CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.4. Cơ chế nhạy khí của vật liệ uô xít kim loại bán dẫn với khí VOCs
1.4.1. Đối với ơxít bán dẫn loạ in
Gần đây, các nhóm nghiên cứu tập trung vào các ơ xít kim loại bán dẫn loại
n và nghiên cứu cơ chế tương tác, hiệu suất của cảm biến. Cụ thể, nhóm nghiên cứu
Zhu và cộng sự [94] đã tổng hợp các ơ xít Vonfram xốp có khả năng phản ứng nhanh, độ nhạy vượt trội và phát hiện chọn lọc cao với 3-hydroxy-2-butanone. Cơ chế phản ứng giữa cảm biến WO3 với khí cần đo đã được giải thích bằng mơ hình như trong Hình 1.16. Khi cảm biến tiếp xúc với khơng khí, các phân tử oxy có thể hấp phụ trên bề mặt của WO3 để bắt các điện tử từ vùng dẫn của WO3 và tạo thành các loại ion oxy bị hấp phụ (O2-, O-, và O2-). Kết quả là vùng nghèo điện tử gần bề
34
mặt của WO3 dày lên, làm rào thế tăng (được đánh dấu bằng màu xanh lá cây), điện trở cao hơn. Ngược lại, khi cảm biến WO3 tiếp xúc với khí khử 3-hydroxy-2- butanone, các phân tử khí sẽ phản ứng với các loại ion oxy và giải phóng các electron, dẫn đến giảm chiều cao rào thế và giảm điện trở.
Hình 1.16 Hình minh họa sơ đồ của cơ chế cảm biến 3-hydroxy-2-butanone của cảm biến
WO3 xốp trong khơng khí và hỗn hợp khí mục tiêu [94].
Hình 1.17 Sơ đồ cơ chế phản ứng của cảm biến dựa trên vật liệu In2O3 với isoprene [70].
Baoqing Han và cộng sự [70] đã nghiên cứu cơ chế hấp phụ In2O3 với isoprene, như minh họa trong Hình 1.17. Khi các hạt In2O3 tiếp xúc với khí isoprene thì các phân tử khí isoprene sẽ phản ứng với các ion oxy bị hấp phụ và giải phóng
35
các electron trở lại ơ xít kim loại bán dẫn In2O3, làm cho lớp nghèo điện tử mỏng đi. Dẫn đến giảm rào thế và điện trở của cảm biến, như trong Hình 1.17.
Tương tự, đối với cảm biến khí dựa trên các hạt SnO2 xuất hiện một vùng nghèo điện tử trên bề mặt của các hạt và tại vị trí biên tiếp xúc giữa các hạt hình thành một hàng rào thế. Khi cảm biến tiếp xúc với khí khử VOCs sẽ làm giảm lớp nghèo điện tử và giảm độ dày của lớp điện tích khơng gian, do đó làm tăng độ dẫn điện và giảm chiều cao rào thế xuống (hình 1.18) [95].
Hình 1.18 Sơ đồ mức cơ chế nhạy khí của ơ xít kim loại khi tiếp xúc với khơng khí và tiếp
xúc với khí mục tiêu VOCs [95].
Khi cảm biến tiếp xúc với khí khử VOCs như methanol, ethanol và acetone ở nhiệt độ vừa phải, các phân tử methanol, ethanol và acetone sẽ phản ứng với các loại oxy được hấp phụ trên bề mặt và các điện tử bị bắt sẽ giải phóng trở lại vùng dẫn, dẫn đến tăng độ dẫn điện và giảm điện trở của cảm biến. Quá trình phản ứng giữa các loại oxy được hấp phụ bề mặt và các khí methanol, ethanol, acetone được mơ tả dưới dạng các phương trình sau [8]:
CH3OH + 4O- → CO2 + 2H2O + 4e- (1.6)
C2H5OH + 6O- → 2CO2 + 3H2O + 6e- (1.7)
36
Đối với cảm biến ơ xít kim loại bán dẫn, độ nhạy của cảm biến khí có thể được cải thiện bằng cách điều chỉnh vi cấu trúc, khuyết tật, chất xúc tác, dị liên kết và độ ẩm. Hiệu suất cảm biến khí chịu ảnh hưởng bởi hình thái của ơ xít kim loại bán dẫn. Hình thái học tối ưu sẽ thúc đẩy quá trình hấp phụ và giải hấp các loại oxy được hấp phụ, đóng một vai trị quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của cảm biến khí. Vì vậy, cần phải hiểu các thơng số của cấu trúc vi mơ để cải thiện hơn nữa cảm biến khí. Kích thước hạt, số lượng vị trí hấp phụ được kích hoạt và khả năng khuếch tán khí là các thơng số cấu trúc ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của cảm biến khí. Việc giảm kích thước hạt xuống kích thước nano là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để tăng cường các đặc tính nhạy khí.
Diện tích riêng bề mặt lớn cũng tăng cường sự khuếch tán khí vào vật liệu cảm biến giúp cải thiện hiệu suất cảm biến khí. Nói chung, vật liệu cảm biến khí được phân loại thành cấu trúc nano xốp và dạng đặc. Trong trường hợp cấu trúc nano dạng đặc, sự khuếch tán khí chỉ có thể xảy ra trên bề mặt của vật liệu cảm biến vì các phân tử khí khơng thể xâm nhập sâu vào trong vật liệu cảm biến. Trong trường hợp cấu trúc nano xốp, các phân tử khí có thể tương tác với các hạt bên trong vì các cấu trúc xốp này có lợi cho sự xâm nhập của các phân tử khí vào vật liệu cảm biến. Sự khuếch tán đủ lớn có thể dẫn đến sự thay đổi lớn trong điện trở của cảm biến khí. Cấu trúc xốp được chia thành cấu trúc vi xốp, trung tính và vĩ mơ dựa trên kích thước lỗ [4].
Ngồi ra, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hình thái là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất cảm biến khí. Do đó, các hình thái khác nhau, chẳng hạn như dạng hạt nano, thanh nano, hình cầu rỗng, dây nano, hình cầu xốp và dạng bơng hoa [9] đã được báo cáo cho cảm biến khí VOCs.