại chuyển tiếp dichalcogenides dichalcogenides 2D Two Dimention Hai chiều MoO3 Molybdenum trioxide Molybden ơxít FET Field-effect transistor Transistor hiệu ứng trường MFC Mass Flow Controllers Bộ điều khiển lưu lượng khí SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X ppm Parts per million Một phần triệu 10 ITIMS 11 International Training Institue Viện đào tạo quốc tế khoa for Materials Science học vật liệu S Sensitivity Độ hồi đáp/Độ đáp ứng 12 T Temperature Nhiệt độ 13 t time Thời gian 14 RT Room temperature Nhiệt độ phòng 15 ads adsorption Hấp phụ 16 R Resistance Điện trở 17 u VY ANH VƯƠNG Tốc độ gia nhiệt ITIMS 2016 - 2018 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1 Cấu trúc TMDs 12 Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể MoS2 14 Hình 1.3 Cấu trúc vùng lượng MoS2 với số lượng lớp khác .15 Hình 1.4 Quy trình chế tạo MoS2 phương pháp bóc tách học 16 Hình 1.5 Cơ chế hình thành MoS2 từ bột MoO3 S 18 Hình 1.6 Ảnh minh họa chế hình thành MoS2 từ Mo bột S 18 Hình 2.1 Hệ CVD lắp đặt viện ITIMS 21 Hình 2.2 Cơ cấu hệ CVD (a), giản đồ chu trình nhiệt S (b) Mo (c) .22 Hình 2.3 Cơ cấu hệ CVD, giản đồ chu trình nhiệt trình CVD 23 Hình 2.4 Hai mode dao động đặc trưng E1 2g A1g vật liệu MoS2 24 Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hệ điều khiển lưu lượng khí .26 Hình 2.6 Buồng đo khí (a, b) Keithley (c) .27 Hình 2.7 Sơ đồ minh họa nguyên tắc hoạt động hệ đo khí 27 Hình 3.1 Phổ Raman mẫu MoS2 chế tạo nhiệt độ khác 29 Hình 3.2 Ảnh SEM mẫu MoS2 chế tạo điều kiện nhiệt độ phản ứng 800 oC…30 Hình 3.3 Kết phổ nhiễu xạ tia X mẫu điều kiện 800 oC 31 Hình 3.4 Phổ Raman mẫu MoS2 chế tạo với tốc độ gia nhiệt khác 32 Hình 3.5 Ảnh SEM mẫu MoS2 chế tạo tốc độ gia nhiệt o C/phút (a), 15 oC/phút 33 Hình 3.6 Kết nhiễu xạ tia X mẫu điều kiện chiều dày lớp Mo 5nm 10nm 33 Hình 3.7 Kết Raman mẫu MoS2 chế tạo với khối lượng bột S khác 34 Hình 3.8 Ảnh SEM mẫu MoS2 chế tạo với khối lượng 1g bột S (a) 2g bột S (b) .35 VY ANH VƯƠNG ITIMS 2016 - 2018 Hình 3.9 Kết nhiễu xạ tia X mẫu điều kiện chiều dày lớp Mo 5nm 10nm 35 Hình 3.10 Kết Raman mẫu MoS2 chế tạo với thời gian phản ứng khác .36 Hình 3.11 Ảnh SEM mẫu MoS2 chế tạo với thời gian phản ứng 10 phút (a) 15 phút (b) 37 Hình 3.12 Kết nhiễu xạ tia X mẫu thời gian phản ứng 10 phút 15 phút 37 Hình 3.13 Ảnh SEM hình thái bề mặt mẫu trước (a) sau (b)quá trình CVD 38 Hình 3.14 Ảnh minh họa chế hình thành MoS2 từ Mo bột S 38 Hình 3.15 Kết Raman mẫu MoS2 chế tạo với tốc độ gia nhiệt khác 40 Hình 3.16 Ảnh SEM mẫu MoS2 chế tạo với tốc độ gia nhiệt 15 o C/phút (a, b) 10 oC/phút (c, d), oC/phút (e, f) .41 Hình 3.17 Kết phổ Raman mẫu MoS2 chế tạo thới thời gian phản ứng khác 15 phút (a), 30 phút (b), 45 phút (c) 41 Hình 3.18 Ảnh SEM mẫu MoS2 mẫu chế tạo với thời gian phản ứng 15 phút (a,b) 30 phút (c,d), 45 phút (e,f) 43 Hình 3.19 Kết phổ Raman mẫu MoS2 chế tạo với khối lượng bột MoO3 khác nhau: 0.025 g (a), 0.05 g (b) 0.1 g (c) 44 Hình 3.20 Ảnh SEM mẫu MoS2 độ phóng đại x30k x100k lần chế tạo khối lượng bột MoO3 0.025g (a, b) 0.05g (c, d), 0.1g (e, f) 45 Hình 3.21 Kết nhiễu xạ tia X mẫu chế tọa từ điều kiện tối ưu 46 Hình 3.22 Ảnh minh họa chế hình thành MoS2 từ bột MoO3 S 47 Hình 3.23 Đặc tuyết I-V cảm biến sở vật liệu hạt nano MoS2 nhiệt độ khác .48 Hình 3.24 Đồ thị thay đổi điện trở theo thời gian nhiệt độ phòng (a), 100 oC (c), 150 o C (d), độ ổn định cảm biến nhiệt độ phòng (d) đồ thị so sánh độ đáp ứng theo nồng độ nhiệt độ cảm biến sở hạt nano MoS2 .49 VY ANH VƯƠNG ITIMS 2016 - 2018 Hình 3.25 Đồ thị thay đổi điện trở cảm biến nhiệt độ phịng khí SO2 (a), khí H2 (b), khí H2S (c) khí NH3 (d) 51 Hình 3.26 Đồ thị so sánh độ đáp ứng cảm biến loại khí nhiệt độ phịng 52 Hình 3.27 Đặc tuyết I-V cảm biến sở vật liệu nano MoS2 nhiệt độ khác .52 Hình 3.28 Đồ thị thay đổi điện trở theo thời gian nhiệt độ phòng (a), 100 oC (c), 150 o C (d), độ ổn định cảm biến nhiệt độ phòng (d) đồ thị so sánh độ đáp ứng theo nồng độ nhiệt độ cảm biến sở hạt nano MoS2 .53 Hình 3.29 Đồ thị thay đổi điện trở cảm biến nhiệt độ phịng khí SO2 (a), khí H2 (b), khí H2S (c) khí NH3 (d) 55 Hình 3.30 Đồ thị so sánh độ đáp ứng cảm biến loại khí nhiệt độ phòng 56 Hình 3.31 Đồ thị so sánh độ đáp ứng cảm biến đối khí NO2 nhiệt độ phịng cảm biến sở vật liệu hạt nano MoS2 (a) nano MoS2 (b) .57 Hình 3.32 Minh họa chế nhạy khí vật liệu MoS2 khí NO2 .58 VY ANH VƯƠNG ITIMS 2016 - 2018 đổi (Hình 3.25a), điều chứng tỏ cảm biến khơng nhạy khí SO2 Kết nhận tương tự khảo sát với khí khí H2 Khí H2 với nồng độ cao 500 ppm thổi vào cảm biến, nhiên điện trở cảm biến khơng có thay đổi (Hình 3.25b), chứng tỏ cảm biến khơng nhạy khí H2 Kết khảo sát với khí H2 S nồng độ 10 ppm ppm, kết thể Hình 3.23c, cho thấy cảm biến có đáp ứng khí H2S Khi cho khí H2S thổi lên bề mặt cảm biến, điện trở cảm biến tăng lên (bán dẫn loại p) lượng nhỏ độ đáp ứng hai nồng độ 10 ppm ppm thấp, tương ứng 5.31 % 4.32 % Thời gian đáp ứng hồi phục cảm biến khí H2 S lâu Hình 3.25 Đồ thị thay đổi điện trở cảm biến nhiệt độ phòng khí SO2 (a), khí H2 (b), khí H2 S (c) khí NH3 (d) Cảm biến tiếp tục khảo sát với khí NH3 nồng độ 500 ppm 250 ppm Dựa vào Hình 3.25d thấy cho khí thổi vào cảm biến, điện trở cảm biến tăng lên (bán dẫn loại p) lượng nhỏ, nhạy với khí NH3 Tuy khảo sát với giá trị nồng độ cao độ đáp ứng cảm biến lại thấp, nồng độ VY ANH VƯƠNG 51 ITIMS 2016 - 2018 500 ppm 250 ppm có độ đáp ứng tương ứng 5.34 % 3.75 % Thời gian đáp ứng hồi phục cảm biến khí H2S lâu Độ đáp ứng loại khí nhiệt độ phịng so sánh Hình 3.26 Hình 3.26 Đồ thị so sánh độ đáp ứng cảm biến loại khí nhiệt độ phịng Qua kết so sánh Hình 3.26, thấy cảm biến sở vật liệu hạt nano MoS2 nhạy khí NO2, nhạy loại khí khác H2S, NH3, hay H2 SO2 Do đó, cảm biến có tính chọn lọc khí NO2 3.3.2 Tính chất nhạy khí màng vật liệu nano MoS2 a) Đặc tuyến I-V dòng điện qua vật liệu nano MoS2 Hình 3.27 Đặc tuyến I-V cảm biến sở vật liệu nano MoS2 nhiệt độ khác Hình 3.27 đường đặc tuyến I-V cảm biến sở vật liệu nano MoS2 tiếp xúc Shottky điện cực Pt MoS2 Ở điều kiện nhiệt độ nhiệt VY ANH VƯƠNG 52 ITIMS 2016 - 2018 độ phòng, 100 oC, 150 oC Được quét với điện áp từ -5 V đến +5 V Vì MoS2 mỏng khoảng lớp có xuất MoS2 hai lớp đơn lớp hình thành tiếp xúc Shottky điện cực Pt vật liệu trình bày 3.3.1 b) Tính chất nhạy khí NO2 vật liệu nano MoS2 Hình 3.28 Đồ thị thay đổi điện trở theo thời gian nhiệt độ phòng (a), 100 o C (c), 150 o C (d), độ ổn định cảm biến nhiệt độ phòng (d) đồ thị so sánh độ đáp ứng theo nồng độ nhiệt độ cảm biến sở hạt nano MoS2 VY ANH VƯƠNG 53 ITIMS 2016 - 2018 Kết khảo sát tính chất nhạy khí NO2 chúng tơi tiến hành nồng độ khí NO2 gồm: 0.5 ppm, ppm, 2.5 ppm ppm nhiệt độ phòng, 100 oC, 150 o C Vì thời gian hồi phục cảm biến lâu nên tiến hành đo nồng độ khác mà không đợi điện trở cảm biến hồi phục Hình 3.28a đồ thị thay đổi điện trở cảm biến nhiệt độ phòng Điện trở cảm biến mơi trường khơng khí nhiệt độ phòng khoảng ổn định 255 kΩ, sau cho khí NO2 vào buồng đo chứa cảm biến điện trở giảm lượng xấp xỉ 105 kΩ nồng độ ppm, 77 kΩ nồng độ 2.5 ppm, 56 kΩ nồng độ 1ppm 43 kΩ nồng độ 0.5 ppm, tương ứng với độ đáp ứng khí là: 41.6 %, 35.2 %, 27.6% 20.9 % hình 3.28d Điện trở cảm biến sau cấp khí NO2 giảm chứng tỏ vật liệu MoS2 chất bán dẫn loại p Khi nhiệt độ tăng đến 100 oC điện trở cảm biến giảm mạnh xuống khoảng 67 kΩ Sự thay đổi điện trở cảm biến nồng độ ppm, 2.5 ppm, ppm, 0.5 ppm xấp xỉ là: 3.8 kΩ, 2.9 kΩ, 2.5 kΩ 1.9 kΩ (Hình 3.28b), tương ứng với độ đáp ứng là: 5.63 %, 4.45 %, 3.48 %, 2.96 % (Hình 3.28d) Khi nhiệt độ tăng đến 150 oC điện trở cảm biến giảm xuống khoảng 42.8 kΩ Sự thay đổi điện trở cảm biến theo thời gian nồng độ ppm, 2.5 ppm, ppm, 0.5 ppm xấp xỉ là: 1.5 kΩ, kΩ, 0.8 kΩ 0.7 kΩ (Hình 3.28c), tương ứng độ đáp ứng là: 3.55 %, 2.36 %, 1.82 %, 1.73 % (Hình 3.28d) Như vậy, 100 oC 150 oC điện trở cảm biến giảm mạnh so với nhiệt độ phịng, độ đáp ứng với khí NO2 thấp Độ đáp ứng độ đáp ứng khí NO2 nhiệt độ khác so sánh Hình 3.28d Có thể thấy cảm biến nhạy điều kiện nhiệt độ phòng nhạy nhiều so với độ đáp ứng nhiệt độ cao, nhiệt độ cao độ đáp ứng cảm biến giảm Để đánh giá độ ổn định cảm biến, khảo sát chu kì mở/ngắt khí NO2 5ppm nhiệt độ phịng Hình 3.28e đồ thị khảo sát độ ổn định cảm biến với ba chu kì cấp khí nồng độ 5ppm nhiệt độ phòng Kết khảo sát cho thấy cảm biến có độ lặp chưa cao, chưa ổn định sau chu kì mở/ngắt khí VY ANH VƯƠNG 54 ITIMS 2016 - 2018 c) Tính chất nhạy khí chọn lọc vật liệu nano MoS2 Sau xác định cảm biến nhạy với khí NO2 tốt nhiệt độ phịng, chúng tơi tiến hành đánh giá tính chọn lọc cảm biến việc khảo sát tính chất nhạy khí cảm biến nhiệt độ phịng với loại khí khác gồm SO2, H2, H2S NH3 Kết chi tiết sau: Hình 3.29 Đồ thị thay đổi điện trở cảm biến nhiệt độ phịng khí SO2 (a), khí H2 (b), khí H2 S (c) khí NH3 (d) Tại nhiệt độ phịng, cho khí SO2 với nồng độ cao 10ppm thổi vào bề mặt cảm biến, điện trở cảm biến gần khơng có thay đổi (Hình 3.29a), điều chứng tỏ cảm biến không nhạy khí SO2 Khí H2 với nồng độ cao 500 ppm thổi vào cảm biến điện trở cảm biến có thay đổi nhỏ khoảng kΩ so với 254 kΩ điện trở (Hình 3.29b), thay đổi khơng đáng kể chứng tỏ cảm biến khơng nhạy khí H2 Cảm biến khảo sát với khí H2S nồng độ 10 ppm 5ppm kết thể Hình 3.29c Điện trở cảm biến tăng lên lượng nhỏ có khí H2S thổi vào, hai nồng độ cao khảo sát 10 ppm ppm điện trở thay đổi VY ANH VƯƠNG 55 ITIMS 2016 - 2018 18 kΩ 14 kΩ có độ đáp ứng tương ứng 7.02 % 5.51 % Cảm biến tiếp tục khảo sát với khí NH3 nồng độ 500 ppm 250 ppm Dựa vào Hình 3.29d thấy cho khí tiếp xúc với cảm biến, điện trở cảm biến tăng lên (bán dẫn loại p) khoảng 31 kΩ 500 ppm 10 kΩ 250 ppm có độ đáp ứng tương ứng 11.87 % 7.43 % Tuy khảo sát với giá trị nồng độ cao độ đáp ứng cảm biến lại thấp Cảm biến nhạy với khí NH3 Độ đáp ứng loại khí nhiệt độ phịng so sánh Hình 3.30 Hình 3.30 Đồ thị so sánh độ đáp ứng cảm biến loại khí nhiệt độ phịng Qua kết so sánh Hình 3.30, thấy cảm biến sở vật liệu nano MoS2 nhạy khí NO2, nhạy nhiều loại khí khác H2S, NH3, hay H2 SO2 Cảm biến có tính chọn lọc So sánh kết nhạy khí NO2 nhiệt độ phịng cảm biến sở vật liệu hạt nano MoS2 nano MoS2 Tính chất nhạy khí NO2 nhiệt độ phịng so sánh Hình 3.31 Kết phản ánh hai cảm biến nhạy với khí NO2 nhiệt độ phòng Tuy nhiên, cảm biến sở vật liệu nano MoS2 cho độ nhạy với khí nhiệt độ phịng cao hẳn nhiệt độ cao: 100 oC 150 oC (Hình 3.31b) VY ANH VƯƠNG 56 ITIMS 2016 - 2018 Hình 3.31 Đồ thị so sánh độ đáp ứng cảm biến đối khí NO2 nhiệt độ phịng cảm biến sở vật liệu hạt nano MoS2 (a) nano MoS2 (b) 3.3.3 Cơ chế nhạy khí NO2 vật liệu MoS2 Cảm biến khí sở chất vật liệu MoS2 bán dẫn loại p hoạt động dựa thay đổi độ dẫn vật liệu MoS2 trình hấp phụ giải hấp phụ khí đo bề mặt vật liệu Khi đặt cảm biến mơi trường khơng khí, phân tử khí oxy hấp phụ lên bề mặt cảm biến bắt giữ điện tử đỉnh vùng hóa trị MoS2 để trở thành ion oxy hấp phụ O2 -, O-, O2- Với khoảng nhiệt độ thấp 150 o C oxy hấp phụ bề mặt vật liệu chủ yếu dạng ion phân tử oxy O2- Đối với cảm biến, bị phân tử khí oxi bắt giữ điện tử nên nồng độ lỗ trống (hạt tải bán dẫn loại p) vật liệu tăng nên điện trở cảm biến giảm Việc trao đổi điện tử phân tử khí với vật liệu MoS2 dẫn đến thay đổi điện trở vật liệu tiếp xúc với khí đo Khi MoS2 tiếp xúc với phân tử khí NO2, phân tử khí NO2 bị hấp phụ bề mặt vật liệu trở thành ion 𝑁𝑂2− tiếp tục lấy điện tử đỉnh vùng hóa trị vật liệu, làm tăng nồng độ lỗ trống vật liệu điện trở cảm biến giảm Các phản ứng xảy ra: 𝑁𝑂2 (𝑔𝑎𝑠) + 𝑒 − → 𝑁𝑂2− (𝑎𝑑𝑠) 2𝑁𝑂2 + 𝑂2− (𝑎𝑑𝑠) + 2𝑒 − → 2𝑁𝑂2− (𝑎𝑑𝑠) + 2𝑂 − (𝑎𝑑𝑠) Cơ chế nhạy khí cảm biến đối sở vật liệu MoS2 khí NO2 minh họa Hình 3.32 VY ANH VƯƠNG 57 ITIMS 2016 - 2018 Hình 3.32 Minh họa chế nhạy khí vật liệu MoS2 khí NO2 VY ANH VƯƠNG 58 ITIMS 2016 - 2018 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau trình thực luận văn thạc sĩ Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS), trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, từ kết chế tạo vật liệu MoS2 phương pháp CVD khảo sát đặc tính cấu trúc tính chất vật liệu chúng tơi rút số kết luận sau: - Đã chế tạo thành công vật liệu MoS2 phương pháp CVD sử dụng tiền chất đế Mo/SiO2/Si bột S, vật liệu MoS2 tạo thành có dạng hạt nano Sử dụng tiền chất bột MoO3 bột S Vật liệu MoS2 tạo thành có dạng nano - Khảo sát đặc tuyến I-V đặc trưng nhạy khí cấu trúc cảm biến chế tạo với loại khí độc Kết thu cho thấy cảm biến khí NO2 dựa sở vật liệu MoS2 nhạy nhiệt độ phòng cảm biến có tính chọn lọc khí NO2 Định hướng nghiên cứu tiếp theo: - Biến tính bề mặt vật liệu nhằm nâng cao tính chất nhạy khí cảm biến - Nghiên cứu phát triển ứng dụng cảm biến khí sở vật liệu MoS2 dạng hạt nano nano VY ANH VƯƠNG 59 ITIMS 2016 - 2018 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.Splendiani, L Sun, Y Zhang, T Li, J Kim, C Y Chim, G Galliand F Wang “Emerging photoluminescence in monolayer MoS2,” Nano Lett., vol 10, no 4, pp 1271–1275, 2010 [2] A Zobel, A Boson, P M Wilson, D S Muratov, D V Kuznetsov, and A Sinitskii, “Chemical vapour deposition and characterization of uniform bilayer and trilayer MoS2 crystals,” J Mater Chem C, vol 4, no 47, pp 11081–11087, 2016 [3] B Cho, M G Hahm, M Choi, J Yoon, A Kim, Y Lee, S G Park, J D Kwon, C S Kim, M Song, Y Jeong, K S Nam, S Lee, T J Yoo, C G Kang, B H Lee, H C Ko, P M Ajayan & D H Kim., “Charge-transfer-based gas sensing using atomic-layer MoS2,” Sci Rep., vol 5, no 2, p 8052, 2015 [4] B C Windom, W G Sawyer, and D W Hahn, “A Raman Spectroscopic Study of MoS2 and MoO3: Applications to Tribological Systems,” Tribol Lett., vol 42, no 3, pp 301–310, 2011 [5] B Lu Ma, “Synthesis and Characterization of Large Area Few-layer MoS2 and WS2 Films.” pp 1–106, 2014 [6] B Li, L Jiang, X Li, P Ran, P Zuo, A Wang , Liangti Qu2, Yang Zhao2, Zhihua Cheng2 & Yongfeng Lu3 Zero-dimensional “Preparation of Monolayer MoS2 Quantum Dots using Temporally Shaped Femtosecond Laser Ablation of Bulk MoS2 Targets in Water,” Sci Rep., vol 7, no 1, p 11182, 2017 [7] B Radisavljevic, A Radenovic, J Brivio, V Giacometti, and A Kis, “Single layer MoS2 transistors,” Nat Nanotechnol., vol 6, no 3, pp 147–150, 2011 [8] D Jariwala, V K Sangwan, L J Lauhon, T J Marks, and M C Hersam, “Emerging Device Applications for Semiconducting Two-Dimensional Transition Metal Dichalgogenides,” ACS nano, vol 8, no p 1102, 2014 [9] D J Late et al., “Sensing behavior of atomically thin-layered MoS2 transistors,” ACS Nano, vol 7, no pp 4879–4891, 2013 [10] D Zhang, J Wu, P Li, and Y Cao, “Room-temperature SO2 gas-sensing properties based on a metal-doped MoS2nanoflower: An experimental and density VY ANH VƯƠNG 60 ITIMS 2016 - 2018 functional theory investigation,” J Mater Chem A, vol 5, no 39, pp 20666–20677, 2017 [11] D Wu , H Huang, X Zhu, Y He, Q Xie, X Chen, X Zheng, H Duan and Y.Gao, “E’’ Raman Mode in Thermal Strain-Fractured CVD-MoS2,” Crystals, vol 6, no 11, p 151, 2016 [12] G Deokar, N S Rajput, J Li, F L Deepak, W Ou-Yang, N Reckinger, C Bittencourt, J F Colomer and M Jouiad “Toward the use of CVD-grown MoS2 nanosheets as field-emission source,” Beilstein J Nanotechnol., vol 9, no 1, pp 1686–1694, 2018 [13] H Li , Q.Zhang , C C R Yap , B K Tay , * T H T Edwin , A Olivier , and D Baillargeat “From bulk to monolayer MoS2: Evolution of Raman scattering,” Adv Funct Mater., vol 22, no 7, pp 1385–1390, 2012 [14] H Zeng and X Cui, “An optical spectroscopic study on two-dimensional groupVI transition metal dichalcogenides,” Chem Soc Rev., vol 44, no 9, pp 2629–2642, 2015 [15] H Wang, L Yu, Y H Lee, Y Shi, A Hsu, M L Chin, L J Li, M Dubey, J Kong, and T Palacios, “Integrated circuits based on bilayer MoS2 transistors,” Nano Lett., vol 12, no 9, pp 4674–4680, 2012 [16] Bilgin, I Liu, F Vargas, A.Winchester, A M Michael, K L Upmanyu, M Dani, K M Gupta, G Talapatra, S.t Mohite, A D Kar, Swastik “Chemical Vapor Deposition Synthesized Atomically Thin Molybdenum Disulfide with Optoelectronic-Grade Crystalline Quality,” ACS Nano, vol 9, no pp 8822–8832, 2015 [17] I Song, C Park, and H C Choi, “Synthesis and properties of molybdenum disulphide: From bulk to atomic layers,” RSC Adv., vol 5, no 10, pp 7495–7514, 2015 [18] Gusakova, J Wang, X Shiau, L L Krivosheeva, A Shaposhnikov, V Borisenko, V Gusakov, V Tay, B Kang “Electronic Properties of Bulk and Monolayer TMDs: Theoretical Study Within DFT Framework (GVJ-2e Method),” VY ANH VƯƠNG 61 ITIMS 2016 - 2018 Physica Status Solidi (A) Applications and Materials Science , vol 214, no 12 2017 [19] J H and S R Changgu Lee, Hugen Yan, Louis E Brus, Tony F Heinz, “Anomalous Lattice Vibrations ofSingle- and Few-Layer MoS2.” [20] J Jang, S K Jeon, S M Yoo, G Jang, Y H Park, J H Lee, Sungjoo “Layercontrolled CVD growth of large-area two-dimensional MoS2 films,” Nanoscale, vol 7, no 5, pp 1688–1695, 2015 [21] J K Ellis, M J Lucero, and G E Scuseria, “The indirect to direct band gap transition in multilayered MoS2as predicted by screened hybrid density functional theory,” Appl Phys Lett., vol 99, no 26, 2011 [22] K F Mak, C Lee, J Hone, J Shan, and T F Heinz, “Atomically thin MoS2: A new direct-gap semiconductor,” Physical Review Letters, vol 105, no 13 2010 [23] K Grzeszczyk, M Korona, K.P Bożek, R Binder, J Szczytko, J Wysmołek, A Babiński, “Optical Properties of Molybdenum Disulfide (MoS2 ),” Acta Phys Pol A, vol 124, no 5, pp 849–851, 2013 [24] K S Novoselov and A H Castro Neto, “Two-dimensional crystals-based heterostructures: Materials with tailored properties,” Phys Scr., no T146, 2012 [25] L Tian, E Fathi, R S Tarighat, and S Sivoththaman, “Nanocrystalline silicon deposition at high rate and low temperature from pure silane in a modified ICP -CVD system,” Semicond Sci Technol., vol 28, no 10, 2013 [26] 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 Actuators, B Chem., vol 150, no 1, pp 112–119, 2010 [27] L Xie, C Jin, J Ali, R Feng, C.Liu, P Xiang, K Bin “Properties, Preparation and Applications of Low Dimensional Transition Metal Dichalcogenides,” Nanomaterials, vol 8, no 7, p 463, 2018 [28] M Su, S H Chang, J K Tsai, D S Chen, C H Wu, I Li, L J He, J Hau, “Monolayer MoS2 heterojunction solar cells,” ACS Nano, vol 8, no 8, pp 8317– 8322, 2014 [29] M Ye, D Winslow, D Zhang, R Pandey, and Y Yap, “Recent Advancement VY ANH VƯƠNG 62 ITIMS 2016 - 2018 on the Optical Properties of Two-Dimensional Molybdenum Disulfide (MoS2) Thin Films,” Photonics, vol 2, no pp 288–307, 2015 [30] N Choudhary, M D Patel, J Park, B Sirota, and W Choi, “Synthesis of large scale MoS2 for electronics and energy applications,” J Mater Res., vol 31, no 7, pp 824–831, 2016 [31] N B Thakare, F C Raghuwanshi, V S Kalyamwar, and Y S Tamgadge, “High performance NO2 sensor using MoS2 nanowires network,” Appl Phys Lett., vol 4, p 30020, 1953 [32] N Goel, R Kumar, and M Kumar, “Enhanced sensing response with complete recovery of MoS2 sensor under photoexcitation,” AIP Conf Proc., vol 1942, pp 1– 5, 2018 [33] Q H Wang, M Kalantar, Zadeh, A Kis, N Coleman, “Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichalcogenides.” [34] Q Peng and S De, “Outstanding mechanical properties of monolayer MoS2 and its application in elastic energy storage,” Phys Chem Chem Phys., vol 15, no 44, p 19427, 2013 [35] Q Ji, Y Zheng, Y Zhang, and Z Liu, “Chemical vapour deposition of groupVIB metal dichalcogenide monolayers: Engineered substrates from amorphous to single crystalline,” Chem Soc Rev., vol 44, no 9, pp 2587–2602, 2015 [36] R Kappera, “Electronic Properties and Phase Engineering of TWODIMENSIONAL MoS2,” The State University of New Jersey 2015 Sun Jun Kim ,Hyong Seo Yoon1, Hang-Eun Joe, Hee Sung Lee, Seongil Im, Byung [37] Kwon Min & Seong Chan Jun., “Layer dependence and gas molecule absorption property in MoS2 Schottky diode with asymmetric metal contacts,” Sci Rep., vol 5, no May, pp 1–10, 2015 [38] R Ganatra and Q Zhang, “Few-Layer MoS2 : A Promising Layered Semiconductor,” ACS Nano, vol 8, no 5, pp 4074–4099, 2014 [39] S Muralikrishna, K Manjunath, D Samrat, V Reddy, T Ramakrishnappa, and D H Nagaraju, “Hydrothermal synthesis of 2D MoS2 nanosheets for electrocatalytic VY ANH VƯƠNG 63 ITIMS 2016 - 2018 hydrogen evolution reaction,” RSC Advances, vol 5, no 109 pp 89389–89396, 2015 [40] S S Wang, M Pacios, H Bhaskaran, and J H Warner, “Substrate control for large area continuous films of monolayer MoS2 by atmospheric pressure chemical vapor deposition,” Nanotechnology, vol 27, no p 8, 2016 [41] S.Vangelista, S.Cinquanta, E.Martella, C Alia, M.Longo, M Lamperti, A Mantovan, R Basset, B Pezzoli, F.Molle, Alessandro, “Towards a uniform and large-scale deposition of MoS2 nanosheets via sulfurization of ultra-thin Mo-based solid films,” Nanotechnology, vol 27, no 17, p 0, 2016 [42] S Xu, D Li, and P Wu, “One-pot, facile, and versatile synthesis of monolayer MoS2 /WS2 quantum dots as bioimaging probes and efficient electrocatalysts for hydrogen evolution reaction,” Adv Funct Mater., vol 25, no 7, pp 1127–1136, 2015 [43] T Stephenson, Z Li, B Olsen, and D Mitlin, “Lithium ion battery applications of molybdenum disulfide (MoS2 ) nanocomposites,” Energy Environ Sci., vol 7, no 1, pp 209–231, 2014 [44] U Gupta and C N R Rao, “Hydrogen generation by water splitting using MoS and other transition metal dichalcogenides,” Nano Energy, vol 41, no August, pp 49–65, 2017 [45] V Podzorov, M E Gershenson, C Kloc, R Zeis, and E Bucher, “High mobility field-effect transistors based on transition metal dichalcogenides,” Appl Phys Lett., vol 84 pp 3301–3303, 2004 [46] X L Li and Y D Li, “Formation of MoS2 inorganic fullerenes (IFs) by the reaction of MoO3 nanobelts and S,” Chem - A Eur J., vol 9, no 12, pp 2726–2731, 2003 [47] Y Y Wen, X B Zeng, X X Chen, W Z Wang, J Ding, and S E Xu, “Synthesis of monolayer MoS2 by CVD approach,” 2nd Annu Int Conf Adv Mater Eng (AME 2016), no AME 2016, pp 1034–1039, 2016 [48] Y Wang and Y Ni, “Molybdenum VY ANH VƯƠNG 64 disulfide quantum dots as a ITIMS 2016 - 2018 photoluminescence sensing platform for 2, 4, 6-trinitrophenol detection,” Analytical chemistry, vol 86, no 15 pp 7463–7470, 2014 [49] Y Zhan, Z Liu, S Najmaei, P M Ajayan, and J Lou, “Large-area vapor-phase growth and characterization of MoS2 atomic layers on a SiO2 substrate,” Small, vol 8, no 7, pp 966–971, 2012 [50] W C Nitin Choudhary, Juhong Park, Jun Yeon Hwang, “Growth of Large Scale and Thickness-Modulated MoS2 Nanosheets,” 2014 VY ANH VƯƠNG 65 ITIMS 2016 - 2018 ... vậy, chúng tơi lựa chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu chế tạo vật liệu màng mỏng hai chiều MoS2 dạng phương pháp CVD khảo sát đặc tính cấu trúc chúng? ??  Mục đích đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu Nghiên. .. VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Vy Anh Vương NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU MÀNG MỎNG HAI CHIỀU MoS2 DẠNG TẤM BẰNG PHƯƠNG PHÁP CVD VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CẤU TRÚC CỦA... Nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu dạng màng mỏng hai chiều MoS2 phương pháp CVD, khảo sát ảnh hưởng thông số chế tạo đến hình thái cấu trúc tính chất vật liệu Chế tạo on-chip cảm biến khí sở vật