Hình 2.5. Sơ đồ khối của hệ bốc bay nhiệt nằm ngang.
Thiết bị được sử dụng để chế tạo dây nano SnO2 là hệ bố bay nhiệt nằm ngang, sơ đồ khối của hệ được mô tả như Hình 2.5. Trong đó, đầu khí vào có thể là khí Ar hoặc O2 được điều khiển bởi hệ điều khiển khí, với khí O2 là 0 - 10 sccm và khí Ar là 0 - 500 sccm; Đầu ra được kết nối với hệ ơm chân kh ng cơ học với áp suất có thể đạt được 5x10-3 Torr.
Các loại vật tư hóa chất sau là thực sự cần thiết phục vụ cho việc chế tạo cảm biến.
44
Các tấm thủy tinh chịu nhiệt.
Các loại bia kim loại tinh khiết (99,99 %), sử dụng để phún xạ chế tạo điện cực và biến tính bề mặt dây nano SnO2: Cr, Ag, Au, Pt, Pd.
Bột thiếc kim loại tinh khiết
Ống, thuyền và tấm thạch anh chịu nhiệt.
Các khí O2, Ar tinh khiết và các hóa chất cần thiết khác.
Hình 2.6. Thuyền và tấm thạch anh được thiết kế riêng cho chế tạo cảm biến loại G.
2.2.2. Thực nghiệm chế tạo dây nano SnO2
Trong chế tạo cảm biến mạng tự đốt nóng, mạng lưới dây nano SnO2 được mọc trực tiếp lên điện cực bằng phương pháp ốc bay nhiệt. Với hình thái của điện cực đã được nghiên cứu chế tạo; các dụng cụ phụ trợ phục vụ cho việc chế tạo dây nano SnO2 như thuyền thạch anh, các tấm thạch anh có rãnh ở giữa và kh ng có rãnh cũng đã được nhóm nghiên cứu thiết kế riêng cho phù hợp với điện cực. Chi tiết các ước chế tạo như sau:
Bước 1. Chuẩn bị các điều kiện thí nghiệm
Kiểm tra các thông số của hệ bốc bay nhiệt, làm sạch lò, ống thạch anh, thuyền thạch anh, các tấm thạch anh, điện cực.
Cân khoảng 0,1 gram bột thiếc sau đấy dàn đều vào thuyền thạch anh;
Điện cực sau khi được làm sạch sẽ được đặt lên một tấm thạch anh sạch (tấm thạch anh được thiết kế phù hợp với thuyền, nghĩa là sau khi đặt tấm thạch anh lên thuyền chứa thiếc thì vẫn phải còn hở ở hai đầu thuyển để hơi thiếc có thể bay ra
45
được);
Dùng tấm thạch anh khác (có khe hở phù hợp với điện cực) đặt lên trên điện cực để kiểm soát sao cho dây nano chỉ mọc ở vùng giữa của điện cực;
Đặt tấm thạch anh có điện cực lên trên thuyền chứa bột thiếc;
Thuyền chứa bột thiếc và điện cực được cho vào ống thạch anh sau đấy đưa vào đặt tại tâm lò.
Bước 2: Tiến hành thí nghiệm
Bật ơm chân kh ng hút sạch khí trong thời gian khoảng 5 - 10 phút;
Mở van khí Ar, điều chỉnh lưu lượng khí về khoảng 300 sccm. Khí Ar có nhiệm vụ làm sạch các tạp bẩn, hơi nước và đặc biệt là làm sạch khí oxy dư trong ống.
Đóng van khí Ar, duy trì ơm chân kh ng để áp suất trong ống phải đạt được khoảng 1,8x10-1 torr.
Khi áp suất trong ống đã được duy trì ổn định, lúc này tiến hành gia nhiệt. Thời gian gia nhiệt được nghiên cứu trong luận án là 25 phút;
Sau khi đạt đến nhiệt độ cần thiết tiến hành cho khí oxy với lưu lượng 0,5 sccm để phản ứng với hơi thiếc tạo dây nano SnO2;
Khi thời gian phản ứng tạo dây nano SnO2 kết thúc, lò được để nguội tự nhiên về nhiệt độ phòng.
Trong phạm vi của luận án, nghiên cứu sinh đã tiến hành chế tạo mạng lưới dây nano SnO2 ở các nhiệt độ là 700 ºC, 715 ºC, và 730 ºC; thời gian duy trì phản ứng là 10 phút, 20 phút và 30 phút. Chu trình nhiệt được biểu diễn như Hình 2.7. Khảo sát điều kiện chế tạo dây nano SnO2 theo nhiệt độ cũng đã được Wenyan Yin và các cộng sự công bố [89], tuy nhiên ở nhiệt độ 700 ºC thì thời gian duy trì phản ứng kéo dài trong một giờ. Kết quả chiều dài của các dây nano chế tạo được có chiều dài khoảng 100 – 150 àm, với chiều dài của dõy nano như vậy sẽ khụng phự hợp cho điện cực đó được thiết kế của nhóm nghiên cứu khi khoảng cách điện cực chỉ 2 – 20 m (do tạo ra nhiều tiếp xúc không mong muốn).
46
100 àm
Hình 2.7. Chu trình nhiệt chế tạo dây nano SnO2. 2.2.3. Phương pháp nghiên cứu hình thái vật liệu
Do điều kiện chế tạo dây nano SnO2 trong nghiên cứu này có sự khác biệt lớn, so với những điều kiện chế tạo dây nano SnO2 đã được nhóm nghiên cứu tại Viện ITIMS nghiên cứu trước đây. Vì vậy khối lượng công việc trong giai đoạn chế tạo dây nano là rất lớn, nên ở giai đoạn đầu của nghiên cứu, nghiên cứu sinh đã sử dụng phương pháp hiển vi quang học để nghiên cứu hình thái của mỗi sản phẩm cảm biến như Hình 2.8.
Hình 2.8. Hình thái của cảm biến sau khi chế tạo được quan sát bằng kính hiển vi quang học Sau đấy, để nghiên cứu sâu hơn về hình thái của mạng lưới dây nano SnO2 nghiên cứu sinh sẽ sử dụng các kỹ thuật phân tích cao cấp hơn như hiển vi điện tử phát xạ trường (FE-SEM, Hitachi S-4800, Nhật Bản), hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HR-TEM, Tecnai G2 F20, FEI), nhiễu xạ điện tử vùng chọn lọc (SAED), và nhiễu
47
xạ tia X (XRD, Bruker D8 Advance).
2.2.4. Một số yếu tố ảnh hưởng tới hình thái vật liệu
Kiểm soát được các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình chế tạo dây nano SnO2 có vai trò rất quan trọng trong việc tạo ra được mạng lưới dây nano theo yêu cầu, đặc biệt hơn là còn giúp cho khả năng lặp lại giữa các lần chế tạo khác nhau sẽ tốt hơn. Thực nghiệm chế tạo dây nano SnO2 bị ảnh hưởng bởi rất nhiều thông số: khối lượng vật liệu nguồn (bột Sn), lưu lượng dòng khí O2, tốc độ gia nhiệt, thời gian duy trì phản ứng, chiều dày lớp xúc tác, vị trí đặt điện cực trong ống thạch anh, v.v..Các thông số này cũng đã được nhiều tác giả công bố [90-92].
Tại nhóm cảm biến khí của viện ITIMS, công nghệ chế tạo vật liệu dây nano SnO2 bằng phương pháp bốc bay nhiệt từ nguồn vật liệu là bột Sn kim loại đã tương đối hoàn thiện. Vì vậy, tùy thuộc vào mục tiêu nghiên cứu mà chỉ cần phải khảo sát cho một vài thông số. Với mục đích của nghiên cứu này kết hợp với những khảo sát sơ bộ đã thực hiện, nghiên cứu sinh chỉ khảo sát theo hai thông số là nhiệt độ và thời gian duy trì phản ứng.