Cơ chế nhạy khí của cảm biến dựa trên cơ sở vật liệu lai SnO2/MoS2

Cơ chế nhạy khí của cảm biến dựa trên vật liệu SnO2/MoS2 có thể được giải thích thông qua mô hình chuyển tiếp dị thể p-n giữa vật liệu ô-xit bán dẫn SnO2 loại n và vật liệu bán dẫn MoS2 loại p. Sơ đồ minh họa cấu trúc vùng năng lượng của hai loại vật liệu trước và sau khi tiếp xúc được minh họa trên Hình 3.28a, b.

Hình 3.28 Sơ đồ minh họa các mức năng lượng của vật liệu SnO2 và MoS2 trước và sau khi tiếp xúc (a, b). Sơ đồ cơ chế nhạy khí của cảm biến SnO2/MoS2 (c, d).

Theo đó, khi hai vật liệu tiếp xúc với nhau, do chênh lệch nồng độ hạt tải hai bên chuyển tiếp nên điện tử sẽ khuếch tán từ phía vật liệu SnO2 sang phía MoS2 cho đến khi mức Fermi ở hai bên cân bằng. Kết quả hình thành vùng

nghèo hạt tải tại lớp tiếp xúc của hai vật liệu. Do đó xuất hiện một rào thế ngay tại lớp chuyển tiếp. Điều này được thể hiện qua việc khảo sát đặc trưng I-V của cảm biến. Hình 3.29 là đường đặc trưng I-V của cảm biến được khảo sát trong không khí sạch ở dải nhiệt độ từ 100 °C đến 250 °C với thế quét từ -10 V đến +10 V. Kết quả cho thấy tiếp xúc giữa điện cực và vật liệu nhạy khí là Schottky.

Hình 3.29Đặc trưng I-V của cảm biến C3 khảo sát tại các nhiệt độ.

Khi đặt cảm biến trong môi trường không khí, các phân tử khí ô-xi đến hấp phụ lên bề mặt và lấy điện tử từ vùng dẫn của cả SnO2 và MoS2 để tạo thành các dạng i-on ô-xi hấp phụ theo phương trình (1.7). Kết quả làm mở rộng thêm vùng nghèo và do đó tăng chiều cao rào thế tại lớp chuyển tiếp. Khi cảm biến tiếp xúc với khí ô-xi như NO2. Khí này hành xử tương tự như ô-xi đến tiếp tục hấp phụ lên bề mặt và rút điện tử từ vùng dẫn của vật liệu theo phương trình (1.13). Đồng thời, NO2 cũng phản ứng với các i-on ô-xi hấp phụ trước đó và cũng lấy điện tử của vật liệu (Hình 3.28 c, d). Kết quả làm mở rộng vùng nghèo và do đó, làm tăng chiều cao rào thế tại lớp chuyển tiếp. Vì vậy, khi tiếp xúc với khí NO2 thì điện trở của cảm biến tăng lên.

Khi cảm biến đặt trong môi trường có khí khử như NH3, khí này đi đến bề mặt vật liệu và phản ứng với các i-on ô-xi hấp phụ và trả lại điện tử cho vùng

chiều cao hàng rào thế tại lớp chuyển tiếp. Như vậy, khi tiếp xúc với khí khử thì điện trở của cảm biến giảm xuống. Có thể mô tả quá trình này đối với khí NH3 theo các phương trình sau:

3 2(ads) 2 2 4NH 3O 2N 6H O6e, (3.4) 3 (ads) 2 2 2NH 3O N 3H O3e, (3.5) 2 3 (ads) 2 2 2NH 3O  N 3H O6e. (3.6)