6. Cấu trúc của luận văn
3.2.2 Tính chất hồi đáp bức xạ UV-254nm của cảm biến ZnO và
Hình 3.6. Tính chất hồi đáp UV-254nm tại các nhiệt độ khác nhau của cảm biến ZnO (a), ZnFe2O4(1/2)/ZnO (b), ZnFe2O4(3/6)/ZnO (c) và so sánh giá trị độ hồi đáp UV-
254nm của các mẫu (d).
Trước khi nghiên cứu ảnh hưởng của việc chiếu liên tục bức xạ UV- 254nm đến tính chất nhạy hơi, chúng tôi tiến hành khảo sát tính chất hồi đáp UV-254nm của các cảm biến. Hình 3.6 (a-c)lần lượt thể hiện sự thay đổi điện trở của các cảm biến cấu trúc nano ZnO tinh khiết, ZnFe2O4(1/2)/ZnO (b) và ZnFe2O4(3/6)/ZnO dưới sự chiếu xạ UV có bước sóng 254nm tại nhiệt 60C, 120C và 180C trong điều kiện thổi không khí khô với tốc độ thổi 300 sccm.
Tại nhiệt độ 60C, điện trở ban đầu của các cảm biến ZnFe2O4/ZnO (~108) cao hơn khoảng hai bậc so với cảm biến ZnO (~106). Điều này có thể là do tính chất xúc tác của các hạt ZnFe2O4 trong quá trình gia tăng các ion oxy hấp phụ trên bề mặt ZnO và sự hình thành vùng nghèo điện tử tại lớp tiếp xúc dị thể giữa các hạt nano ZnFe2O4 và bán dẫn ZnO. Ta thấy rằng điện trở của hầu hết các cảm biến giảm khi gia tăng nhiệt độ làm việc của cảm biến. Điện trở của cảm biến ZnO giảm khi nhiệt độ thực hiện tăng lên là tính chất tự nhiên của bán dẫn ZnO do sự tăng nồng độ electron dưới kích thích nhiệt. Và dĩ nhiên độ linh động của electron cũng giảm đi nhưng không đáng kể so với sự tăng nồng độ electron (vì độ dẫn của bán dẫn phụ thuộc vào cả nồng độ hạt tải và độ linh động của chúng).
Độ hồi đáp UV-254nm của các cảm biến được định nghĩa trong luận văn này là tỉ số giữa điện trở của cảm biến trong tối (Rdark) và điện trở của cảm biến dưới sự chiếu xạ UV-254nm (R254) (hay là tỉ số giữa dòng điện đi qua của cảm biến dưới sự chiếu xạ UV-254nm (I254) và dòng điện đi qua cảm biến trong tối (Idark)). Độ hồi đáp UV-254nm của các cảm biến ZnO và ZnFe2O4/ZnO được tính toán và so sánh như trong Hình 3.6d. Kết quả cho thấy độ hồi đáp UV-254nm của cảm biến ZnFe2O4/ZnO thấp hơn so với cảm biến ZnO ở hầu hết các nhiệt độ làm việc của cảm biến được khảo sát.
Dưới điều kiện chiếu sáng UV-254nm, năng lượng của bức xạ UV- 254nm (~4,88 eV) lớn hơn bề rộng dải cấm của vật liệu ZnO (~3.2 eV) và cả ZnFe2O4(~1,9 eV). Điện trở cảm biến ZnFe2O4/ZnO giảm xuống do sự tăng nồng độ hạt dẫn quang sinh (electron eh và lỗ trống hh ) trong bán dẫn ZnO. Tuy nhiên, có sự trôi lỗ trống từ ZnO sang ZnFe2O4 do điện trường nội tại lớp tiếp giáp nên một phần lỗ trống sẽ không tham gia vào quá trình dẫn điện. Bên cạnh đó, một phần các lỗ trống quang sinh chuyển động trôi đến bề mặt
ZnO do điện trường nội tại bề mặt ZnO và gây ra phản ứng với các ion oxy hấp phụ trước đó trên bề mặt của ZnO (phương trình 3.4). Đây cũng là lý do để giải thích cho độ hồi đáp UV-254nm của vật liệu ZnFe2O4/ZnO thấp hơn so với vật liệu ZnO. Các electron quang sinh cũng tương tác với các phân tử oxy để hình thành nên các ion oxy hấp phụ (phương trình 3.5). Các phản ứng 3.4 và 3.5 sẽ xảy ra với hằng số tốc độ khác nhau. Do đó, dưới sự chiếu xạ UV-254nm, một trạng thái cân bằng mới sẽ đạt được.
2 ( ) 2(gas)
Oads hh O (3.4)
2(gas) 2 ( )
O eh Oads (3.5)
Khi tắt bức xạ UV-254nm, quá trình tái hợp hạt tải xảy ra đồng thời cũng diễn ra quá trình hấp phụ ion oxy trên bề mặt vật liệu. Do đó, nồng độ hạt dẫn trong hệ vật liệu giảm xuống. Hay nói cách khác điện trở của vật liệu tăng và phục hồi về trạng thái ban đầu.
3.2.3 Ảnh hưởng của bức xạ UV-254nm lên tính chất hồi đáp hơi ethanol của cảm biến ZnO và ZnFe2O4/ZnO