CHƯƠNG 4: PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN TỰ ĐỐT NÓNG MẠNG LƯỚI DÂY
4.1. Cảm biến khí tự đốt nóng mạng lưới dây nano SnO 2 biến tính Ag
4.1.1. Hình thái của vật liệu sau biến tính
Trên Hình 4.2 cho thấy hình thái bề mặt các dây nano SnO2 đã được đính các hạt nano Ag sau khi ủ. Mật độ các hạt nano Ag trên bề mặt dây nano SnO2 tăng theo thời gian phún xạ, ở thời gian phún xạ 10 giây và 20 giây mật độ Ag là rất thấp (Hình 4.2 (a,b)), với thời gian phún xạ 40 giây và 80 giây mật độ các hạt Ag rất là lớn (Hình 4.2 (c,d)). Do đó, các mẫu được phún xạ trong thời gian 40 giây và 80 giây sẽ được nghiên cứu sinh nghiên cứu chi tiết hơn với ảnh TEM. Trên Hình 4.3(a,b) biểu diễn ảnh TEM có độ phóng đại thấp tương ứng với các mẫu được phún xạ ở 40 giây và 80 giây.
Hình 4.2. Ảnh SEM của các cảm biến trên cơ sở dây nano SnO2 được chế tạo ở nhiệt độ 730
°C, thời gian 20 phút với sau khi biến tính Ag và được ủ nhiệt ở 500 °C trong thời gian 3 giờ:
thời gian phún xạ 10 giây (a), thời gian phún xạ 20 giây (b), thời gian phún xạ 40 giây (c) và thời gian phún xạ 80 giây (d).
Có thể thấy rằng các hạt nano Ag phân bố ngẫu nhiên và rời rạc trên bề mặt dây
97
nano SnO2 của mẫu phún xạ 40 giây, trong khi các hạt nano Ag trên mẫu phún xạ 80 giây co cụm lại thành từng đám. Hình 4.3c là ảnh TEM phân giải cao chụp tại vị trí hạt nano Ag, khoảng cách giữa hai mặt phẳng mạng tinh thể liên tiếp đo được 0,23 nm.
Giá trị này phù hợp với khoảng cách giữa các mặt tinh thể (220) trong cấu trúc lập phương tâm khối của Ag2O. Kết quả này là hợp lý vì các mẫu sau phún xạ được ủ ở nhiệt độ 500 ºC trong 3 giờ trong m i trường không khí, vì thế các hạt nano Ag kim loại bị oxy hóa thành Ag2O. Ảnh nhiễu xạ điện tử vùng lựa chọn được chụp tại vùng ô vu ng màu đỏ cho thấy có sự hiện diện của hai mạng tinh thể (Hình được chèn vào Hình 4.3d), bao gồm mặt phẳng (101) của SnO2 và mặt phẳng (220) của Ag2O, như trong Hình. 4.3d. Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của nhóm Hyoun Woo Kim và nhóm Xing Chen cùng các cộng sự [131,132].
Hình 4.3. Ảnh TEM của cảm biến được phún xạ 40 giây (a), phún xạ 80 giây (b); Ảnh TEM phân giải cao (c) và nhiễu xạ điện tử vùng chọn lọc được tập trung vào hạt nano xúc tác nano
kim loại Ag (d).
98
Nghiên cứu sinh cũng đã tiến hành phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X của mạng lưới dây nano SnO2 sau khi phún xạ Ag trong thời gian 40 giây như trên Hình 4.4. Kết quả phân tích phổ tán xạ năng lượng cho thấy các hạt bám trên bề mặt dây nano SnO2 là các hạt nano Ag, thành phần Ag ước tính chỉ khoảng 1,56 %. Với sự xuất hiện thành phần của Ag trên bề mặt dây nano sẽ giúp cải thiện các thông số của cảm biến khí.
Hình 4.4. Phổ tán xạ năng lượng tia X của mạng lưới dây nano SnO2 sau khi đượcphún xạ Ag với thời gian 40 giây.
Theo các nghiên cứu trước cho thấy, cảm biến tự đốt nóng khi chưa iến tính chỉ có thể hoạt động dưới ngưỡng của công suất giới hạn nào đấy, phụ thuộc vào mật độ mạng lưới dây nano, nếu vượt qua công suất này sẽ làm cảm biến bị phá hủy. Do đó, để đảm bảo cho cảm biến hoạt động ổn định sau biến tính, nghiên cứu sinh sẽ khảo sát sơ bộ lại dải công suất hoạt động của cảm biến nhằm đánh giá xem c ng suất phá hủy của cảm biến có sự dịch chuyển so với trước khi biến tính không, giúp cho việc đưa ra công suất chỉ định cho hoạt động của cảm biến sau biến tính.
Nghiên cứu sinh lựa chọn cảm biến ST20(G10-S3) để khảo sát sự phá hủy, kết quả thu được nghiên cứu sinh biểu diễn trên Hình 4.5. Sự phụ thuộc của điện trở theo
99
thời gian ở các công suất khác nhau (từ 4 mW đến 20 mW) trong kh ng khí. Điện trở của cảm biến tăng khi c ng suất 4 mW được cấp cho cảm biến, tuy nhiên công suất bắt đầu giảm khi tiếp tục tăng c ng suất do sự phụ thuộc nhiệt độ của vật liệu bán dẫn. Xu hướng hoạt động này cũng giống như cảm biến trước khi được biến tính. Khi tăng c ng suất lên 20 mW, điện trở của cảm biến tăng lên khoảng 100 k chỉ trong khoảng thời gian 10 giây và sau đấy tăng vượt quá thang đo. Điều này cho thấy cảm biến đã ị phá hủy, ảnh SEM thu được trước và sau khi đo ở công suất 20 mW đã chứng minh điều này. Kết quả trên chỉ ra rằng công suất hoạt động cho cảm biến tự đốt nóng ST20(G10- S3) là phải thấp hơn 20 mW nhiều.
Hình 4.5. Sự phụ thuộc của điện trở theo thời gian ở các công suất khác nhau của cảm biến ST20(G10-S3) và ảnh SEM của cảm biến trước và sau khi bị hỏng (các ảnh thêm vào).
So sánh kết quá nghiên cứu của cảm biến bị phá hủy trước khi biến tính cho thấy công suất phá hủy mạng lưới dây nano của hai loại cảm biến là gần như nhau. Kết quả minh chứng cho việc tăng c ng suất sẽ làm tăng nhiệt độ hoạt động của cảm biến cũng đã được nghiên cứu sinh ghi lại bằng ảnh nhiệt hồng ngoại như Hình 4.6 dưới đây.
Kết quả cho thấy khi công suất 8 mW được cấp cho cảm biến thì có nguồn nhiệt rất mờ ở khoảng giữa hai điện cực (Hình 4.6a). Khi tăng c ng suất lên 16 mW thì
100
nguồn nhiệt phát sáng rõ ràng hơn rất nhiều (Hình 4.6b) và nếu tăng c ng suất lên 20 mW nguồn nhiệt này mất hoàn toàn (Hình 4.6c), do công suất này chính là công suất phá hủy mạng lưới dây nano SnO2.
Hình 4.6. Ảnh phát xạ nhiệt hồng ngoại của cảm biến tự đốt nóng ở các công suất được cung cấp khác nhau: 8 mW (a), 16 mW (b) và 20 mW (c).
Kết quả thực nghiệm trên một lần nữa minh chứng cho hiệu ứng tự đốt nóng của mạng lưới dây nano SnO2, khi tăng c ng suất hoạt động của cảm biến nhiệt độ sẽ tăng, đồng thời mạng lưới dây nano sẽ bị phá hủy ở giá trị công suất nào đó phụ thuộc vào mật độ mạng lưới dây nano.