CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc lên tính chất hồi đáp hơi ethanol của cảm biến ZnO và ZnFe 2O4/ZnO
Hình 3.5. Tính chất hồi đáp hơi ethanol (0,47%) trong điều kiện tối tại các nhiệt độ
khác nhau của cảm biến ZnO (a), ZnFe2O4(1/2)/ZnO (b) và so sánh giá trị độ hồi
Tính chất hồi đáp hơi ethanol với nồng độ 0,47% trong điều kiện tối tại các nhiệt độ khác nhau của cảm biến ZnO và ZnFe2O4(1/2)/ZnO lần lượt được hiển thị trong Hình 3.5a và b. Kết quả cho thấy độ hồi đáp của cảm biến đều có độ lặp lại tương đối tốt sau hai vòng đo ứng với mỗi giá trị của nhiệt độ làm việc của cảm biến. Vì giới hạn của hệ đo nên chúng tôi không khảo sát ở nhiệt độ cao hơn 300C. Hơn nữa, khi nhiệt độ thấp hơn 210C, điện trở của cảm biến ZnFe2O4(1/2)/ZnO rất cao dẫn đến sự nhiễu tín hiệu khi thực hiện phép đo nên chúng tôi đã không khảo sát tính chất nhạy hơi đối với cảm biến ZnFe2O4(1/2)/ZnO ở nhiệt độ thấp hơn 210C. Độ hồi đáp của cảm biến (được định nghĩa là tỉ số giữa điện trở ban đầu của cảm biến (Ra) và điện trở của cảm biến trong môi trường chứa hơi khí VOCs (Rg)) được tính toán và so sánh như trong Hình 3.5c. Kết quả cho thấy, giá trị độ hồi đáp của cả hai cảm biến đều tăng khi nhiệt độ làm việc tăng và độ hồi đáp của cảm biến được cải thiện sau khi biến tính bề mặt ZnO bởi các hạt nano ZnFe2O4. Điều này cho thấy vai trò quan trọng của các hạt nano ZnFe2O4 sử dụng trong việc cải thiện hiệu suất nhạy hơi ethanol.
Độ hồi đáp hơi ethanol của cảm biến ZnFe2O4(1/2)/ZnO tăng lên được giải thích là do 03 nguyên nhân: (1) diện tích bề mặt riêng phần của lớp nhạy tăng lên sau khi biến tính ZnFe2O4 trên ZnO và do đó làm tăng số vị trí hoạt tính bề mặt cho các phản ứng nhạy giữa các phân tử hơi ethanol và các dạng ion oxy hấp phụ trên bề mặt lớp nhạy, điều này góp phần cải thiện hiệu suất nhạy hơi của cảm biến; (2) tính chất xúc tác của các hạt ZnFe2O4 trong quá trình gia tăng các ion oxy hấp phụ trên bề mặt ZnO; và (3) sự hình thành các tiếp giáp dị thể tại bề mặt chung của ZnFe2O4 và ZnO. Sự hình thành tiếp giáp dị thể giữa hai bán dẫn ZnO (loại n) và ZnFe2O4 (loại n) gây ra sự chia tách hạt tải tại lớp tiếp giáp và làm tăng mật độ điện tử tự do bên phía bán dẫn ZnO do bờ dải dẫn của ZnFe2O4 cao hơn bờ dải dẫn ZnO[32]. Điều này đóng
vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất nhạy hơi của cảm biến ZnFe2O4/ZnO.
Cơ chế nhạy của bán dẫn oxit kim loại loại n có thể được giải thích dựa vào lý thuyết hấp phụ và tiếp giáp bán dẫn. Khi hệ ZnFe2O4/ZnO phơi trong môi trường khí khô, các phân tử oxy có thể hấp phụ hóa học trên bề mặt của vật liệu nhạy do bẫy các electron trong dải dẫn của vật liệu để hình thành các dạng oxy hấp phụ trên bề mặt. Trong vùng nhiệt độ làm việc của cảm biến từ
180đến 300C, các dạng ion hấp phụ trên bề mặt chủ yếu là O- (phương trình 3.2). Quá trình hấp phụ hóa học của các ion O- dẫn đến sự hình thành các lớp nghèo điện tử cho cả ZnO và ZnFe2O4. Khi vật liệu nhạy được phủ bởi ethanol, các phân tử ethanol phản ứng với các ion O- trên bề mặt để tạo ra CO2 và H2O, đồng thời nhã lại các electron bị bẫy trước đó trở lại dải dẫn của vật liệu (phương trình 3.3). Điều này làm giảm điện trở của cảm biến cấu trúc nano ZnFe2O4/ZnO. Vì electron trở lại dải dẫn của hệ vật liệu ZnFe2O4/ZnO nhiều hơn đối với vật liệu ZnO tinh khiết, do đó sự thay đổi điện trở trong cảm biến ZnFe2O4/ZnO sẽ lớn hơn. Hay nói cách khác, độ hồi đáp của cảm biến ZnFe2O4/ZnOsẽ cao hơn cảm biến ZnO.
O (3.1)
O
C H OH
25
Trong quá trình hồi phục (không có hơi ethanol), quá trình hấp phụ của oxy xảy ra trên bề mặt ZnO như theo phương trình 3.2. Khi đó điện trở của cảm biến tăng phục hồi về trạng thái ban đầu.
3.2.2 Tính chất hồi đáp bức xạ UV-254nm của cảm biến ZnO vàZnFe2O4/ZnO