Hình 1 Hệ thống sắc ký khí
Hình 1.18 Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO
Cấu trúc vùng năng lượng có đối xứng Г7, còn vùng hóa trị có cấu trúc suy biến bội ba ứng với ba vùng hóa trị khác nhau và hàm sóng của lỗ trống trong các vùng con này có đối xứng cầu lần lượt là. Г9 → Г7 → Г7. Nhánh cao nhất trong vùng hóa trị có đối xứng Г9, hai nhánh thấp hơn có cùng đối xứng Г7.
Chuyển dời Г9 → Г7 là chuyển dời đối với sóng phân cực có E vuông góc với trục c Chuyển dời Г7 → Г7 là chuyển dời đối với mọi phân cực.
Thông qua việc khảo sát các kết quả thực nghiệm về phổ hấp thụ và phổ phát xạ, Thomas [44] đã đồng nhất ba vùng hấp thụ exiton là ba vùng A, B, C lần lượt tương ứng với độ rộng khe năng lượng là 3,370 3,378, 3,471 eV tại nhiệt độ 77 K tương ứng với ba nhánh trong vùng hóa trị. Chuyển dời Г9 → Г7 là chuyển dời đối với sóng phân cực có E vuông góc với trục c.
1.4.3. Tính chất của vật liệu ZnO
Các tính chất vật lý của vật liệu ZnO được liệt kê trong bảng 1.7 Bảng 1.7. Các tính chất lý hóa của vật liệu của ZnO
Cấu trúc tinh thể Hexagonal, wurtzite
Khối lượng phân tử 81,38
Hằng số mạng a = 3,246 Å, c = 5,207 Å
Mật độ 5,67 g/cm3 hoặc 4,21x1019 phân tử ZnO/mm3
Nhiệt độ nóng chảy Tm = 2250 K
Nhiệt lượng nóng chảy 4,470 cal/mol
Độ dẫn nhiệt 25 W/mK tại 20 o
C
Hệ số dãn nở nhiệt 4,3x10-6 /K tại 20 oC và 7,7x10-6 /K tại 600 oC Độ rộng vùng cấm tại nhiệt độ
phòng
3,37 eV
Chiết suất 2,008
Khối lượng điện tử và lỗ trống Me* = 0,28; Mh* = 0,59
Nhiệt độ Debye 370 K
Năng lượng mạng 964 Kcal/mole
Hằng số điện môi εo = 8,75; ε∞ = 3,75
Năng lượng liên kết Exciton Eb = 60 meV
Độ linh động của điện tử (300K) 200 cm2/V.s Độ linh động của lỗ trống (300K) 5 – 50 cm2/V.s
Hằng số hỏa điện 6,8 A.s-1.cm-2.K-1.1010
Hệ số áp điện D33 = 12 pC/N
1.4.4. Ứng dụng cảm biến khí hyđrô trên cơ sở vật liệu ZnO
Vật liệu ZnO là một trong những vật liệu được ứng dụng rộng rãi cho các cảm biến khí với các tính chất lý hóa hấp dẫn như độ bền hóa và nhiệt cao, giá thành rẻ, dễ
chế tạo, mềm dẻo. Nhiều cấu hình khác nhau được nghiên cứu cho cảm biến khí dựa trên vật liệu ZnO như dạng xúc tác [67], tiếp xúc dị chất [38, 39], màng mỏng [44, 45], dạng màng dày [16, 73]. Ngoài các cấu trúc dạng khối hoặc màng, ZnO còn được nghiên cứu ở các cấu trúc một chiều như các dây nano [41], các thanh nano ZnO [47, 49] cho ứng dụng trong các cảm biến khí.
Các cảm biến khí hyđrô cấu trúc nano ZnO như các thanh nano, ống nano, dây nano [51, 53, 54] có nhiều ưu điểm như diện tích bề mặt lớn, độ nhạy và độ chọn lọc cao, độ bền cơ và nhiệt tốt [11, 35]. Tuy nhiên nó lại đòi hỏi công nghệ chế tạo phức tạp, yêu cầu kỹ thuật và trang thiết bị hiện đại. Cần thiết phải có các nghiên cứu chế tạo cảm biến trên cơ sở phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm và có khả năng hạ giá thành sản phẩm khi thương mại hóa. Với điều kiện thực tế của các trang thiết bị và kinh nghiệm nghiên cứu cảm biến khí nhiều năm của Phòng Cảm biến và Thiết bị đo khí, chúng tôi lựa chọn vật liệu ZnO, là vật liệu đã được nghiên cứu nhiều trong các ứng dụng cảm biến khí, đặc biệt là cảm biến khí hyđrô.
Như đã trình bày ở phấn 1.3, các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu oxit đa tinh thể bị thay đổi bởi tạp chất được thêm vào. Các nguyên tố thêm vào thường bị cô lập ở các biên hạt trong vật liệu và ngăn cản sự phát triển của các hạt sau khi ủ nhiệt. Các tạp chất tạo ra các sai hỏng, điều này tác động tới vị trí của mức Fermi đồng thời cải thiện tính nhạy khí. Các tạp chất thường được thêm vào là Pt, Pd, Ru, Ag… Wang [57] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của các chất xúc tác kim loại Pd, Au, Ag, Ti, Ni lên tính chất nhạy khí hyđrô của ZnO, kết quả cho thấy mẫu pha tạp Pd cho độ nhạy cao nhất. Malyshev [74] cũng cho kết quả độ nhạy (độ chọn lọc) với khí hyđrô cải thiện đáng kể khi pha tạp Pd (xem hình 1.19). Các nghiên cứu đều cho thấy chất xúc tác Pd cho độ nhạy hyđrô tốt nhất, điều này phù hợp với nhũng hiểu biết về tính tan của hyđrô trong Pd và khả năng hấp phụ hyđrô của Pd là lớn nhất[1].