3. Kết quả và bàn luận
3.5.2. Khảo sát tính nhạy khí của tổ hợp vật liệu graphene-dây nano Ag (G-nwAg)
Các điều kiện khảo sát và thông số mẫu được cho ở bảng 3.3 bên dưới:
Bảng 3.3: Thông số mẫu và điều kiện khảo sát.
Cảm biến sử dụng tổ hợp graphene dây nano Ag Khoảng cách giữa hai điện cực (mm) Bề rộng lớp nanowire Ag (mm) Điện trở linh kiện trước và sau khi phun dây nano Ag (KΩ) Lưu lượng dòng khí thử (NH3) (sccm)
Thời gian khảo sát gồm 3 chu kì + 1 lần giải hấp (giây) 6 5 Trước Sau 54 Thời gian giải hấp Thời gian hấp thụ 3.08 0.506 4x300 3x600
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài Trong phần này luận văn sử dụng lại mẫu linh kiện cảm biến trên cơ sở vật liệu graphene thuần như đã khảo sát trong phần 3.5.1, sau đó phun lớp dây nano Ag vào khoảng trống (bề rộng) 5mm ở giữa hai điện cực sao cho lớp dây nano Ag đó không tiếp xúc với hai điện cực (cấu trúc 1, có lớp dây nano nằm trên màng graphene). Với khảo sát này chúng ta có thể quan sát được hiệu quả của lớp dây nano Ag đối với màng graphene. Hình 3.24 là giản đồ đo độ nhạy của mẫu linh kiện cảm biến sử dụng tổ hợp graphene và dây nano Ag làm lớp cảm biến.
Dựa vào giản đồ và các thông số khảo sát, ta thấy rằng mẫu (G-nwAg) có nhiều tính chất vượt trội hơn so với màng graphene đơn thuần. Cụ thể là, độ nhạy (9.6% so với 3.6%), thời gian đáp ứng (~250 giây so với >600 giây), thời gian hồi phục (~250 giây so với >>300 giây), khả năng giải hấp ở nhiệt độ phòng (cảm biến dựa trên vật liệu graphene thuần không thể giải hấp hoàn toàn ở nhiệt độ phòng).
Hình 3.24: Giản đồ đo nhạy khí của cảm biến sử dụng tổ hợp
graphene-dây nano Ag (cấu trúc 1), so sánh với cảm biến sử dụng graphene thuần túy.
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài Trong cấu trúc 1 luận văn nhận thấy khí hấp thụ (NH3) tiếp xúc với cả màng graphene và dây nano Ag do đó cả 2 thành phần vật liệu này đều có khả năng tham gia vào quá hấp thụ khí. Ngoài graphene đã được nói tới (khả năng nhạy khí không cao ở cấu trúc cảm biến graphene thuần và khả năng giải hấp rất thấp), khả năng nhạy khí NH3 của dây nano Ag đã và đang được nhiều nhà khoa học tranh luận với 2 chiều hướng khác nhau: không nhạy khí và nhạy khí. Tham khảo nhiều tài liệu liên đới về vấn đề này [22], [29], [30], dây nano Ag nhạy khí NH3 tương đối yếu và độ lặp lại không cao khi quá trình chế tạo chúng bằng phương pháp polyol không tách được hết polymer PVP [22], hoặc việc chế tạo chúng dưới điều kiện bị oxi hóa mạnh tạo thành Ag2O cũng nhạy với khí NH3. Nói khác đi là việc nhạy khí của dây nano Ag là do các phụ phẩm của quá trình chế tạo hay điều kiện lưu trữ (phơi chúng trong môi trường đầy oxy) sẽ đóng vai trò nhạy khí chính trong cảm biến dựa trên tổ hợp lai graphen-dây nano Ag hay không? Để có được kết luận chính xác hơn luận văn đã tiến hành khảo sát mẫu linh kiện cảm biến cấu trúc 2 (lớp graphene nằm trên bao lấy lớp dây nano Ag). Trong mẫu cấu trúc 2 chỉ có màng graphene tiếp xúc với khí thử (NH3) do đó việc kết luận sẽ dễ dàng và chính xác hơn.
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài Mẫu cảm biến cấu trúc 2 có các thông số như sau: Rmẫu= 1.7KΩ, khoảng cách giữa hai điện cực là 7mm, điện cực và lớp dây nano Ag cách nhau 1mm mỗi bên. Giản đồ đo nhạy khí của mẫu cảm biến cấu trúc 2 được cho ở hình 3.25.
Quy trình tạo cảm biến với cấu trúc 2 thông qua một quá trình chuyển màng graphene từ đế thạch anh sang đế chứa các dây nano Ag, quá trình chuyển như thế có thể tạo ra thêm một số sai hỏng trong màng graphene kích thước lớn (các màng dễ bị đứt gẫy nhiều hơn) do đó tuy cùng các thông số chế tạo màng và lượng dây nano sử dụng nhưng điện trở của tổ hợp lai graphene-dây nano Ag trong cấu trúc 2 vẫn cao hơn tổ hợp lai trong cấu trúc 1, cụ thể là 1,7 kΩ (cấu trúc 2) so với 0,55 kΩ (cấu trúc 1). Điều này thể hiện sự không hoàn hảo của dây nano Ag trong vai trò cầu nối do sự nứt gẫy của graphene trong quá trình chuyển đế. Ngoài ra, qua giản đồ cảm biến khí trên, có thể thấy rằng lớp dây nano Ag đã cải thiện độ nhạy của cảm biến (từ ~3.5% đến ~4.5%) thời gian đáp ứng của màng graphene (thời gian đáp ứng giảm từ >600 giây còn khoảng 450 giây), thời gian hồi phục giảm (thời gian giải hấp tuy vẫn lớn hơn 300 giây nhưng theo quan sát ta có thể thấy rằng linh kiện có khuynh hướng giải hấp hoàn toàn). Kết quả cảm biến khí của tổ hợp lai graphene-dây nano trong cấu trúc 2 kém hơn so với cấu trúc 1 nhưng vẫn tốt hơn hẳn so với cảm biến graphene thuần. Hiển nhiên dây nano Ag pha vào graphene sẽ làm tăng cường những đặc tính nhạy khí của màng graphene. Bên cạnh đó để khẳng định dây nano Ag không đóng góp vào quá trình nhạy khí, chúng tôi đã thực hiện các khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng dây nano Ag lên khả năng nhạy khí sẽ được trình bày trong phần 3.5.3 bên dưới.
Kết luận khả năng nhạy khí của graphene và tổ hợp lai của luận văn có thể được giải thích như sau: đường hồi đáp (Hình 3.26) của cảm biến khí hấp thụ khí thử chia làm hai vùng đó là vùng hồi đáp nhanh, do khí thử được hấp thụ trên mạng liên kết có năng lượng thấp, và vùng hồi đáp chậm, do tương tác của khí thử với mạng liên kết có năng
GVHD TS. Trần Quang Trung HVTH Tống Đức Tài lượng cao (ví dụ như khoảng trống, khuyết tật, nhóm chức của oxy còn sót lại sau khi khử nhiệt độ cao) [17].
Dây nano Ag pha tạp trên màng graphene đóng vai trò cầu nối giúp hạn chế khuyết tật, khoảng trống của màng graphene từ đó giảm vùng mạng liên kết mạnh tăng vùng liên kết yêu, kết quả dẫn đến là thời gian đáp ứng, thời gian hồi phục của cảm biến giảm, độ nhạy và khả năng hồi phục của cảm biến tăng.
Qua khảo sát trên luận văn cũng nhận thấy rằng cấu trúc 1 có hiệu quả hơn cấu trúc 2 cả về phương pháp chế tạo lẫn kết quả đo nhạy khí. Do vậy cấu trúc 1 sẽ là cấu trúc mà luận văn sử dụng cho những khảo sát tiếp theo.