Để xác định độ nhạy của màng, chúng tôi tiến hành đo điện trở bề mặt trong không khí (Ra) và trong môi trường có hơi rượu đi qua (Rg) trong dãy nồng độ khí từ 100ppm → 600ppm. Nhiệt độ đo là 300°C và độ nhạy được tính theo công thức sau:
Bảng 4.3: Số liệu khảo sát độ nhạy theo nồng độ khí của các màng pha tạp khác nhau ở 300°C Nồng độ khí (ppm) Mẫu 100 200 300 400 500 600 S-0-3 40 60 72 80 83 84 S-1-3 20 42 63 70 80 81 S-2-3 10 37 60 70 80 82 S-3-3 4 8 20 44 65 80 S-4-3 15 15 33 68 83 85 S-5-3 60 85 92 94 95 96 S-6-3 13 23 50 63 70 73 S-7-3 5 6 15 45 60 65 S-8-3 3 5 10 40 55 60 Độ nhạy (%)
Hình 4.6: Đồ thị biểu diễn độ nhạy của các màng với các nồng độ pha tạp khác nhau ở nhiệt độ 300°C.
Nhận xét:
- Dựa vào đồ thị hình 4.6 ta thấy độ nhạy hơi ethanol của màng A-5-3 đạt giá trị cao nhất.
- Màng A-5-3 đạt trạng thái bão hoà (độ nhạy đạt 85%) với lưu lượng khí vào rất thấp là 200ppm, trong khi đó màng thuần chỉ đạt 60%. Màng A-5-3 nhận biết khí ở nồng độ thấp rất tốt.
- Khi nồng độ pha tạp nhỏ hơn 5%mol và vượt quá 5%mol, độ nhạy của màng giảm, thấp hơn cả độ nhạy của màng thuần, đạt trạng thái bão hòa với lưu lượng khí vào khoảng 500ppm.
- Tóm lại, màng SnO2 pha tạp ở nồng độ 5%mol Sb giúp cải thiện độ nhạy hơi rượu. Ở nồng độ thấp hơn hoặc cao hơn 5%mol, độ nhạy kém hơn so với màng thuần.
Giải thích:
Quan sát phổ XRD của các màng S-0-3, S-5-3, S-8-3 (hình 4.1, 4.2, 4.3), ta thấy màng A-5-3 có độ nhạy tốt nhất là do mặt ưu tiên (110) có cường độ cao nhất
(mặt có nhiều nút khuyết Oxi). Những vị trí khuyết Oxi trong màng đóng vai trò như những donor cung cấp electron cho vùng dẫn và tạo thành những cái bẫy trên bề mặt. Trong không khí, electron di chuyển từ vùng dẫn của màng để bẫy Oxi trong không khí tạo thành O2- hoặc O-, lúc này ở bề mặt màng hình thành một vùng nghèo dẫn đến điện trở màng tăng. Khi tiếp xúc với hơi rượu thì điện trở màng giảm xuống do sự giải hấp O2- hoặc O- và giải phóng electron. Vì vậy, màng A-5-3 có độ nhạy cao vì tăng khả năng hấp phụ Oxi trong không khí.
Quan sát ảnh AFM của các màng (hình 4.5), ta thấy màng A-5-3 các hạt có kích thước nhỏ và bắt đầu có khuynh hướng kết đám, mẫu A-0-3 có kích thước đám hạt vi tinh thể nhỏ hơn so với mẫu A-5-3. Kích thước đám hạt nhỏ sẽ tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với khí (tỉ số S/V tăng) nên độ nhạy tăng. Ngoài ra, kích thước đám hạt còn ảnh hưởng đến độ cao rào thế năng trên bề mặt (eVs). Khi kích thước đám hạt càng nhỏ eVs càng cao, độ nhạy khí càng tăng. Ngược lại kích thước đám hạt lớn eVs thấp, độ nhạy khí giảm. Vấn đề này đã được chúng tôi trình bày rõ trong phần 1.5.3. Tuy nhiên khi quan sát hình 4.5 ta thấy màng A-0-3 có kích thước đám hạt nhỏ hơn màng A-5-3 nhưng độ nhạy khí của màng A-0-3 lại kém hơn màng A- 5-3 (hình 4.6). Sở dĩ có vấn đề này xảy ra là do độ gồ ghề, của màng A-0-3 thấp hơn độ gồ ghề của màng A-5-3 nên tỉ số S/V của màng A-0-3 nhỏ hơn tỉ số S/V của màng A-5-3, dẫn đến độ nhạy khí màng A-0-3 thấp hơn màng A-5-3 [47]. Khi hàm lượng pha tạp Sb tăng lên, màng kết đám mạnh, dẫn đến độ gồ ghề thấp. Vì vậy, màng A-8-3 có độ nhạy thấp hơn cả màng thuần A-0-3.
Với kết quả trên, chúng tôi chọn màng SnO2 pha tạp 5%mol Sb để tiếp tục khảo sát tìm độ dày màng thích hợp.