2. Thực nghiệm
2.2.1.2. Hệ phủ quay
Hệ phủ màng bằng phương pháp quay ly tâm (hình 2.3) của bộ môn vật lý chất rắn giữ đế bằng áp lực (bơm hút chân không) và có tốc độ quay dễ dàng điều chỉnh từ 0 - 3300 vòng/phút.
Hình 2.2: Hệ quay ly tâm.
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài 2.2.1.3. Hệ thống phun nhiệt phân (spray pyrolysis)
Hệ thống phun nhiệt phân để phục vụ cho việc tạo 1 lớp mỏng sợi nano Ag lên trên màng graphene. Hệ thống gồm 2 bộ phận chính: Bộ phận cấp nhiệt cho đế và súng phun (Hình 2.4) .
2.2.1.4. Hệ bốc bay điện cực
Hình 2.5: Hệ bốc bay điện cực. Hình 2.4: Hệ thống phun nhiệt phân.
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài Nhiệt bốc bay là phương pháp nung nóng một chất đến nhiệt độ thăng hoa của chất đó tương ứng với áp suất môi trường. Thông thường trong điều điện chân không càng cao thì nhiệt độ thăng hoa càng giảm. Thuyền bốc bay được làm từ kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao (Vonfram). Thuyền bốc bay đóng vai trò như một điện trở, khi có dòng điện chạy qua thuyền, thuyền sẽ nóng đến nhiệt độ thăng hoa của vật liệu cần bốc bay và cung cấp năng lượng cho các hạt nguyên tử của vật liệu này thăng hoa. Với điều kiện áp suất thấp trong buồng chân không nên các hạt vật chất dễ dàng bay lên và bám vào đế nền tạo màng (Hình 2.5).
2.2.1.5. Hệ nung nhiệt chân không cao
Hệ nung nhiệt (hình 2.6) dùng để khử các nhóm chức trong màng Graphene oxide để hoàn nguyên thành graphene, hệ gồm các phần chính như buồng lò thạch anh dạng ống, lò nung, hệ tạo chân không cao, hệ đo chân không, hệ điều khiển nhiệt độ từ nhiệt độ phòng 1000 0C, van chiết áp …. thuộc Bộ môn Vật lý Chất rắn.
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài
2.2.2. Các phương pháp đo đạc
Nhằm theo dõi và kiểm soát tiến trình thực nghiệm, trong quá trình tiến hành chúng tôi sử dụng nhiều phép đo khác nhau và thảo luận kết quả đạt được trong từng giai đoạn kết hợp với việc so sánh các kết quả của các tác giả khác đã được đăng trên các tạp chí có uy tín. Trên cơ sở đó sẽ có những điều chỉnh cho phù hợp trong những bước tiếp theo, nhằm thu được kết quả tốt.
2.2.2.1. Hệ UV-vis
Hệ UV-Vis (hình 2.7), thiết bị mới, hiện đại của hãng Jasco (Nhật), thuộc phòng thí nghiệm Quang học - Vật rắn - Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM. Hệ được sử dụng để xác định độ truyền qua, độ hấp thụ trong khoảng bước sóng từ 190 nm đến 1100 nm.
2.2.2.2. Hệ đo FTIR
Để xác định thành phần các nhóm chức hữu cơ, chúng tôi tiến hành chụp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier bằng máy EQUINOX 55 của hãng Bruker (hình 2.8) trong vùng 500-4000 cm-1, thuộc phòng thí nghiệm Phân Tích Trung Tâm và phòng thí nghiệm Quang học - Vật Rắn - Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM.
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài 2.2.2.3. Hệ nhiễu xạ tia X (Xray Diffraction)
Hệ đo X-ray shimadzu 5A-Japan (hình 2.9), nguồn Cu-Kα (bước sóng 1.5406 Amstrong) thuộc bộ môn vật lý chất rắn- Đại Học Khoa Học Khoa Học Tự Nhiên TP.HCM. Hệ cho phép xác định cấu trúc tinh thể của sản phẩm.
.
2.2.2.4. Phổ tán xạ Raman
Phổ Raman là công cụ khảo sát không phá hủy cấu trúc của mẫu, được thực hiện trên máy Horibajobin Yvon (hình 2.10) tại phòng thí nghiệm Công Nghệ Nano Tp Hồ Chí
Hình 2.8: Hệ đo FTIR (Fourier Transformed Infrared).
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài Minh với vùng phổ nằm trong khoảng 500-3000 cm-1, để xác định cấu trúc mạng và các liên kết trong mẫu.
2.2.2.5. Hệ đo điện trở mặt
Hệ đo điện trở 4 mũi dò thuộc phòng thí nghiệm vật liệu kĩ thuật- Đại Học Khoa Học Tự Nhiên. Hệ cho phép xác định điện trở bề mặt của mẫu (hình 2.11).
Hình 2.10: Hệ đo phổ Raman.
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài 2.2.2.6. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)
Cấu trúc và hình thái bề mặt của mẫu sẽ được khảo sát thông qua ảnh FESEM (Scanning Electron Microscope) (hình 2.12), được chụp tại Khu Công Nghệ Cao Tp Hồ Chí Minh.
2.2.2.7. Ảnh hiển vi lực nguyên tử (AFM)
Để xác định cấu trúc vi mô và độ gồ ghề của màng chúng tôi tiến hành chụp ảnh AFM bằng thiết bị AFM Veeco Instrument (hình 2.13) tại trường Đại Học Ulsan, Hàn Quốc.
Hình 2.12: Kính hiển vi điện tử quét.
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài
2.2.3. Xây dựng hệ đo nhạy khí
Song song với việc chế tạo cảm biến, hệ đo nhạy khí là một thiết bị cần thiết, thậm chí có thể nói là không thể thiếu để kiểm tra đánh giá chất lượng của linh kiện. Nắm được vấn đề đó, nhóm thực hiện luận văn, dựa trên việc nghiên cứu và tham khảo một số hệ đo nhạy khí của các nhóm nghiên cứu khác [21] [22] trên thế giới đã tiến hành xây dựng một hệ đo nhạy khí khá hoàn chỉnh đủ khả năng đáp ứng nhu cầu khảo sát mẫu cảm biến (Hình 2.14).
Hệ đo nhạy khí được mô tả bằng sơ đồ 2.15 bao gồm 3 bộ phận chính:
Buồng tạo hơi bằng bọt khí
Hệ thống cấp khí
Buồng cảm biến và bộ phận thu nhận dữ liệu
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài
Trước khi tìm hiểu hoạt động của hệ đo nhạy khí, luận văn sẽ trình bày chi tiết hơn cấu tạo và chức năng và hoạt động của các bộ phận của hệ đo.
2.2.3.1. Buồng tạo hơi bằng bọt khí
Cấu tạo của buồng tạo hơi bằng bọt khí khá đơn giản bao gồm một buồng kín bằng inox, nắp có hai lỗ nhỏ chính là đầu vào của của khí tạo bọt và đầu ra của khí thử (dùng để khảo sát cảm biến). Để tạo bọt hiệu quả chúng tôi sử dụng cơ chế tạo bọt khí đẳng hướng (quả cầu tạo bọt khí bao gồm các lổ nhỏ cùng kích thước sắp xếp đều đặn trên toàn bề mặt - Hình 2.16).
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài 2.2.3.2. Hệ thống điều khí
Bao gồm các van solenoid, các dây nối, flowmeter trong đó các van solenoid giữ vai trò đóng mở khí được điều khiển bằng máy tính thông qua chương trình điều khiển trên phần mềm labview. Hệ thống điều khí được sắp xếp thành ba hướng điều khí chính bao gồm đường khí giải hấp, đường khí trộn (pha loãng điều chỉnh nồng độ khí thử), và đường khí mang, thổi vào buồng tạo hơi bằng bọt khí, tạo khí thử. (Hình 2.17)
Hình 2.17: Các linh kiện sử dụng trong hệ thống điều khí. Hình 2.16: Buồng tạo hơi bằng bọt khí.
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài 2.2.3.3. Buồng cảm biến và bộ phận thu nhận tín hiệu
Buồng cảm biến làm bằng vật liệu inox thể tích 983 cm3 (đường kính 9,2cm; chiều cao 3,7cm). Buồng có kích thước nhỏ nhằm đảm bảo lượng khí thổi vào buồng được phân tán đều. Trong buồng gồm có: Giá giữ mẫu, đường khí vào và đường khí ra, 2 điện cực cung cấp điện thế (nếu cần) và 2 điện cực đo điện trở để thu nhận tín hiệu từ cảm biến (Hình 2.18). Ngoài ra buồng cảm biến còn có khả năng tăng nhiệt mẫu dùng cho những cảm biến có nhiệt độ giải hấp cao hơn nhiệt độ phòng.
Chúng tôi sử dụng một VOM (protek 506) để đo điện trở của mẫu và truyền tín hiệu đó đến máy tính thông qua cổng giao tiếp COM. Các van solenoid được điều khiển bằng một bảng mạch điện tử, và tín hiệu điều khiển được truyền từ máy tinh thông qua cổng giao tiếp LPT. Toàn bộ hai trạng thái hoạt động của hệ thống (giải hấp và hấp thụ) (Hình 2.20) được điều khiển bằng máy tính thông qua chương trình điều khiển “Cảm biến version 2.0” trên phần mềm labview, giao diện của chương trình được thể hiện ở hình 2.19, trong đó bao gồm các tùy chọn sau:
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài
Cổng giao tiếp COM: là bộ phận kết nối, thu tín hiệu từ thiết bị đo (thường
dùng là VOM protek) và chuyển nó đến máy tính.
Số chu kỳ: một chu kỳ bao gồm hai quá trình là giải hấp và hấp thụ.
Thời gian giải hấp, thời gian đo độ nhạy (hấp thụ): được tính bằng đơn vị giây.
Giá trị đo tức thời và đồ thị mô tả giản đồ nhạy khí theo thời gian.
Ngoài ra chương trình còn có nút STOP dùng để dừng chường trình khi gặp tinh huống không mong đợi, khi nhấn vào nút STOP toàn bộ các van solenoid đều ở trạng thái
đóng, hệ thống dừng làm việc hoàn toàn và hệ thống sao chép tập tin tự động theo thời gian thực. Sau khi các thông số đo được thiết lập, nhấn chuột trái vào kí hiệu mũi tên
trên thanh công cụ, chọn đường dẫn và tên của file cần lưu sau đó nhấn “save” là chương trình sẽ bắt đầu hoạt động. Flowmeter phải được thiệt lập trước khi chạy chương trình.
Hình 2.19: Giao diện chương trình đo, bao gồm các tùy chọn thông số đo, vùng hiển thị kết quả đo (dưới dạng đồ thị), nút STOP dừng toàn bộ chương trình đồng thời tắt tất cả các van solenoid, được dù trong các tình huống khẩn cấp hay đột xuất
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài Hệ thống hoạt động theo trang thái như sau:
Trạng thái giải hấp: van V1,V2,V3 đóng, van V4 mở, khí Ar vào được thổi vào buồng để loại hết khí thử còn dư trong buồng cũng như giải hấp cho mẫu.
Trạng thái hấp thụ: Van V1,V2,V3 mở, van V4 đóng, khí Ar, đi qua V1 vào bình tạo bọt để tạo khí thử, đi qua V2 để điều chỉnh hàm lượng khí thử theo yêu cầu thí nghiệm, lưu lượng khí thử đến buồng sẽ được điều khiển bởi F1 và F2 qua hoặc không đi qua F2. Trong đó F1 là flowmeter 1 có khả năng điều chỉnh lưu lượng khí từ 1-100 ml/phút, F2 là flowmeter 2 có khả năng điều chỉnh lưu lượng khí 1-10 l/phút.
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài
3. Kết quả và bàn luận
3.1. Graphene
Như đã nói ở trên tổng hợp graphene bằng phương pháp hóa học là phương pháp đơn giản dễ thực hiện, và phù hợp với nhiều phòng thí nghiệm. Ngoài những lý do đó việc sản phẩm graphene còn chứa, hoặc dễ dàng đính lên những nhóm chức là một đặc tính riêng biệt của graphene chế tạo bằng phương pháp này, vì vậy tiềm năng ứng dụng của graphene tổng hợp bằng phương pháp hóa học vào chế tạo cảm biến khí là rất khả thi và nên được chú trọng nghiên cứu. Trong luận văn này chúng tôi sẽ đề nghị một chu trình tổng hợp graphene hoàn thiện đã và đang được phát triển bởi bộ môn Vật Lý Chất Rắn [1].
3.1.1. Quy trình chế tạo vật liệu graphene
Chu trình tổng hợp gồm ba phần (Hình 3.1)
Tách lớp Graphite: trong giai đoạn này từ tấm graphite (graphite flake) có nhiều lớp ta tách thành những mảng graphite có số lớp ít hơn.
Oxi hóa graphite tách lớp (EG) thành graphite oxide (GO): sử dụng phương pháp Hummers cải tiến để oxi hóa EG thành GO.
Khử GO thành graphene: sử dụng chất khử Hydrazin kết hợp với khử nhiệt độ cao để loại bỏ một số nhóm chức.
Hình 3.1: Chu trình tổng hợp graphene bằng phương pháp hóa học tại bộ môn
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài 3.1.1.1 Tách lớp graphite
Sử dụng hỗn hợp gồm 0.2g graphite flake, 0.2g KMnO4, 0.4ml HNO3 đặc theo tỉ lệ khối lượng là 1:1:2. Hỗn hợp được trộn đều trong chén sứ bằng đũa thủy tinh trong 2 phút. Sau đó hỗn hợp được nung trong lò vi sóng công suất 700W trong 1 phút (hình 3.2), sản phẩm thu được là graphite tách lớp với thể tích lớn hơn rất nhiều so với thể tích graphite ban đầu (hình 3.3).
Nguyên nhân là do khi trộn KMnO4 vào mép ngoài của từng mảng graphite flake được oxi hóa và mở rộng cho phép HNO3 chen vào giữa mạng graphite. Dưới tác dụng nhiệt nhanh của vi sóng KMnO4 sẽ giải phóng oxi đồng thời chính oxi này sẽ phản ứng mãnh liệt với HNO3 sinh ra khí với áp suất lớn đẩy mạng graphite ra xa nhau dẫn đến thể tích của 1 mảng graphite flake ban đầu được mở rộng.
Hình 3.3: Graphite flake trước và sau khi tách lớp. Hình 3.2: Lò vi sóng công suất 700W.
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài 3.1.1.2. Oxi hóa graphite tách lớp
Hóa chất sử dụng trong giai đoạn này bao gồm: 0.2g EG, 0.2g NaNO3, 9.6ml H2SO4(98%), 1.2g KMnO4, 28ml nước cất hai lần, và 10ml H2O2(30%). Quá trình oxi hóa graphite tách lớp trải qua các bước sau:
Trộn hỗn hợp ở nhiệt độ 0oC trong 90 phút: Hỗn hợp được trộn ở điều kiện nhiệt độ 0oC và được khuấy liên tục bằng khuấy từ, chi tiết như sau: Cho 0.2g EG vào cốc thủy tinh (loại 80ml), tiếp đó cho 0.2g NaNO3 vào, tiếp theo 9.6ml H2SO4 được cho vào hỗn hợp, cuối cùng 1.2g KMnO4 được cho từ từ vào hỗn hợp. Trong giai đoạn này việc giữ nhiệt độ hỗn hợp ở khoảng 0-5o
C là hết sức quan trọng, do yêu cầu của giai đoạn này là cho các chất hóa học xen kẽ vào cấu trúc của graphite mà không có phản ứng hóa học xảy ra. Để thực hiện được điều này chúng tôi đặt cốc thủy tính chứa hỗn hợp trong hộp chứa cồn công nghiệp (chất có khả năng hút nhiệt tốt) (Hình 3.4).
Trộn hỗn hợp ở nhiệt độ phòng trong 2 giờ: ở nhiệt độ phòng phản ứng hóa học giữa các chất chúng ta sử dụng trong hỗn hợp bắt đầu xảy ra, tuy nhiên các phản ứng chỉ diễn ra nhẹ nhàng, do vậy các đơn lớp của graphite được tách ra một cách từ từ không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng màng.
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài
Thêm 8ml nước cất vào hỗn hợp để phản ứng diễn ra mảnh liệt hơn từ đó tách hẳn các đơn lớp của graphite, tiếp sau đó pha loãng hỗn hợp bằng 20ml nước cất hai lần, cuối cùng cho 10ml H2O2 vào để hòa tan MnO4- và MnO2 màu đen thành ion Mn+ hòa tan trong dung dịch ta sẽ thu được dung dịch màu vàng tươi đến vàng sậm (hình 3.5) đó chính là graphite oxide.
Đến đây về cơ bản chúng ta đã thu được graphite oxide tuy nhiên hỗn hợp thu được cuối cùng ngoài graphite oxide còn có các sản phẩm phụ, cũng như các phần chưa phản ứng hoặc phản ứng chưa hoàn toàn lẫn trong dung dịch thu được. Để thu được graphite oxide tinh khiết, hỗn hợp của chúng ta cần phải trải qua các quá tình sau:
Hỗn hợp thu được sau khi oxi hóa được để lắng trong 24 giờ để thu được phần graphite oxide lắng dưới đáy bình.
Lọc sơ graphite chưa phản ứng (hạt đen), sau đó pha loãng dung dịch bằng nước cất hai lần và đem quay li tâm khoảng 7 lần ở tốc độ quay 7000 vòng/phút trong 2 phút để hỗn hợp trung tính.
Hút graphite oxide (hay còn gọi là graphene oxide vì tính đơn lớp của chúng) sau khi quay li tâm ra chai thủy tinh sau đó pha loãng bằng dung môi etanol-
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài aceton (tỉ lệ 1:1), đánh siêu âm nhẹ hỗn hợp để tăng độ tan, sau đó để lắng trong 24 giờ.
Sau 24 giờ hút phần dung dịch ở trên để sử dụng, bỏ phần đáy tồn tại graphite chưa phản ứng.
3.1.1.3. Khử graphene oxide (GO) thành graphene
Quá trình tạo màng graphene bao gồm 2 quá trình, đó là tạo màng GO bằng phương pháp phủ quay lên đế thạch anh, sau đó mới bắt đầu khử màng GO thành graphene bằng hydrazin kết hợp với khử nhiệt ở nhiệt độ cao (800oC).
Màng GO được phủ lên đế nền bằng phương pháp phủ quay được thực hiện như theo những thiết lập như sau:
Đế nền sẽ được quay cố định ở một vận tốc và không cần có bước quay ban đầu