CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH THÁI ĐIỆN CỰC VÀ VẬT LIỆU NHẠY KHÍ TỚI CÔNG SUẤT HOẠT ĐỘNG VÀ TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ CỦA CẢM BIẾN
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của mạng lưới dây nano SnO 2 tới công suất hoạt động
3.2.1. Mô hình mạch điện và cơ chế nhạy khí của mạng lưới dây nano SnO 2
Ứng dụng mạng lưới dây nano cho hoạt động nhạy khí đã được nhóm nghiên cứu cảm biến khí Viện ITIMS báo cáo trong nhiều công trình [101-103]. Tuy nhiên, trong các c ng trình đã được công bố thì cảm biến đều hoạt động dựa trên lò nhiệt ngoài, vì vậy mật độ mạng lưới dây nano sau khi chế tạo thường kh ng được quan tâm như là một nguyên nhân làm tăng c ng suất hoạt động của cảm biến. Khi lò nhiệt hoạt động thì sẽ đốt nóng toàn bộ mạng lưới dây nano có thể gồm cả phần điện cực.
Trong quá trình chế tạo, mạng lưới dây nano được điều khiển sao cho dây nano không thể đủ dài để vươn từ điện cực này sang điện cực ên kia. Hơn nữa, dây nano SnO2 chế tạo được có đường kính (100 nm) lớn hơn rất nhiều so với chiều dài Debye, nên ảnh hưởng của khí thử tới độ dẫn (bề rộng vùng ngh o) cũng có thể bỏ qua. Vì vậy, sự thay đổi độ dẫn của cảm biến mạng lưới dây nano được quyết định bởi chiều cao rào thế tại các điểm tiếp xúc dây – dây. Do đó điện trở của tiếp xúc dây – dây (Rnj) cao hơn so với điện trở của dây nano (Rnw). Mô hình mạch điện đơn giản cho cảm biến mạng lưới dây nano SnO2 được mô tả như Hình 3.4b.
Khi cấp nguồn (dòng điện I) cho cảm biến, dựa trên hiệu ứng Joule cả dây nano và tại điểm tiếp xúc dây – dây sẽ nóng lên (Hình 3.4a,c). Công suất đốt nóng tại tiếp xúc được tính theo công thức:
Pnj = I2.Rnj (3.1) và công suất đốt nóng trên dây nano được tính theo:
Pnw = I2.Rnw (3.2) Kết quả mỗi một tiếp xúc dây – dây sẽ trở thành một nguồn vi nhiệt kích hoạt các hoạt động nhạy khí do Pnj >> Pnw. Tuy nhiên, không phải tất cả các tiếp xúc đều nóng lên ở cùng một nhiệt độ, phụ thuộc vào bản chất tại điểm tiếp xúc (rào thế tại mỗi tiếp xúc là khác nhau) sẽ có nhiệt độ khác nhau, những điểm tiếp xúc có điện trở cao sẽ
61
nóng trước với nhiệt độ cao hơn. Có thể thấy rằng, mỗi nguồn vi nhiệt (nano heating) chỉ làm nóng một vùng rất nhỏ quanh điểm tiếp xúc (local heating). Khi mật độ mạng lưới dây nano thưa, các nguồn vi nhiệt phân bố thưa nên tổn hao ra m i trường xung quanh lớn và không hỗ trợ được cho nhau vì thế nhiệt độ của toàn bộ cảm biến sẽ thấp.
Khi mật độ mạng lưới dây nano lớn số lượng tiếp xúc dây – dây tăng lên sẽ làm giảm đáng kể điện trở tiếp xúc.Nhiệt độ của cảm biến trong trường hợp này sẽ là đóng góp của cả các nguồn vi nhiệt từ của tiếp xúc dây – dây và của cả dây nano, tại các tiếp xúc có nhiệt độ cao thay vì thất thoát ra m i trường ngoài khi mật độ dây thưa thì sẽ có tác dụng làm nóng những tiếp xúc, dây gần nguồn nhiệt cao này vì thế Pnj ~ Pnw. Nghĩa là nhiệt độ của cảm biến sẽ tập trung hơn ởi hiệu ứng tập thể như vậy cảm biến có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn.
Hình 3.4. Các tiếp xúc dây – dây của mạng lưới dây nano SnO2 được đốt nóng bởi hiệu ứng Joule (a), mô hình mạch điện đơn giản cho mạng lưới dây nano có các tiếp xúc được đốt nóng
(b), một tiếp xúc dây – dây được đốt nóng khi có dòng điện chạy qua (c), điện trở tương ứng với tiếp xúc dây – dây được đốt nóng (d).
Vật liệu nhạy khí là dây nano SnO2, oxit bán dẫn loại n, nên cơ chế nhạy khí tại mỗi tiếp xúc dây – dây được mô tả như Hình 3.5. Sau khi hiểu được cơ chế hoạt động của cảm biến mạng lưới dây nano SnO2 trên cơ sở của hiệu ứng Joule, nghiên cứu sinh tiến hành chế tạo mạng lưới dây nano theo các điều kiện khác nhau và thu được các kết quả được trình ày như các phần dưới đây.
(a) (b)
(c) (d)
62
Hình 3.5. Sơ đồ mô tả cơ chế nhạy khí tại tiếp xúc dây – dây, sự thay đổi của oxy hấp phụ bề mặt dẫn tới sự thay đổi của bề rộng vùng nghèo và chiều cao rào thế ở các môi trường khác nhau: trong không khí (a), trong môi trường khí khử (b) và trong môi trường khí oxy hóa (c).
63