Tính chất nhạy khí của dây nano cấu trúc SnO2/ZnO theo chúng tôi có sự đóng góp của hai cơ chế hóa học và điện tử. Khi phủ ZnO trên bề mặt dây nano SnO2 đã hình thành lớp tiếp xúc dị thể cùng loại hạt tải n-n, trong đó sự đóng góp của cơ chế điện tử là đáng kể. Cơ chế điện tử được giải thích dựa vào sự hình thành vùng nghèo điện tử tại lớp chuyển tiếp dị thể n-n (SnO2-ZnO) do hai oxit kim loại bán dẫn có công thoát điện tử khác nhau. Mô hình các mức năng lượng của SnO2 và ZnO trên Hình 4.13 cho thấy, vật liệu SnO2 có công thoát điện tử cỡ 4,9 eV nhỏ hơn so với công thoát điện tử của ZnO cỡ 5,2 eV, nên khi tiếp xúc với nhau điện tử từ dây nano SnO2 khuếch tán sang lớp vật liệu mỏng ZnO cho đến khi hai mức Fecmi của hai loại
0 3000 6000 9000 1k 10k SnO 2/ ZnO- 10 min, 1 ppm H 2S, 350 oC R ( ) t (s)
97
vật liệu cân bằng nhau. Kết quả một lớp nghèo điện tử được hình thành tại bề mặt tiếp xúc giữa SnO2 và ZnO, hàng rào dị thể bị uốn cong.
Hình 4.13. Sơ đồ mức năng lượng của SnO2 và ZnO trước (a) và sau khi biến tính (b).
Đặc tính nhạy khí của cảm biến là do sự thay đổi hàng rào dị thể khi tiếp xúc với các loại khí. Khi tiếp xúc với không khí điện tử trong lớp biến tính ZnO bị hấp phụ bởi ôxy còn khi cảm biến tiếp xúc với khí khử H2S, nó tương tác với các ôxy hấp phụ và giải phóng các điện tử về vùng dẫn của lớp nano biến tính ZnO bởi các quá trình khử vì SnO2 và ZnO là các oxit cơ bản loại n. Vì thế nên điện trở của cảm biến giảm đi làm cho độ đáp ứng khí tăng. Khi tiếp xúc với khí NO2 nó tương tác với các ô xy hấp phụ và giải phóng các điện tử về vùng dẫn của lớp biến tính ZnO. Vì thế nên điện trở của cảm biến tăng lên do đó cho độ đáp ứng tăng. Độ đáp ứng của cảm biến SnO2/ZnO phụ thuộc mạnh vào chiều dày lớp biến tính. Chiều dày lớp biến tính ZnO phải tương đương cỡ chiều dày Debye của nó thì cảm biến mới nâng cao được độ nhạy khí. Với khí NO2 chiều dày lớp biến tính mọc trong thời gian 10 phút cho độ nhạy khí tối ưu. Trong cảm biến khí chiều dày lớp biến tính hay mật độ lớp nano biến tính đóng một vai trò quan trọng, lớp biến tính của vật liệu phải tương đương với chiều dài Debye (λD) của vật liệu nano thì cảm biến mới có độ nhạy khí tốt nhất.Chiều dày Debye của vật liệu được tính từ công thức [65]:
𝜆𝐷 = √𝜀𝑘𝐵𝑇
98
trong đó ɛ là hằng số điện môi; kB là hằng số Boltzman; T là nhiệt độ tuyệt đối;
q là điện tích; nclà nồng độ hạt tải điện.
Hình 4.14. Sơ đồ mức năng lượng của cấu trúc SnO2/ZnO trước (a) và sau khi tiếp xúc khí khử H2S (b).
Giá trị chiều dài Debye phụ thuộc vào vật liệu làm cảm biến, nồng độ hạt mang điện và nhiệt độ môi trường xung quanh, với oxit kim loại có giá trị cỡ 3 - 30 nm. Trong nghiên cứu này với cấu trúc dị thể SnO2/ZnO lớp biến tính ZnO của cảm biến có chiều dày tương ứng với thời gian mọc10 phút cho nhạy khí tốt nhất.