Dõy nano oxit kim loại bỏn dẫn được quan tõm nhiều trong ứng dụng làm cảm biến khớ vỡ cú độ nhạy cao và độ ổn định tốt, tuy nhiờn độ chọn lọc của cảm biến này cũng cần phải được cải thiện trước khi đưa chỳng vào ứng dụng trong thực tế [3,34]. Để cải thiện cỏc thụng số đặc trưng của cảm biến người ta cú thể thực hiện nhiều biện phỏp khỏc nhau như pha tạp, chế tạo cấu trỳc lừi-vỏ, chế tạo dõy nano hỗn hợp và biến tớnh bề mặt dõy nano. Trong đú một biện phỏp đơn giản và mang lại hiệu quả cao là biến tớnh bề mặt của vật liệu bằng cỏc kim loại quý. Ảnh hưởng quan trọng nhất khi biến tớnh bề mặt vật liệu bằng kim loại quý là cải thiện độ nhạy, tốc độ đỏp ứng cũng như làm giảm nhiệt độ làm việc của cảm biến [4].
Việc biến tớnh bề mặt vật liệu nhằm cải thiện cỏc thụng số đặc trưng của cảm biến như độ đỏp ứng, độ chọn lọc, nhiệt độ làm việc, thời gian đỏp ứng và hồi phục đó được khẳng định trong nhiều cụng trỡnh cụng bố [53,90,92,96,134]. Tuy nhiờn, phương phỏp biến tớnh bề mặt dõy nano để phỏt triển cỏc loại cảm biến khớ với độ nhạy và độ chọn lọc cao đúng vai trũ quan trọng. Nhiều cụng trỡnh cụng bố thành cụng trong việc biến tớnh dõy nano SnO2 bằng cỏc phương phỏp khỏc nhau như: biến tớnh với La2O3 bằng cỏch nhỏ phủ
34
[90] và Ag [62] cho độ nhạy tốt với C2H5OH, NiO bằng nhỏ phủ cho độ nhạy tốt với khớ H2S [91], biến tớnh Pd cho độ nhạy tốt với CO bằng phỳn xạ [4], NO2 bằng chiếu xạ [92], H2S bằng khử trực tiếp trong dung dịch [53], và Ru [96], Au [79] cho độ nhạy tốt với CO. Ngoài ra, mật độ vật liệu biến tớnh lờn bề mặt cũng ảnh hưởng đến tớnh chất nhạy khớ của vật liệu. Lee và cộng sự [62] tiến hành biến tớnh bề mặt dõy nano SnO2 bằng cỏch phủ lớp hạt nano Ag cú chiều dày lần lượt là 5, 10 và 50 nm sử dụng kỹ thuật bốc bay chựm điện tử, sau đú xử lý nhiệt ở 450 oC trong 2 giờ. Kết quả nghiờn cứu độ đỏp ứng của cảm biến với 100 ppm C2H5OH đo ở 450 oC được chỉ ra trờn Hỡnh 1.21. Chỳng ta cú thể thấy, khi mật độ hạt Ag bỏm trờn bề mặt dõy nano tăng thỡ độ đỏp ứng khớ cũng tăng. Tuy nhiờn, khi số lượng hạt Ag bỏm trờn bề mặt nhiều quỏ sẽ làm cản trở quỏ trỡnh hấp phụ khớ nờn độ đỏp ứng khớ của vật liệu lại giảm.
Hỡnh 1.21. Ảnh TEM của dõy nano SnO2 (a), 5 nm Ag-SnO2 (b), 10 nm Ag-SnO2 (c), 50 nm Ag-SnO2 (d) và độ chọn lọc của cỏc cảm biến với 100 ppm khớ C2H5OH, NH3, H2, CO ở 450 o
C (e) [62].
Để giải thớch cho việc cải thiện tớnh chất nhạy khớ của dõy nano biến tớnh bề mặt với cỏc hạt xỳc tỏc bằng hai cơ chế sau: (1) thứ nhất là cơ chế nhạy điện tử, theo cơ chế này người ta cho rằng khi cỏc hạt nano được lắng đọng trờn bề mặt thỡ chỳng sẽ làm cho vựng nghốo điện tử trờn bề mặt dõy nano được mở rộng do sự hỡnh thành cỏc tiếp xỳc Schottky [4] hoặc chuyển tiếp p-n, dẫn đến cỏc vựng năng lượng bị uốn cong tại cỏc vị trớ tiếp xỳc với hạt nano như được chỉ ra trờn Hỡnh 1.22; (2) thứ hai là cơ chế nhạy húa học, trong cơ chế này người ta dựa vào hoạt tớnh xỳc tỏc của cỏc hạt nano đối với cỏc loại khớ khỏc nhau.
35
Chẳng hạn hạt xỳc tỏc nano Pd khi phủ trờn bề mặt dõy nano thỡ chỳng sẽ làm cỏc phõn tử oxy dễ dàng phõn tỏch thành oxy nguyờn tử, làm tăng số lượng ion oxy hấp phụ trờn bề mặt đồng thời lấy điện tử tự do của dõy nano. Ngoài ra, trong một số trường hợp cỏc vật liệu biến tớnh này cũn đúng vai trũ làm xỳc tỏc cho phản ứng giữa khớ thử với ion oxy trờn bề mặt vật liệu nờn sẽ làm tăng độ đỏp ứng khớ của cảm biến.
Hỡnh 1.22. Mụ hỡnh giải thớch cơ chế nhạy khớ của dõy nano biến tớnh bằng Pd (a): (1) sự hấp phụ ion oxy trờn bề mặt dõy nano, (2) sự phõn tỏch phõn tử oxy thành ion dưới tỏc dụng của hạt Pd, (3) sự hấp phụ oxy của dõy nano tại bề mặt dõy nano cú biến tớnh Pd; giản đồ
vựng năng lượng của dõy nano SnO2 và Pd-SnO2 (b) [4].