5. Cấu trúc của luận văn
1.2.4. Các nhân tố ảnh hưởng
Có rất nhiều nhân tố ảnh hưởng đến độ đáp ứng của cảm biến khí như: nhiệt độ, hình thái, cấu trúc, pha tạp, biến tính, lai hóa, bức xạ tử ngoại...Nhiệt độ làm việc của cảm biến là nhiệt độ tại đó người ta nghiên cứu lựa chọn để khảo sát các thông số đặc trưng của cảm biến. Thông thường nhiệt độ làm việc là nhiệt độ mà tại đó cảm biến thể hiện độ nhạy (đáp ứng) cao nhất. Đối với cảm biến khí bán dẫn kiểu thay đổi độ dẫn, quá trình hấp phụ khí trên bề mặt vật liệu phụ thuộc khá nhiều vào nhiệt độ làm việc. Tùy thuộc vào loại khí phân tích và tùy thuộc vào từng loại vật liệu, nhiệt độ làm việc của cảm biến sẽ khác nhau. Thông thường cảm biến khí trên cơ sở oxit kim loại bán dẫn kiểu thay đổi điện trở có nhiệt độ làm việc trong khoảng từ 100°C đến 450°C, tùy thuộc vào từng loại khí và từng loại vật liệu nhạy khí khác nhau.
21
Một số tác giả [23] trong nghiên cứu của mình đã nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano ứng dụng cho cảm biến nhạy khí gas hóa lỏng ở nhiệt độ khá thấp khoảng 170oC. Bên cạnh đó, ảnh hưởng của 3 nguyên tố pha tạp khác nhau đến độ nhạy và tốc độ đáp ứng của cảm biến cũng được nghiên cứu. Để làm được điều đó, nhóm tác giả đã chế tạo các thiết bị cảm biến sử dụng các vật liệu SnO2 tinh khiết và SnO2 pha tạp với một số nguyên tố như Cu, Co, Pd. Trong đó các thiết bị cảm biến pha tạp Cu cho độ nhạy với LPG cao nhất khoảng 30 lần và tốc độ hồi phục là nhanh. Độ nhạy cảm biến tăng khi tăng nồng độ của LPG. Như vậy, linh kiện cảm biến chế tạo từ vật liệu SnO2 cấu trúc nano thì nhiệt độ tối ưu để cảm biến đạt độ nhạy cao nhất với khí LPG là 230oC [23]. Trong nghiên cứu khảo sát tính nhạy khí amoniac (NH3) của nhóm tác giả [24] sử dụng cảm biến trên cơ sở ống nano cacbon đa thành (MWCNT) cho kết quả màng ống nano cacbon (CNT) đáp ứng khí NH3 có chọn lọc tại nhiệt độ phòng. CNT được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi sử dụng xúc tác Ni để mọc CNT trên vùng điện cực kim loại Platin (Pt). Quá trình mọc CNT được hỗ trợ bởi các hạt xúc tác và kích thước của CNT phụ thuộc vào kích thước các hạt xúc tác. Trong quá trình mọc, vai trò của các hạt xúc tác rất quan trọng. Khi CNT hấp thụ phân tử khí NH3, điện trở của nó tăng lên, tính chất này giống tính chất nhạy khí của bán dẫn loại p hoặc vật liệu dẫn điện bằng lỗ trống [25].
Dưới xúc tác của tia UV độ đáp ứng của khí cũng được cải thiện và nhiệt độ làm việc cũng được hạ thấp, các tác dụng của UV được tăng cường mạnh hơn khi kết hợp với việc biến tính, pha tạp vật liệu hay tạo ra các cấu trúc nano mới trên cơ sở các vật liệu nano oxit kim loại bán dẫn truyền thống. Một vấn đề khác cũng được quan tâm trong các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của UV lên khả năng làm việc của cảm biến khí, đó là phương pháp chiếu bức xạ UV. Đa số các nghiên cứu đều cho thấy, chiếu bức xạ UV liên tục lên bề mặt cảm biến cho phép rút ngắn thời gian hồi phục của cảm biến ở nhiệt độ phòng
22
[26][27]. Tuy nhiên tồn tại một vấn đề chưa rõ ràng về ảnh hưởng của UV đến khả năng cải thiện độ đáp ứng. Các nghiên cứu khác nhau cho ra nhiều kết quả khác nhau về độ đáp ứng dưới bức xạ UV liên tục. Thorsten Wagner nhận thấy việc chiếu UV liên tục lên bề mặt cảm biến có tác dụng cải thiện độ đáp ứng ở nhiệt độ thấp dưới 50oC nhưng lại làm giảm độ đáp ứng trong khoảng nhiệt độ 100-200oC và gần như không làm thay đổi độ đáp ứng ở nhiệt độ 250-300oC so với độ đáp ứng của các biến trong điều kiện không chiếu bức xạ UV [28]. Trong khi đó, Dhahri lại chỉ ra rằng, khả năng tăng cường độ đáp ứng của UV được duy trì đến 200oC, và chỉ giảm độ đáp ứng so với trường hợp không chiếu UV khi nhiệt độ vượt quá 200oC [29]. Phương pháp chiếu UV liên tục cũng gặp phải vấn đề trở ngại trong tiêu thụ năng lượng. Do đó, nhiều nghiên cứu khác đã nghiên cứu theo hướng thay đổi phương pháp chiếu UV phù hợp hơn, đảm bảo sự tiết kiệm năng lượng. Nhóm nghiên cứu của Masaya Ichimura đã chế tạo màng mỏng SnO2 sau đó pha tạp Pd và tiến hành chiếu UV chỉ nhằm mục đích kích thích ban đầu [30]. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành đo độ đáp ứng của cảm biến với 5% H2 ở ba thời điểm: ngay sau khi tắt UV, sau hai tuần và sau sáu tháng. Nhóm nghiên cứu nhận thấy, độ đáp ứng của cảm biến với khí thử sau khí chiếu UV gần như không đổi ở cả ba thời điểm đo, và đều lớn hơn so với trường hợp không chiếu UV. Như vậy có thể thấy rằng, ảnh hưởng của UV có thể được duy trì trong một thời gian dài, bên cạnh các yếu tố khác, phương pháp chiếu UV cũng có ảnh hưởng lớn đến các đặc trưng nhạy khí của cảm biến. Tóm lại, các tác động chung nhất của tia UV lên đặc trưng làm việc của cảm biến khí là:
Có khả năng tạo ra các cảm biến có thể làm việc ở nhiệt độ phòng dưới bức xạ UV;
Bức xạ UV giúp rút ngắn thời gian đáp ứng và hồi phục của cảm biến; Cảm biến dễ đạt tới bão hòa hơn dưới bức xạ UV nhưng không luôn luôn
23
Có khả năng tạo ra độ chọn lọc tốt dưới bức xạ UV ở nhiệt độ phòng, đặc biệt khi cảm biến được biến tính, pha tạp.