CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.2. TÍNH CHẤT NHẠY HƠI ACETONE CỦA CẢM BIẾN ZnO-H VÀ
3.2.3. chọn lọc của cảm biến
Độ chọn lọc là một thông số để đánh giá chất lượng cũng như khả năng ứng dụng vào thực tế của cảm biến, vì vậy chúng tơi đã tiến hành khảo sát và so sánh độ đáp ứng của các cảm biến dựa trên cấu trúc ZnO-H và
NiO(8min)/ZnO-H với ba loại khí VOCs gồm acetone, ethanol và methanol cùng nồng độ 0,4769% ở các nhiệt độ làm việc khác nhau như thể hiện trong Hình 3.15a. Độ chọn lọc của các cảm biến cũng được tính tốn và so sánh như trong Hình 3.15b. Ở đây độ chọn lọc của cảm biến được xác định bởi biểu thức:
i n i j j=1 S Se = S (3.3)
Trong đó: Si là độ đáp ứng của cảm biến đối với khí thứ i, n
j j=1
S
là
tổng độ đáp ứng của cảm biến đối với tất cả các khí so sánh (kể cả khí thứ i) tại cùng một nồng độ và nhiệt độ làm việc của cảm biến.
Kết quả cho thấy cảm biến ZnO-H có độ đáp ứng tốt đối với hơi ethanol ở vùng nhiệt độ làm việc 200C và 240C và độ đáp ứng tốt cũng như có độ chọn lọc cao đối với hơi acetone khi tăng nhiệt độ làm việc ở 280C và 320C (Hình 3.15a). Điều thú vị ở đây rằng, cấu trúc NiO(8min)/ZnO-H không những cải thiện độ đáp ứng hơi acetone mà còn làm giảm độ đáp ứng đối với ethanol và methanol trong hầu hết các vùng nhiệt độ khảo sát (trừ tại nhiệt độ 320C), đặc biệt tính chất này thể hiện rõ tại nhiệt độ làm việc 280C. Tại nhiệt độ làm việc tối ưu 280C độ đáp ứng của cấu trúc NiO(8min)/ZnO-H đối với acetone là 8447% cao gấp 48,3 lần đối với ethanol, gấp 136,3 lần đối với methanol và gấp 3,1 so với cấu trúc ZnO-H. Như vậy, bằng cách kết hợp việc lựa chọn nhiệt độ làm việc của cảm biến và biến tính bề mặt ZnO bởi NiO, chúng ta có thể cải thiện khơng những độ đáp ứng mà còn độ chọn lọc của cảm biến đối với acetone.
Hình 3.15: Độ hồi đáp (a) và độ chọn lọc (b) của cảm biến dựa trên cấu trúc ZnO-H và NiO(8 min)/ZnO-H đối với ba loại khí VOCs gồm acetone, ethanol và methanol
KẾT LUẬN
Sau quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ tại khoa Vật lý trường Đại Học Quy Nhơn, từ các kết quả chế tạo cảm biến, nghiên cứu hình thái và cấu trúc vật liệu, khảo sát các tính chất điện và đặc trưng nhạy khí của cảm biến, chúng tôi đã thu được các kết quả sau:
- Đã chế tạo thành công các cấu trúc nano ZnO phân nhánh biến tính bề mặt bởi hạt nano NiO với thời gian lắng đọng khác nhau. Tính chất cấu trúc tinh thể và tính chất hình thái bề mặt được khảo sát bằng các phép đo XRD, EDS và SEM.
- Tính chất huỳnh quang của vật liệu chế tạo được khảo sát bằng phép đo phổ huỳnh quang PL. Từ đó xác định được độ rộng vùng cấm của ZnO là
3,26 eV từ đỉnh phát xạ 380 nm. Nguồn gốc các đỉnh phát xạ trong vùng ánh sáng nhìn thấy cũng được phân tích.
- Tính chất điện và tính chất nhạy hơi acetone của các cấu trúc cảm biến đã chế tạo được nghiên cứu một cách có hệ thống. Độ chọn lọc và độ lặp lại của cảm biến được khảo sát và nghiên cứu. Kết quả thu được cho thấy cảm biến dựa trên cấu trúc ZnO phân nhánh biến tính bề mặt bởi các hạt nano NiO thể hiện độ nhạy và độ chọn lọc cao đối với acetone, thời gian đáp ứng và hồi phục ngắn hơn so với cấu trúc ZnO phân nhánh tinh khiết ở nhiệt độ làm việc tối ưu 280C. Cảm biến NiO(8min)/ZnO có độ đáp ứng cao nhất với độ ổn định và độ chọn lọc tốt.
Tuy nhiên, luận văn vẫn còn một số tồn tại:
+ Chưa nghiên cứu nhiều hơn các loại VOCs khác do hạn chế về mặt thời gian.
+ Chưa khảo sát sự ảnh hưởng việc chiếu ánh sáng trong suốt quá trình đo lên tính chất nhạy của cảm biến.
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ
[1] Dinh Tien Dung, Vo Thi Han, Do Dai Duy, Nguyen Ngoc Khoa Truong, Hoang Nhat Hieu, Bui Van Hao, Nguyen Van Nghia and Nguyen Minh Vuong (2018), “ZnO nanostructures for Acetone sensing application”, The 9th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN2018), 8-11 November, 2018 − Ninh Binh, Vietnam.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] A. Mirzaei, S. G. Leonardi, and G. Neri. (2016), “Detection of hazardous volatile organic compounds (VOCs) by metal oxide nanostructures- based gas sensors: A review”, Ceram. Int, vol. 42, no. 14, pp. 15119– 15141.
[2] F. Meng et al. (2015), “Flower-like hierarchical structures consisting of porous single-crystalline ZnO nanosheets and their gas sensing properties to volatile organic compounds (VOCs)”, J. Alloys Compd, vol. 626, pp. 124–130.
[3] A. Fioravanti et al. (2014), “ZnO as functional material for sub-ppm acetone detection”, Proc. IEEE Sensors, vol. 2014–Decem, no.
December, pp. 803–806.
[4] A. Hastir, O. Singh, K. Anand, and R. C. Singh. (2014), “Acetone sensor based on zinc oxide hexagonal tubes”, AIP Conf. Proc, vol. 1591, pp. 898–900.
[5] Y. Xiao et al. (2012), “Highly enhanced acetone sensing performances of porous and single crystalline ZnO nanosheets: High percentage of exposed (100) facets working together with surface modification with Pd nanoparticles”, ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 4, no. 8,
pp. 3797–3804.
[6] Nguyễn Văn Hiếu (2016), Cảm biến khí dây nano ơxít kim loại bán dẫn, Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội, Hà Nội.
[7] C. Liu et al. (2017), “Acetone gas sensor based on NiO/ZnO hollow spheres: Fast response and recovery, and low (ppb) detection limit”,
J. Colloid Interface Sci, vol. 495, pp. 207–215.
Established Sensing Materials for H2S Gas Sensors”, Nat. Publ. Gr, no. May.
[9] C. Wang, L. Yin, L. Zhang, D. Xiang, and R. Gao. (2010), “Metal Oxide Gas Sensors: Sensitivity and Influencing Factors”, Open access sensors, pp. 2088–2106.
[10] N. Kaur et al. (2018), “Branch-like NiO/ZnO heterostructures for VOC sensing”, Sensors Actuators B Chem, vol. 262, pp. 477–485.
[11] C. Liu et al. (2016), “Facile synthesis and gas sensing properties of the flower-like NiO-decorated ZnO microstructures”, Sensors Actuators
B Chem, vol. 235, pp. 294–301.
[12] J. Lee. (2009), “Gas sensors using hierarchical and hollow oxide nanostructures: Overview”, Sensors Actuators B Chem, vol. 140, pp.
319–336.
[13] Y. Zhang, J. Xu, Q. Xiang, H. Li, Q. Pan, and P. Xu. (2009), “Brush-Like Hierarchical ZnO Nanostructures: Synthesis, Photoluminescence and Gas Sensor Properties”, J. Phys. Chem. C, Vol. 113, No. 9, 2009,
pp. 3430–3435.
[14] Y. Liu, G. Li, R. Mi, C. Deng, and P. Gao. (2014), “An environment- benign method for the synthesis of p-NiO/n-ZnO heterostructure with excellent performance for gas sensing and photocatalysis”,
Sensors Actuators B Chem, vol. 191, pp. 537–544.
[15] A. Dey. (2018), “Semiconductor metal oxide gas sensors: A review”,
Materials science & engineering B, vol. 229, no. July 2017, pp. 206–
217.
[16] Ngô Trần Quốc Khánh (2018), Nghiên cứu biến tính cấu trúc nano phân
nhánh ZnO bởi các hạt nano bán dẫn CuO và khảo sát tính chất nhạy khí của chúng, Luận văn thạc sĩ, Đại học Quy Nhơn.
[17] H. Liu, S. P. Gong, Y. X. Hu, J. Q. Liu, and D. X. Zhou. (2009), “Properties and mechanism study of SnO2 nanocrystals for H2S thick-film sensors”, Sensors Actuators B Chem, vol. 140, no. 1, pp. 190–195.
[18] J. Lee, S. Kim, and P. Cho. (2009), Chapter 12 Design of selective gas sensors using combinatorial solution deposition of oxide semiconductor films, Department of Materials Science and
Engineering, Korea University, Seoul.
[19] M. Stankova et al. (2006), “Sensitivity and selectivity improvement of rf sputtered WO3 microhotplate gas sensors”,Sensors Actuators B.
Chem, vol. 113, pp. 241–248.
[20] J. Zhang et al. (2010), “Pt clusters supported on WO3 for ethanol detection”, Sensors Actuators B. Chem, vol. 147, no. 1, pp. 185–190. [21] A. Ryzhikov and A. Gaskov. (2009), “Selectivity improvement of semiconductor gas sensors by filters”, Sensors Environ. Heal. Secur, pp. 141–157.
[22] Nguyễn Tư (2016), Nghiên cứu chế tạo và tính chất quang của vật liệu ZnO, ZnO pha tạp cacbon, Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu, trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội.
[23] Giang Hồng Thái (2010), Nghiên cứu và chế tạo cảm biến khí hydrơ trên
cơ sở các nano-tinh thể ZnO pha tạp Pd, Luận văn thạc sĩ ngành Vật
liệu và linh kiện nano, Trường Đại học Công nghệ.
[24] Đỗ Thị Anh Thư (2011), Chế tạo và nghiên cứu các tính chất của cảm
biến nhạy hơi cồn trên cơ sở vật liệu oxit perovskit, Luận án tiến sĩ
cảm biến dựa trên cấu trúc nano phân nhánh ZnO/Pd, Luận văn thạc
sĩ, Đại học Quy Nhơn.
[26] L. Xu et al. (2012), “NiO@ZnO heterostructured nanotubes: coelectrospinning fabrication, characterization, and highly enhanced gas sensing properties”, Inorganic Chemistry, vol. 51, pp. 7733–
7740.
[27] Y. Leng (2008), Materials characterization Introduction to Microscopic and Spectroscopic Methods, Hong Kong University of Science and Technology.
[28] Nguyễn Ngọc Sâm (2018), Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang
của vật liệu ZnAl2O4 đồng pha tạp Mn2+ và Mn4+, Luận văn thạc sĩ Vật lý, Đại học Quy Nhơn.
[29] W. Li, N. Duc, Y. Cho, D. Kim, and J. Kim (2009), “Nanofibers of conducting polyaniline for aromatic organic compound sensor”,
Sensors Actuators B Chem., vol. 143, pp. 132–138.
[30] R. Y. Y. Koăseolu, Y. Celaleddin Durmaz. (2014), Rapid synthesis and room temperature ferromagnetism of Ni doped ZnO DMS nanoflakes”, Ceram. Int., vol. 40, pp. 10685–91.