Với diện tích bề mặt riêng lớn, được tạo nên bởi các lõi rỗng và diện tích mặt ngoài của vách, CNT có khả năng hấp phụ khí rất lớn, ví dụ: đồ thị trong hình 1.7 biểu diễn sự thay đổi thể tích khí hấp thụ O2, N2, theo áp suất riêng phần của khí hấp phụ. Khi tương tác với một số loại khí có thể làm thay đổi
tính chất điện của CNT tại nhiệt độ phòng. Tính nhạy khí tại nhiệt độ phòng của CNT rất quan trọng, bởi vì hiện nay hầu hết các cảm biến khí đều có nhiệt độ làm việc khá cao chỉ trừ một số loại polymer dẫn có thể sử dụng làm cảm biến khí có nhiệt độ làm việc tại nhiệt độ môi trường đo. Ngoài ra, CNT có thời gian đáp ứng nhanh. Với những tính chất quan trọng này, CNT đã trở thành vật liệu đầy tiềm năng cho những ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến khí. L. Dai là một trong
những người đi tiên phong trong nghiên cứu, khảo sát tính chất nhạy khí của CNT ứng dụng trong cảm biến khí. Ông và các cộng sự lần đầu tiên đã chứng minh SWCNT bán dẫn
21
Hình 1.9 Đường đáp ứng của SWCNT
với khí O2 tại nhiệt độ 290 K [23].
Hình 1.10 Đường đáp ứng của SWCNT bị bao
bọc bởi các hạt nano Pd với luồng không khí chứa nồng độ 400 ppm H2 bật và tắt [55].
hoạt động như một cảm biến nhạy khí tại nhiệt độ phòng [23]. Trên hình 1.8 là kết quả khảo sát tính nhạy khí của bán dẫn SWCNT hoạt động ở nhiệt độ môi trường ngoài với các khí NH3 và NO2. Sự thay đổi độ dẫn trong hai đường đáp ứng trên hình 1.8 được giải thích do sự chuyển dời điện tích giữa bán dẫn SWCNT-p (dẫn điện bằng lỗ trống) và phân tử NH3 nhường điện tử hoặc phân tử NO2 thu điện tử. Khi SWCNT-p hấp phụ khí NH3, phân tử NH3 sẽ nhường điện tử cho SWCNT-p làm giảm nồng độ lỗ trống do vậy làm giảm độ dẫn SWCNT, ngược lại phân tử NO2 sẽ thu bớt điện tử của SWCNT khi bị hấp thụ làm tăng nồng độ lỗ trống gây nên việc tăng độ dẫn của SWCNT.
Hình 1.8 Đường đáp ứng của bán dẫn SWCNT hoạt động tại nhiệt độ
môi trường bên ngoài (a)-NO2 200 ppm, (b)-NH3 1% [23].
Có rất nhiều công trình khảo sát về tính nhạy khí của CNT ở nhiệt độ phòng, Zettl và các cộng sự đã công bố về khả năng
nhạy khí O2 của SWCNT ở nhiệt độ 290 K (hình 1.9). Cơ chế nhạy khí của CNT không chỉ thông qua tương tác trực tiếp giữa phân tử khí hấp phụ với CNT mà còn gián tiếp thông qua tương tác với tác nhân trung gian khác. J. Kong cùng những cộng sự [55] đã phát hiện ra điều này khi khảo sát tính nhạy khí H2 (hình 1.10) của vật liệu trong đó SWCNT bị bao phủ bởi các hạt nano Pd. Tính nhạy khí ở nhiệt độ phòng được cho là các phân tử H2 tương tác với bề mặt Pd, chúng kìm chế khả năng hoạt động của Pd, sự biến đổi đó là nguyên nhân gây nên việc chuyển dịch các điện tử từ Pd vào SWCNT làm giảm nồng độ lỗ trống dẫn đến độ dẫn
22
Hình 1.11 Cơ chế đóng kín: hấp thụ C2 vào nắp
ống (6,5). Sáu hình ngũ giác trên đỉnh bán cầu được đánh số từ 1 đến 6. Nếu hấp thụ một phân tử C2 bởi các vòng mở 2 và 3, và các liên kết mới được
thể hiện bởi các vạch nét chấm, khi đó sẽ có một hình sáu cạnh biểu diễn ở phần đánh bóng tối màu
trong hình (b)[85].
Hình 1.12 Cơ chế một đầu mở: các phân tử
dimmers C2 và các phân tử trimers C3 bị hấp thụ để hình thành cấu trúc CNT [86].
của p-SWCNT bị giảm [65]. Đối với MWCNT tính hấp phụ và nhạy khí bị ảnh hưởng nhiều bởi đường kính và cấu trúc của MWCNT. Nói chung cơ chế nhạy khí của MWCNT phức tạp hơn SWCNT và đặc biệt CNT phân tán trong các chất nền khác nhau thì cơ chế nhạy khí của CNT xảy ra rất khác nhau.