Hình 3. 13. Tính chất IV và tính chất hồi đáp đối với 1400 ppm toluene của các cảm biến dựa trên vật liệu ZnO/CNT (a và b), FCNT (c và d) và ZnO/FCNT (e và f) tại nhiệt độ 30 C
Trƣớc khi tiến hành khảo sát tính chất nhạy hơi của vật liệu, các cảm biến đƣợc khảo sát tính chất dòng và thế (I-V) nhằm kiểm tra kiểu tiếp xúc giữa vật liệu và hai điện cực Au. Hiệu điện thế giữa hai điện cực đƣợc quét từ -2 V đến 2 V và dòng đƣợc ghi lại tƣơng ứng. Hình 3.12 (a, c và e) hiển thị kết quả đo I-V của các cảm biến ZnO/CNT, FCNT và ZnO/FCNT trong môi trƣờng không khí khô. Kết quả cho thấy sự phụ thuộc tuyến tính giữa V và I cho cả 3 loại cảm biến. Điều này chỉ ra rằng một tiếp xúc ohmic đƣợc hình thành giữa các lớp nhạy và điện cực Au.
Trƣớc khi tiến hành phép đo nhạy hơi toluene, các cảm biến đƣợc gia nhiệt đến khoảng hơn 100 C trong môi trƣờng không khí khô, sau đó giảm về lại nhiệt độ 30 C nhằm khử hơi nƣớc bám trên bề mặt của vật liệu nhạy. Hình 3.12 (b, d và f) hiển thị sự hồi đáp kiểu điện trở của các cảm biến dựa trên vật liệu ZnO/CNT (Hình 3.12b), FCNT (Hình 3.12d) và ZnO/FCNT (Hình 3.12f) đối với 1400 ppm hơi toluene tại nhiệt độ phòng (30 C). Cảm biến chỉ sử dụng lớp đệm ZnO có điện trở rất cao và không hồi đáp với hơi toluene do đó chúng tôi không trình bày ở đây. Các cảm biến ZnO/CNT, FCNT và ZnO/FCNT thể hiện tính chất hồi đáp của các bán dẫn loại p do điện trở tăng khi lớp nhạy tiếp xúc với toluene (khí khử).
Một số thông số của cảm biến đƣợc sử dụng trong quá trình tính toán của luận văn bao gồm: độ hồi đáp, thời gian hồi dáp và thời gian hồi phục. Độ hồi đáp của cảm biến đƣợc định nghĩa bởi công thức sau:
g a g R R R S (%) (3.3)
Ở đây Ra và Rglà điện trở của cảm biến khi đo trong môi trƣờng không khí khô và trong môi trƣờng không khí khô có hơi VOCs.
Thời gian hồi đáp là thời gian cần thiết để điện trở của cảm biến đạt 63% giá trị điện trở cuối cùng và thời gian hồi phục là thời gian cần thiết để cảm biến phục hồi đƣợc 63% về giá trị ban đầu.
Độ hồi đáp đƣợc xác định bằng 17,1%; 1,6% và 2,9% lần lƣợt cho các cảm biến ZnO/CNT, FCNT và ZnO/FCNT. Một số kết quả thu đƣợc nhƣ sau: (i) Cảm biến ZnO/CNT sử dụng ống CNT thƣơng mại lắng đọng trên đế Al2O3 có lớp đệm ZnO hiển thị độ hồi đáp cao nhất; (ii) Các cảm biến FCNT và ZnO/FCNT có tính thuận nghịch tốt (nghĩa là có khả năng phục hồi về trạng thái ban đầu sau khi dừng đo hơi toluene); (iii) Cảm biến ZnO/FCNT có độ hồi đáp cao hơn so với cảm biến FCNT và (iv) Thời gian hồi đáp và thời gian hồi phục của cảm biến ZnO/FCNT (5,7 và 13,4 phút) thấp hơn nhiều so với cảm biến FCNT (13,9 và 24,2 phút).
Độ hồi đáp cao của cảm biến ZnO/CNT có thể đƣợc cho là do cấu trúc xốp của lớp nhạy (nhƣ đƣợc nhìn thấy ở ảnh SEM Hình 3.3.c&d). Tuy nhiên, cảm biến ZnO/CNT không những không có tín hiệu hồi phục về trạng thái ban đầu mà điện trở cảm biến còn tiếp tục tăng khi dừng thổi hơi toluene (Hình 3.12b). Hay nói cách khác, tính chất thuận nghịch của cảm biến này là rất kém. Hiện tƣợng này không thích hợp trong các ứng dụng thực tế của cảm biến dạng trở hóa. Vì cấu trúc cảm biến này khá phức tạp (bao gồm ống CNT, các hạt xúc tác sắt oxit, nickel oxit, cobalt oxit, lớp đệm ZnO) nên chúng tôi không đi sâu vào việc giải thích cơ chế cho cấu trúc này.
Các cảm biến FCNT và ZnO/FCNT có độ hồi đáp thấp hơn nhiều so với cảm biến ZnO/CNT. Điều này chúng tôi cho rằng, nguyên nhân cơ bản là do cấu trúc xếp chặt dày đặt của các ống CNT trên bề mặt đế (nhƣ đƣợc nhìn thấy ở Hình 3.3 e&f). Sự xếp dày đặt các ống CNT trên đế làm giảm diện tích tiếp xúc
giữa lớp nhạy với môi trƣờng khí dẫn đến giảm độ hồi đáp của cảm biến. Mặc dù độ hồi đáp các cảm biến này thấp nhƣng sau khi ngừng thổi hơi toluene, khả năng hồi phục của điện trở cảm biến về trạng thái ban đầu rất tốt. Tính chất hồi đáp hơi toluene và sự cải thiện khả năng phục hồi của các cảm biến sử dụng ống FCNT đƣợc giải thích là do quá trình hấp phụ vật lý của toluene thông qua các sai hỏng trên bề mặt ống FCNT do quá trình xử lý trong môi trƣờng axit và xử lý nhiệt sau đó. Hơn nữa, dòng qua cảm biến tăng đƣợc gây ra chủ yếu bởi quá trình dịch chuyển hạt tải điện trên bề mặt ống FCNT. Điện trở cảm biến tăng lên khi có hơi toluene đƣợc giải thích là do quá trình dịch chuyển hạt tải điện bị nhiễu loạn bởi toluene.
Độ hồi đáp của cảm biến ZnO/FCNT (2,9%) cao hơn gấp đôi cảm biến FCNT (1,6%). Điều này có thể giải thích là do ảnh hƣởng của lớp đệm ZnO bên dƣới đã hình thành một chuỗi các tiếp xúc p-n giữa FCNT và hạt nano ZnO. Bề rộng vùng nghèo giữa FCNT và ZnO bị thay đổi nhiều khi bề mặt lớp nhạy hấp phụ hơi tolulene.