là bước sóng của tia X (đối với bức xạ CuK : = 0,154056 nm).
là độ rộng tại nửa độ cao lớn nhất FWHM (Full Wide at Half Maximum) của đỉnh phổ tính theo radian.
là góc nhiễu xạ của đỉnh phổ đó.
Giá trị ước tính kích thước tinh thể trung bình của màng mỏng SnO2 là khoảng 12 nm.
Với mục đích chế tạo các cảm biến có chiều dày lớp màng nhạy khác nhau để tìm được chiều dày tối ưu của lớp màng nhạy, chúng tôi chế tạo các cảm biến màng mỏng SnO2 có chiều dày màng ước tính là 20 nm, 40 nm, 60 nm và 80 nm.
Chiếều dày màng ngỏ
Để kiểm tra chiều dày màng mỏng, chúng tôi đã sử dụng hệ đo chiều dày Profilometer. Các kết quả đo chiều dày màng mỏng được chỉ ra như Hình III .38a.
a) Hình ảnh chụp từ máy Profilometer b) Mô hình mặt cắt ngang
Hình III.38: Hình ảnh bề dày cảm màng SnO2 thu được từ Profilometer
Profilometer là hệ đo chiều dày màng mỏng theo nguyên lý cơ học, sử dụng đầu kim dò quét trên bề mặt mẫu. Chiều dày màng mỏng được tính là chiều cao đoạn nhảy bậc từ nền là lớp SiO2 lên lớp màng mỏng SnO2 (Hình III .38b). Kết quả đo từ hệ Profilometer được vẽ lại bằng phần mềm OriginPro 8.0 như hình sau:
Hình III.39: Kết quả đo chiều dày màng mỏng SnO2.
Từ Hình III .39 ta thấy rằng chiều dày màng mỏng SnO2 đo được từ hệ máy Profilemeter tương thích với chiều dày đã dự tính. Những điểm nhô lên hay hạ thấp cho thấy độ nhám bề mặt màng mỏng, hoặc có thể gây ra do bụi bám trên bề mặt.
Để khảo sát vi cấu trúc của màng mỏng SnO2, chúng tôi sử dụng máy hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM). Hình ảnh chụp được của màng mỏng SnO2
Hình III.40: Ảnh FESEM thể hiện hình thái của màng mỏng SnO2 có chiều dày:(a) 20 nm; (b) 40 nm; (c) 60 nm; (d) 80 nm.
Qua hình ảnh bề mặt mẫu, ta thấy bề mặt màng có độ đồng đều cao, các hạt mịn nhỏ và có kích thước cỡ 20 nm. Mặc dù vậy có thể thấy các vết nứt trên bề mặt màng, đây có thể là do ứng xuất của màng trong quá trình chế tạo.
Qua phân tích ảnh FESEM và giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy màng mỏng SnO2 thu được có cấu trúc pha rutile với kích thước hạt tinh thể nhỏ, một trong những yếu tố làm tăng độ nhạy của cảm biến.
III.1.2. Cảm biến màng mỏng SnO2 kết hợp đảo xúc tác
Sau khi tiến hành đo đạc và lựa chọn màng mỏng SnO2 có chiều dày thích hợp, chúng tôi tiến hành chế tạo lớp đảo xúc tác lên trên lớp màng mỏng như thiết kế đã nêu trong chương II. Với mục đích chế tạo cảm biến có độ đáp ứng, độ chọn
lọc cao với khí H2S, kim loại Cu được phún xạ để tạo lớp đảo xúc tác. Cảm biến sau khi chế tạo thành công được khảo sát hình thái và cấu trúc bằng phương pháp chụp ảnh FESEM và phổ tán sắc năng lượng EDX. Hình III .41 là ảnh FESEM của cảm biến màng mỏng SnO2 đã có đảo xúc tác.
Hình III.41: Ảnh FESEM của màng mỏng SnO2 có đảo xúc tác.
Từ kết quả chụp FE-SEM của màng mỏng SnO2 có đảo xúc tác, ta thấy đã chế tạo thành công lớp đảo xúc tác lên trên lớp màng mỏng. Các đảo có hình tròn, đường kính 5 μm và được phân bố đều đặn phù hợp với cấu trúc đã thiết kế.
Từ Hình III .42 ta có thể thấy mẫu cảm biến chứa chủ yếu các nguyên tố Sn, Oxi, Pt và Cu. Pt là vật liệu làm lớp điện cực nên vẫn chiếm phần lớn. Đỉnh Cu có xuất hiện chứng tỏ lớp đảo xúc tác được chế tạo bằng kim loại Cu.
Hình III.42: Phổ EDS của cảm biến màng mỏng SnO2 có đảo xúc tác Cu.
III.2. Khảo sát đặc trưng nhạy khí của cảm biến III.2.1. Cảm biến màng mỏng SnO2 chưa có đảo xúc tác
Cảm biến màng mỏng SnO2 chưa có đảo xúc tác với chiều dày lớp màng mỏng khác nhau lần lượt là 20 nm; 40 nm; 60 nm và 80 nm, được chúng tôi tách nhỏ, đặt vào hệ thống đo khí để khảo sát tính chất nhạy khí của cảm biến. Đầu tiên, khí H2 được lựa chọn để nghiên cứu do H2 là khí khử đặc trưng, có cấu trúc đơn giản, dễ dàng tương tác với vật liệu nhạy khí, và ít có những phản ứng phụ không mong muốn gây biến đổi cấu trúc của các vật liệu.
Do dải nhiệt độ thông thường dùng để khảo sát tính nhạy khí của vật liệu là từ 200oC đến 500oC, chúng tôi lựa chọn các nhiệt độ khảo sát cảm biến là 300oC, 350oC, và 400oC. Với mục đích khảo sát và so sánh độ đáp ứng của các màng mỏng SnO2 có chiều dày khác nhau với khí H2, dải nồng độ khí H2 được lựa chọn thực hiện đo là 100 ppm, 250 ppm, 500 ppm, 1000 ppm. Đây là dải nồng độ cao, sẽ cho độ đáp ứng cao, dễ dàng cho việc so sánh kết quả.
SnO2 là vật liệu bán dẫn loại n. Khi có sự xuất hiện của khí H2, điện trở của màng mỏng SnO2 dự đoán sẽ giảm. Sau đây là kết quả đo đặc trưng nhạy khí của các cảm biến màng mỏng SnO2 có chiều dày khác nhau.
Hình III.43: Sự thay đổi điện trở của cảm biến màng mỏng SnO2 dày 20 nm