Một trong những lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng đầu tiên về tính chất quang điện của vật liệu TiO2 là chế tạo linh kiện cảm biến.
Năm 1997, nhóm của Marta Radecka [118] đã nghiên cứu chế tạo hệ TiO2/SnO2 ở dạng dung dịch dịch rắn để làm các cảm biến khí. Các tác giả đã chế tạo vật liệu ở dạng gốm đa tinh thể và màng phún xạ RF sputtering. Họ đã nghiên
Luận án Tiến sĩ Vật lý
---
cứu sự ảnh hƣởng của thành phần pha và thành phần hợp chất đến cấu trúc tinh thể và độ phẩm chất của cảm biến. Kết quả cho thấy, việc phản ứng với hydro trong môi trƣờng khí mang là không khí có liên quan đến sự hấp thụ trƣớc gốc O-
, còn tƣơng tác của hydro với SnO2/TiO2 trong môi trƣờng Ar có thể đƣợc kiểm soát bằng sự khuếch tán các khuyết ô-xi. Tiếp theo đó là một loạt các nghiên cứu về linh kiện cảm biến. Năm 2000, nhóm Garzella [57] đã chế tạo cảm biến khí ethanol, methanol, CO và NO2 bằng cách phân tán TiO2 (từ dung dịch Tetrethyl orthotitanate/H2O với nồng độ 0,02/2,3 M) trên nền polymer (HPC: Hydroxyl Propyl Cellulose – phân tử khối 80 g/mol) bằng kỹ thuật sol-gel có xử lý hóa học. Các tác giả A. Wisitsoraat, E.Comini và W.Wlodarski (2006) [189] cũng đã chế tạo màng TiO2/ZnO bằng phƣơng pháp bốc bay bằng chùm điện tử có hỗ trợ ion dùng làm cảm biến nhạy khí acetone, ethanol, CO, NO2 và NH3. Năm 2008, nhóm của A.M.More [123] đã chế tạo màng TiO2 bằng phƣơng pháp phun nhiệt phân dùng làm cảm biến khí xăng dầu với độ nhạy 0,02 – 0,08 % thể tích ở nhiệt độ 698 K.
Các cảm biến độ ẩm ứng dụng trong đời sống sinh hoạt và phục vụ trong nông nghiệp cũng là lĩnh vực ứng dụng của TiO2. Năm 2003, nhóm của Weon-Pil Tai [187] đã nghiên cứu chế tạo màng TiO2-ZnO:Al bằng phƣơng pháp sol-gel quay phủ. Các loại mẫu chế tạo gồm: ZnO:Al trên lớp TiO2 (AZ/T); TiO2 trên lớp ZnO:Al (T/AZ); ZnO:Al (AZ) và TiO2 (T). Kết quả mẫu T/AZ có điện trở thay đổi theo độ ẩm 30 – 90 %, cải thiện đƣợc độ tuyến tính và thu hẹp độ trễ.
TiO2 còn đƣợc nghiên cứu phát triển trong lĩnh vực linh kiện đặc biệt nhƣ biến trở điện áp, transistor hiệu ứng trƣờng. Năm 2002, nhóm của Paulo R.Bueno [141] đã chế tạo Sn0,25Ti0,75O2 pha tạp Co, Nb2O5. Các tác giả đã khảo sát hai hệ: TiO2/SnO2 pha trộn 0,05 % Nb2O5 và hệ pha hỗn hợp 1 % Co + 0,5 % Nb2O5 chế tạo bằng phƣơng pháp gốm dùng làm biến trở điện áp (varistor) với hiệu ứng rào thế Shottky để bảo vệ sự quá thế trong các mạch điện, hệ số phi tuyến đạt đƣợc trên 30.
Ngay cả trong lĩnh vực hạt nhân, TiO2 cũng đƣợc ứng dụng làm cảm biến đo bức xạ gamma. Năm 2005, nhóm của K.Arshak [28] đã chế tạo cảm biến bằng cách
Luận án Tiến sĩ Vật lý
---
trộn 92 % khối lƣợng (wt %) TiO2 với 8 wt % polyvinyl butyral (PVB) rồi hòa trong dung môi ethyleneglycol monobuthylether và đƣợc in lên đế Si(100) bằng máy in DEK RS 1202. Sau khi xử lý 2 h ở nhiệt độ 373 K, mẫu đƣợc ủ trong trong 12 h ở nhiệt độ 400 K. Các tác giả đã thu đƣợc đặc trƣng I-V của chuyển tiếp TiO2/Si khảo sát theo liều chiếu bức xạ gamma 0-340 µSv [1 microsievert (µSv) = 100 microroentgens (µR)].
Trong lĩnh vực năng lƣợng nhƣ quang điện hóa, nhiều các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng đã đƣợc triển khai. Năm 1999 nhóm Humin Cheng [195] đã tiến hành chế tạo điện cực TiO2 pha tạp kim loại chuyển tiếp Fe3+, Co2+, Ni2+, Cr3+, V5+ và Zn2+ bằng phƣơng pháp thủy nhiệt. Hiệu ứng tiếp xúc p-n đã đƣợc quan sát. Trong đó, chủ yếu nghiên cứu hiệu suất chuyển đổi quang điện hóa của hệ TiO2 pha Zn2+ với hiệu suất cực đại 10,1 % ứng với pha tạp 0,5 % Zn2+
. Dung dịch điện ly sử dụng là (CH3)4N + I2 trong dung dịch Propylene Carbonate. Hiệu suất này lớn hơn so với hệ TiO2 đƣợc làm nhạy quang bằng RuL2(SCN)2.
TiO2 còn đƣợc ứng dụng trong cả lĩnh vực sinh học để làm các cảm biến phân tích mẫu. Nhóm của Durrant [53] đã có các nghiên cứu về khả năng gắn kết và làm biến đổi các protein và enzym với khả năng ô-xy hóa của TiO2, sau đó thông qua phép phân tích phổ hấp thụ để xác định tính chất của các mẫu chất sinh học.