Sơ đồ cấu tạo của cảm biến khí ion hóa trên cơ sở CNT được cho ở hình 2.14. Một điện cực là màng CNT, điện cực còn lại là một tấm nhôm hoặc bản ITO (Indium Tin Oxide). Hai điện cực đặt đối diện nhau
một khoảng cách nhỏ (cỡ vài chục µm), được cách ly với nhau bởi thủy tinh cách điện. Điện áp làm việc là điện áp một chiều cỡ 100 V. Màng CNT có thể được chế tạo trên đế silic bằng phương pháp CVD [6]. Nguyên lý làm việc của cảm biến khí ion hóa hoạt động dựa trên sự phát sinh và thay đổi giá trị dòng điện giữa hai bản điện cực của cảm biến do sự ion hóa khí thử đưa vào. Cơ chế nhạy khí được giải thích cho kiểu cảm biến khí ion hóa trên cơ sở CNT như sau: Trên hình 2.14 b, màng CNT được sử dụng làm
cực dương, dưới tác dụng của điện trường mạnh gây bởi các đầu tip CNT, các phân tử khí NH3 bị ion hóa và đồng thời các điện tử được sinh ra. Các điện tử sẽ được hấp thụ trên các đầu tip nanô ở cực dương, trong khi đó các ion sẽ di chuyển về phía cực âm dưới tác dụng của điện trường tĩnh. Một iôn sẽ tái hợp với một điện tử để tạo thành một phân tử trên bề mặt của điện cực âm. Sự tái hợp này kích thích phát ra một điện tử. Quá trình này được gọi là quá trình γ.
a) b)
Hình 2.14 Mô phỏng cảm biến khí ion hóa sử dụng
MWCNT làm cực dương, tấm thủy tinh cách điện dày 180 µm và cực âm là tấm Al (a); sơ đồ thực tế
thử nghiệm của cảm biến (b); ảnh SEM của MWCNT mọc thẳng sử dụng như cực dương (c)[6].
51
Các điện tử sinh ra từ điện cực âm sẽ có đủ năng lượng để iôn hóa các phân tử khí thử khác trong quá trình nó di chuyển về điện cực dương. Tuy nhiên quá trình này có thể bỏ qua vì khoảng cách nhỏ và hệ số iôn hóa của điện tử không cao. Vì vậy dòng điện chủ yếu sinh ra bởi sự ion hóa các phân tử khí thử ở đầu tip nanô trên điện cực dương. Ta đo dòng điện sinh ra bởi các ion, điện tử này. Dựa vào cường độ dòng điện đo được, ta có thể suy ra nồng độ của NH3. Với cấu tạo này, cực dương CNT có thể làm tăng cường quá trình ion hóa, làm giảm điện áp làm việc và cải thiện độ nhạy của cảm biến.
Trong chương này đã cho chúng ta một cái nhìn tổng quan về cảm biến khí trên cơ sở CNT: từ cảm biến kiểu điện trở trên cơ sở CNT thuần đơn giản cho đến cảm biến khí kiểu ion hóa trên cơ sở CNT (phức tạp). Trong điều kiện Việt Nam, hầu hết các nhóm nghiên cứu cảm biến khí CNT đều lựa chọn chế tạo cảm biến kiểu điện trở, có thể kể đến các nhóm: nhóm của GS.TS Nguyễn Văn Hiếu, Viện ITIMS trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nghiên cứu cảm biến khí trên cơ sở CNT đi theo hướng tổng hợp vật liệu màng mỏng composit của CNT/cấu trúc nanô của ô xit kim loại (TiO2, SnO2, ZnO, SiO2…). Nhóm của PGS.TS Dương Ngọc Huyền, Phòng Thí nghiệm Vật liệu từ và Nanô thuộc Viện Vật lý Kỹ thuật trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nghiên cứu cảm biến khí trên cơ sở CNT theo hướng tổng hợp vật liệu màng nanocomposites dạng Polymer dẫn/CNT (PANI/CNT, PPy/CNT…).
Trong khuôn khổ nội dung luận án, chúng tôi đã chọn một hướng nghiên cứu mới ở Việt Nam về cảm biến khí trên cơ sở vật liệu CNT được chức năng hóa khi phủ các hạt nanô kim loại (CNT/Pt, CNT/Ag, CNT/Au, CNT/Co) cho ứng dụng nhạy khí NH3. Trên cơ sở lý thuyết về cảm biến khí NH3 dùng vật liệu CNT đã nêu trên, chúng tôi tiến hành tổng hợp CNT tại Phòng thí nghiệm, sử dụng CNT thuần và CNT/kim loại để khảo sát tính nhạy khí. Mục tiếp theo của Chương này, chúng tôi trình bày phương pháp thực nghiệm, chế tạo và nghiên cứu cảm biến.