Các kết quả nhạy khí của mẫu dây nano oxit kim loại bán dẫn cấu trúc dị thể cùng loại hạt tải n-SnO2/n -ZnO với chiều dày lớp biến tính xác định cho tăng cường độ nhạy với khí khử H2S tuy nhiên độ đáp ứng này còn hạn chế so với các mẫu cấu trúc dây nano loại n – p đã nghiên cứu trong Chương 3. Để hiểu biết hơn đặc trưng nhạy khí của cấu trúc này chúng tôi tiếp tục nghiên cứu tính nhạy khí ôxy hóa (NO2) của cảm biến dựa trên cơ sở dây nano oxit kim loại bán dẫn cấu trúc dị thể SnO2/ZnO với bề dày lớp biến tính ZnO khác nhau. Các cảm biến này cho đáp ứng tốt với khí NO2 nồng độ 1÷10 ppm ở nhiệt độ phòng, với tốc độ đáp ứng và hồi phục khí được cải thiện rõ rệt so với dây nano SnO2 nguyên sơ. Chiều dày tối ưu cho nhạy khí NO2
của cảm biến tương ứng với chiều dày lớp biến tính ZnO mọc trong thời gian 10 phút. Kết quả của nghiên cứu đã được công bố tại Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ X năm 2017. Cụ thể như sau:
0 2 4 6 8 S (R g /R a ) 500ppm 500ppm 2.5ppm 500ppm
SnO2/ZnO-10 min- 350 oC
212
1.17.8 7.8
1.15 1.4
93
Để nghiên cứu được ảnh hưởng của lớp biến tính ZnO với tính chất nhạy khí, chúng tôi đã khảo sát độ đáp ứng khí của các cảm biến cấu trúc dị thể đã chế tạo được với khí NO2 có nồng độ từ 1 ÷ 10 ppm của các mẫu tại nhiệt độ phòng (tương ứng với nhiệt độ làm việc của cảm biến là 38 oC) và so sánh để tìm ra chiều dày tối ưu của lớp biến tính cho độ đáp ứng khí tốt nhất.
Hình 4.9. Đăc trưng nhạy khí NO2 tại nhiệt độ phòng (38 oC) của của dây nano SnO2 và các cấu trúc SnO2/ZnO có bề dày vỏ ZnO mọc trong các thời gian 5;10;15 min.
Kết quả nghiên cứu trên Hình 4.9 cho thấy cảm biến dây nano SnO2 và các cấu trúc SnO2/ZnO chế tạo được từ phương pháp CVD hai lần đều nhạy khí NO2 tốt ở nhiệt độ phòng (38 oC). Từ đồ thị ta nhận thấy các mẫu SnO2/ZnO có thời gian mọc lớp biến tính ZnO là 5 min và 10 min có độ nhạy khí tốt hơn hẳn so với mẫu SnO2. Mặt khác chúng tôi cũng thấy rằng thời gian đáp ứng và hồi phục các mẫu SnO2/ZnO ngắn hơn rất nhiều so với dây nano SnO2 nguyên sơ. Điều này chứng tỏ các mẫu có
94
cấu trúc lõi-vỏ đã tăng cường được độ nhạy khí NO2 của cảm biến và cải thiện được thời gian đáp ứng và hồi phục. Hình 4.9 so sánh độ đáp ứng khí của các cấu trúc lõi- vỏ khác nhau. Khả năng nhạy khí NO2 tại nhiệt độ phòng (38 oC) được tăng cường rõ rệt với các mẫu SnO2/ZnO-5 phút cho độ nhạy S((RNO2/RAir) là 81 tại nồng độ 1ppm, là 498 tại nồng độ 10 ppm; mẫu SnO2/ZnO – 10 phút có độ nhạy tương ứng là 300 và 1950 trong khi giá trị này chỉ là 1,9 và 3,7 đối với dây nano SnO2 nguyên bản. Kết quả cũng cho thấy mẫu SnO2/ZnO có bề dày lớp biến tính tương ứng với thời gian mọc 15 phút cho kết quả nhạy khí kém hơn hẳn các mẫu có thời gian mọc lớp biến tính là 5 phút và 10 phút. Độ nhạy tương ứng tại các nồng độ khí NO2 1 ppm và 10 ppm lần lượt là 2,0 và 2,4 giá trị này còn thấp hơn cả so với dây nano SnO2 nguyên sơ (Hình 4.10). Điều này có thể giải thích do với thời gian mọc lớp biến tính kéo dài (15 phút) đã tạo ra lớp biến tính ZnO liên tục, bao phủ toàn bộ lõi SnO2 với chiều dày lớn, khi tiếp xúc với các phân tử khí làm độ dẫn của SnO2 bị giảm mạnh, lớp tiếp xúc giữa SnO2 và ZnO không còn ảnh hưởng nữa. Như vậy cấu trúc dị thể với chiều dày vỏ nhất định đã cải thiện được đáng kể tính chất nhạy khí NO2 tại dải nhiệt độ thấp từ 50 ÷ 200 oC, đặc biệt là tại nhiệt độ phòng. Chiều dày tối ưu cho nhạy khí là chiều dày của lớp biến tính ZnO tương ứng với thời gian mọc là 10 phút.
Hình 4.10. Độ nhạy khí NO2 tại nhiệt độ phòng (38 oC) của của dây nano SnO2 và các cấu trúc SnO2/ZnO có bề dày vỏ ZnO mọc trong các thời gian 5;10;15 min.
95
Với mẫu SnO2/ZnO với chiều dày lớp biến tính mọc trong thời gian 10 phút, 5 phút chúng tôi tiếp tục khảo sát với khí NO2 ở một số nhiệt độ cao hơn là 200, 250 và 300 oC. Kết quả nghiên cứu cho thấy tuy độ hồi đáp của các mẫu vẫn rất tốt nhưng độ nhạy khí giảm rất nhiều so với khảo sát tại nhiệt độ phòng. Tại 200 và 250 oC độ nhạy khí gần như không thay đổi theo nồng độ khí khảo sát từ 1 ÷ 10 ppm. Tại 300
oC độ đáp ứng tại các nồng độ khác nhau có rõ ràng hơn, nhưng độ nhạy không cao hơn so với các nhiệt độ 200 và 250 oC.
Hình 4.11. Độ nhạy khí NO2 tại nhiệt độ 200÷300 oC của của dây nano SnO2 và các cấu trúc SnO2/ZnO có bề dày vỏ ZnO mọc trong các thời gian 5;10;15 min.
Độ đáp ứng của cảm biến SnO2/ZnO phụ thuộc mạnh vào chiều dày lớp biến tính. Chiều dày lớp biến tính ZnO phải tương đương cỡ chiều dày Debye của nó thì cảm biến mới nâng cao được độ nhạy khí. Với khí NO2 chiều dày lớp biến tính mọc trong thời gian 10 phút cho độ nhạy khí tối ưu.