Cơ chế nhạy khí của cảm biến sử dụng kiểu chuyển tiếp trong và chuyển tiếp ngoài giữa graphene và sợi nano ZnO được giải thích như sau: sự hình thành chuyển tiếp dị thể giữa graphene-ZnO và các biên hạt ZnO [3], [5]. Khi hình thành chuyển tiếp p-n giữa graphene và sợi nano ZnO, do công thoát điện tử của ZnO lớn hơn so với graphene nên các điện tử từ graphene sẽ dịch chuyển sang ZnO làm uốn cong dải năng lượng vùng dẫn xa mức Fermi EF hơn và hình thành một rào thế tại lớp chuyển tiếp (hình 3.26a,b). Khi cảm biến được đặt trong không khí, các phần tử khí oxy hấp thụ lên bề mặt sợi nano và sau đó khuếch tán theo các biên hạt. Các phân tử oxy bắt điện tử từ vùng dẫn và tạo thành các ion oxy, kết quả là hai vùng nghèo khác nhau và rào thế được hình thành trong vật liệu: một hình thành ở lớp chuyển tiếp giữa graphene và ZnO, một hình thành ở các biên hạt ZnO (hình 3.26c). Trong H2S
Hình 3. 25 Độ đáp ứng với 1 ppm khí H2S của các cảm biến sợi nano ZnO, ZnO/rGO-1%wt và C0/20
(hình 3.26d), các phân tử H2S phản ứng với các ion oxy theo phương trình: H2S(gas) + 3O−(ads) = SO2(gas) + H2O(gas) + 3e−
H2S(gas) + 3O2−(ads) = SO2(gas) + H2O(gas) + 6e−
và trả lại điện tử cho vùng dẫn, làm hẹp vùng nghèo và giảm độ cao hàng rào thế. Điều này dẫn đến việc giảm điện trở của cảm biến khi tiếp xúc với khí H2S. Thuộc tính nhạy khí loại n cũng xác nhận rằng không đủ lượng rGO để tạo thành một kênh dẫn riêng.
Hình 3. 26 Sơ đồ cơ chế; sơ đồ năng lượng (a), ở trạng thái cân bằng (b), trong không khí (c), trong khí H2S (d)
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu đã được trình bày trong luận văn, so sánh với các mục tiêu và nội dung nghiên cứu đã đặt ra ban đầu cho luận án, chúng tôi tự đánh giá các kết quả chính đã đạt được của luận văn như sau: 1. Chế tạo thành công rGO dựa theo phương pháp Hummers dựa trên nguồn bột graphite.
2. Chế tạo cảm biến sợi nano ZnO và đo độ đáp ứng của cảm biến với khí H2S.
3. Chế tạo cảm biến sợi nano ZnO pha tạp rGO theo các mức 0.025%wt, 0.05%wt, 0.1%wt, 0.5%wt và 1%wt và đo độ đáp ứng của các cảm biến với khí H2S. Cảm biến ZnO/rGO-0.1%wt cho độ đáp ứng rất tốt, cải thiện độ đáp ứng 25.5 lần so với cảm biến sợi nano ZnO.
4. Chế tạo sợi nano ZnO và sau đó nhỏ phủ lên bề mặt sợi rGO với các nồng độ C0, C0/5, C0/10, C0/20, C0/30 và đo độ đáp ứng của các cảm biến với khí H2S. Cảm biến C0/20 cho độ đáp ứng rất tốt, cải thiện độ đáp ứng 10.8 lần so với cảm biến sợi nano ZnO.
5. Giải thích cơ chế nhạy khí vật liệu đã chế tạo với khí H2S
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Chế tạo cảm biến sợi nano dựa trên cơ sở vật liệu đa nguyên.
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Văn Hiếu. (2015) Cảm biến khí dây nano ôxít kim loại bán dẫn. Hà Nội: Bách Khoa Hà Nội.
[2]. Trâm Anh, P. H., Nguyên, T. T. and An, V. N. (2013) ‘Tổng hợp Graphene trương được trong nước’.
[3]. Abideen, Z. U. et al. (2015) ‘Excellent gas detection of ZnO nanofibers by loading with reduced graphene oxide nanosheets’, Sensors and Actuators B: Chemical, 221, pp. 1499–1507. doi: 10.1016/j.snb.2015.07.120.
[4]. Abideen, Z. U. et al. (2017) ‘Graphene-loaded tin oxide nanofibers: optimization and sensing performance’, Nanotechnology, 28(3), p. 035501. doi: 10.1088/1361-6528/28/3/035501.
[5]. Abideen, Z. U., Kim, H. W. and Kim, S. S. (2015) ‘An ultra-sensitive hydrogen gas sensor using reduced graphene oxide-loaded ZnO nanofibers’, Chemical Communications, 51(84), pp. 15418–15421. doi: 10.1039/C5CC05370F.
[6]. Andre, R. S. et al. (2019) ‘Enhanced and selective ammonia detection using In2O3/reduced graphene oxide hybrid nanofibers’, Applied Surface Science, 473, pp. 133–140. doi: 10.1016/j.apsusc.2018.12.101.
[7]. Banerjee, S., Dan, A. and Chakravorty, D. (2002) ‘Review synthesis of conducting nanowires’, Journal of materials science. Springer, 37(20), pp. 4261–4271.
[8]. Choi, S.-J. et al. (2014) ‘Selective Detection of Acetone and Hydrogen Sulfide for the Diagnosis of Diabetes and Halitosis Using SnO2 Nanofibers Functionalized with Reduced Graphene Oxide
Nanosheets’, ACS Applied Materials & Interfaces, 6(4), pp. 2588– 2597. doi: 10.1021/am405088q.
[9]. Das, A., Chakraborty, B. and Sood, A. K. (2008) ‘Raman spectroscopy of graphene on different substrates and influence of defects’, Bulletin of Materials Science, 31(3), pp. 579–584. doi: 10.1007/s12034-008- 0090-5.
[10]. Dreyer, D. R., Ruoff, R. S. and Bielawski, C. W. (2010) ‘From Conception to Realization: An Historial Account of Graphene and Some Perspectives for Its Future’, Angewandte Chemie International Edition, 49(49), pp. 9336–9344. doi: 10.1002/anie.201003024.
[11]. Ferrari, A. C. et al. (2006) ‘Raman Spectrum of Graphene and Graphene Layers’, Physical Review Letters, 97(18), p. 187401. doi: 10.1103/PhysRevLett.97.187401.
[12]. Ferrari, A. C. (2007) ‘Raman spectroscopy of graphene and graphite: Disorder, electron–phonon coupling, doping and nonadiabatic effects’,
Solid State Communications, 143(1–2), pp. 47–57. doi: 10.1016/j.ssc.2007.03.052.
[13]. Ferrari, A. C. and Basko, D. M. (2013) ‘Raman spectroscopy as a versatile tool for studying the properties of graphene’, Nature Nanotechnology, 8(4), pp. 235–246. doi: 10.1038/nnano.2013.46. [14]. Geim, A. K. (2011) ‘Nobel Lecture: Random walk to graphene’, Reviews
of Modern Physics. APS, 83(3), p. 851.
[15]. Guo, L. et al. (2017) ‘Reduced graphene oxide/α-Fe2O3 composite nanofibers for application in gas sensors’, Sensors and Actuators B: Chemical, 244, pp. 233–242. doi: 10.1016/j.snb.2016.12.137.
[16]. Van Hoang, N. et al. (2019) ‘Excellent detection of H2S gas at ppb concentrations using ZnFe2O4 nanofibers loaded with reduced
graphene oxide’, Sensors and Actuators B: Chemical, 282, pp. 876– 884. doi: 10.1016/j.snb.2018.11.157.
[17]. Katoch, A. et al. (2016) ‘Influence of hollowness variation on the gas- sensing properties of ZnO hollow nanofibers’, Sensors and Actuators B: Chemical. Elsevier, 232, pp. 698–704.
[18]. Kim, J.-H. et al. (2019) ‘Enhancement of H2S sensing performance of p- CuO nanofibers by loading p-reduced graphene oxide nanosheets’,
Sensors and Actuators B: Chemical, 281, pp. 453–461. doi: 10.1016/j.snb.2018.10.144.
[19]. Lee, J.-H. et al. (2015) ‘Extraordinary Improvement of Gas-Sensing Performances in SnO2 Nanofibers Due to Creation of Local p – n Heterojunctions by Loading Reduced Graphene Oxide Nanosheets’,
ACS Applied Materials & Interfaces, 7(5), pp. 3101–3109. doi: 10.1021/am5071656.
[20]. Madou, M. J. and Morrison, S. R. (1989) Chemical Sensing with Solid State Devices. New York: Academic Press.
[21]. Megelski, S. et al. (2002) ‘Micro-and nanostructured surface morphology on electrospun polymer fibers’, Macromolecules. ACS Publications, 35(22), pp. 8456–8466.
[22]. Moon, I. K. et al. (2010) ‘Reduced graphene oxide by chemical graphitization’, Nature Communications, 1(1), p. 73. doi: 10.1038/ncomms1067.
[23]. Novoselov, K. S. et al. (2004) ‘Electric field effect in atomically thin carbon films’, science. American Association for the Advancement of Science, 306(5696), pp. 666–669.
[24]. Özgür, Ü. et al. (2005) ‘A comprehensive review of ZnO materials and devices’, Journal of Applied Physics, 98(4), p. 041301. doi:
10.1063/1.1992666.
[25]. Park, J.-A. et al. (2009) ‘Fabrication and characterization of ZnO nanofibers by electrospinning’, Current Applied Physics, 9(3), pp. S210–S212. doi: 10.1016/j.cap.2009.01.044.
[26]. Parveen, A. (2018) Effect of Electrospun Nanofibers on Growth Behavior of Fungal Cells. doi: 10.13140/RG.2.2.33116.08329.
[27]. Ramakrishna, S. et al. (2005) An Introduction to Electrospinning and Nanofibers. Singapore: World Scientific.
[28]. Reich, S. and Thomsen, C. (2004) ‘Raman spectroscopy of graphite’,
Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. Edited by A. Ferrari and J. Robertson, 362(1824), pp. 2271–2288. doi: 10.1098/rsta.2004.1454.
[29]. Yan, C. et al. (2018) ‘Improved NO2 sensing properties at low temperature using reduced graphene oxide nanosheet–In2O3 heterojunction nanofibers’, Journal of Alloys and Compounds, 741, pp. 908–917. doi: 10.1016/j.jallcom.2018.01.209.
[30]. Zhang, Z. et al. (2009) ‘ZnO hollow nanofibers: fabrication from facile single capillary electrospinning and applications in gas sensors’, The Journal of Physical Chemistry C. ACS Publications, 113(45), pp. 19397–19403.