Xét cơ chế nhạy khí của vật liệu sợi nano ô-xit bán dẫn loại n đối với khí khử và khí ô-xi hóa. Ở đây, sợi nano được xem như tập hợp của các hạt nano liên kết với nhau và nơi tiếp xúc giữa các hạt được gọi là biên hạt. Ta xem xét sự thay đổi tính chất điện của vật liệu khi đặt trong môi trường không khí và môi trường có khí cần phân tích.
Trong điều kiện lí tưởng, vật liệu không tiếp xúc với bất kì khí nào (vật liệu trong môi trường chân không), khi đó mật độ hạt tải xem như phân bố đồng đều trên mỗi hạt, một rào thế nhỏ eφ hình thành tại biên hạt do sự chênh lệch nồng độ hạt tải giữa các hạt tạo nên điện trở của vật liệu (Hình 1.10a). Như đã trình bày ở phần trước, khi vật liệu ô-xit kim loại bán dẫn loại n được đặt trong môi trường không khí, các phân tử ô-xi trong không khí sẽ hấp phụ trên bề mặt và lấy điện tử từ vùng dẫn của vật liệu tạo thành các dạng i-on ô-xi theo phương trình (1.7). Kết quả hình thành một lớp nghèo điện tử tại bề mặt vật liệu, lớp nghèo này làm tăng rào thế tại các biên hạt (eφa) do đó điện trở của vật liệu tăng (Hình 1.10b). Trong quá trình ô-xi hấp phụ, có một lượng phân tử ô-xi giải hấp phụ khỏi bề mặt vật liệu, khi quá trình hấp phụ và giải hấp phụ cân bằng thì độ dẫn của vật liệu ổn định, lúc này, giá trị điện trở của vật liệu là xác định và được gọi là điện trở nền Rair.
Hình 1.10Sơ đồ minh họa sự thay đổi độ rộng vùng nghèo điện tử trong bán dẫn loại n trong chân không (a), trong môi trường không khí (b), trong môi trường khí
Hình 1.10c là mô hình giải thích cơ chế nhạy khí của vật liệu ô-xit bán dẫn loại n khi tiếp xúc với khí khử. Khi cảm biến đặt trong môi trường khí khử như: H2, H2S, CO, NH3, CH4, … Các khí này phản ứng với các ion ô-xi hấp phụ và trả lại điện tử cho vùng dẫn, do đó làm giảm chiều cao hàng rào thế và điện trở của cảm biến giảm xuống. Khi quá trình phản ứng đạt trạng thái cân bằng thì điện trở của cảm biến đạt giá trị ổn định Rgas. Ta có Rgas < Rair. Có thể minh họa quá trình này đối với khí H2 thông qua các phương trình sau [51]:
2 2 (ads) 2
2H O 2H O e , (1.11)
2 (ads) 2
H O H O e , (1.12)
theo đó, các phân tử khí hi-đrô tương tác với ion ô-xi hấp phụ bề (O-
2(ads)) mặt tạo thành các phân tử nước và trả lại điện tử cho vùng dẫn của vật liệu.
Trong trường hợp cảm biến đặt trong môi trường khí ô-xi hóa như SO2, NO2, Cl2, … Lúc này, các khí ô-xi hóa hành xử giống với ô-xi, tiếp tục hấp phụ lên bề mặt vật liệu nhạy khí để hình thành các dạng ion và lấy điện tử từ vùng dẫn của vật liệu, mặc khác các khí ô-xi hóa này cũng tương tác với các ion ô- xi hấp phụ. Kết quả làm gia tăng chiều cao hàng rào thế (Hình 1.10d). Do đó khi cảm biến đặt trong môi trường khí ô-xi hóa thì điện trở của cảm biến tăng lên. Khi quá trình hấp phụ đạt bão hòa thì điện trở của cảm biến ổn định ở giá trị Rgas. Ta có Rgas > Rair. Ví dụ đối với khí NO2 [51]:
2 2 (ads)
NO e NO , (1.13)
2 2 (ads) 2 2 (ads) 2 (ads)
NO O e NO O , (1.14)
phương trình (1.13) biểu thị quá trình các phân tử khí NO2 hấp phụ tiếp lên bề mặt và rút điện tử từ vùng dẫn của vật liệu, phương trình (1.14) là quá trình các phân tử SO2 vừa hấp phụ lên bề mặt vừa tương tác với các ion ô-xi hấp phụ và rút điện tử từ vùng dẫn của vật liệu.