Hỡnh 4.7.Độ nhạy ở nhiệt độ phũng của PANi và nanocomposite PANi/SWNTs khi ỏp suất riờng phần ụxy thay đổi (P: hỳt, O mở bơm)
101
Hỡnh 4.7 cho biết độ nhạy của PANi thuần và nanocomposite PANi/SWNTs thay đổi khi ỏp suất khụng khớ tiếp xỳc với chỳng thay đổi. Độ nhạy khớ O2 đo đƣợc thực chất là cho biết sự biến thiờn điện trở của mẫu khi thay đổi nồng độ khớ O2 tiếp xỳc, quỏ trỡnh đƣợc thực hiện bằng giảm hoặc tăng ỏp suất khụng khớ tiếp xỳc với mẫu. Khi ỏp suất khụng khớ tiếp xỳc giảm thỡ điện trở của PANi và PANi/SWNTs đều tăng, thực chất của quỏ trỡnh là này nồng độ khớ ụxy giảm dẫn đến số điện tử hấp thụ ban đầu trong vựng húa trị của PANi và SWNTs giảm. Dựa trờn sự biến thiờn điện trở cho kết quả độ nhạy PANi thuần và nanocomposite PANi/SWNTs trờn đồ thị Hỡnh 4.7 lần lƣợt là 35 % và 80 % ở nhiệt độ phũng. Nhƣ vậy, với khớ cú tớnh ụxy húa là O2 vật liệu PANi/SWNTs cú độ nhạy cao hơn 2,3 lần so với PANi thuần.
Kết quả đo điện trở khi ỏp suất khụng khớ tăng (nồng độ O2 tăng) thỡ điện trở của PANi và PANi/SWNTs đều giảm, thực chất là do số điện tử bị phõn tử O2 hấp phụ nhiều làm tăng mật độ lỗ trống dẫn đến điện trở giảm. Dẫn đến độ nhạy của PANi/SWNTs cao hơn của PANi thuần. Sự giảm điện trở của PANi/SWNTs khi nồng độ khớ O2 tăng tƣơng tự khi tiếp xỳc với cỏc khớ cú tớnh ụxy húa nhƣ CO [32], NO2 [104], [191].
Kết quả khảo sỏt hỡnh thỏi của nanocomposite PANi/SWNTs đó cho biết PANi tạo thành lớp màng dày khoảng 20 nm bờn ngoài SWNTs. Do đú quỏ trỡnh hấp phụ khớ O2 xảy ra ở lớp vỏ PANi của sợi PANi/SWNTs. Cơ chế của quỏ trỡnh hấp phụ khớ O2 làm tăng độ dẫn của PANi/SWNTs cú thể xảy ra hai khả năng nhƣ sau. Thứ nhất là O2 (-O2+) tƣơng tỏc với nguyờn tử Nitơ trong chuỗi PANi (EB) tạo ra PANi (ES) dạng polaron (-NH+-), tức là tạo ra PANi ở trạng thỏi dẫn điện loại p cú mật độ hạt tải cao hơn. Thứ hai là do quỏ trỡnh ụxy húa xảy ra ở bề mặt chuỗi PANi đó làm giảm hàng rào thế và khoảng cỏch giữa cỏc hạt tải, điều này dẫn đến làm tăng độ dẫn của khối vật liệu. Cơ chế của quỏ trỡnh hấp phụ khớ cú tớnh ụxy húa làm tăng độ dẫn của PANi/SWNTs đƣợc cỏc tỏc giả sử dụng [32], [104].
Nhƣ vậy, ta nhận thấy độ nhạy khớ O2 của nanocomposite PANi/SWNTs tăng so với PANi thuần, cũn với khớ NH3 thỡ độ nhạy giảm. Điều này cho biết tạp SWNTs trong vật liệu PANi cú tỏc dụng làm tăng độ nhạy khớ O2, nhƣng lại làm giảm tớnh chất nhạy khớ NH3. Sự khỏc nhau này cú thể là do khi PANi đƣợc tổng hợp đó liờn kết với SWNTs bằng nhúm amin (-NH2-) làm biến đổi đặc tớnh dẫn điện của SWNTs từ loại p sang loại n [35], [163], [164]. Do đú sợi nanocomposite PANi/SWNTs cú cấu trỳc lừi (SWNTs)- vỏ (PANi) hỡnh thành chuyển tiếp p-n, sự khuếch tỏn cỏc electron trong SWNTs sang PANi làm giảm mật độ lỗ trống trờn bề mặt sợi PANi/SWNTs dẫn đến giảm sự hấp phụ khớ NH3 và làm giảm độ nhạy của nú với khớ NH3.
Độ nhạy khớ O2 của PANi/SWNTs lớn hơn của PANi thuần cú thể do cỏc nguyờn nhõn đƣợc chỉ ra sau đõy.
102
- Cỏc sợi PANi thuần liờn kết với nhau tạo thành đỏm, mảng lớn, cũn cỏc sợi nanocomposite PANi/SWNTs ớt kết đỏm, mảng hơn (Hỡnh 4.8). Tức là diện tớch tiếp xỳc với khớ O2 của PANi/SWNTs lớn hơn PANi thuần.
Hỡnh 4.8.Ảnh SEM của a) PANi thuần và b) PANi/SWNTs ở độ phũng đại 50 000 lần
Kết quả chụp ảnh SEM mặt cắt ngang của PANi và PANi/SWNTs ở Hỡnh 4.9 cũn cho thấy khoảng trống giữa cỏc sợi PANi/SWNTs lớn hơn so với PANi thuần cũn làm tăng khả năng khuếch tỏn khớ đi sõu vào trong màng, tức là tăng khả năng hấp phụ khớ và làm cho độ nhạy khớ O2 tăng.
Hỡnh 4.9.Ảnh SEM mặt cắt ngang của a) PANi thuần và b) PANi/SWNTs
- SWNTs đƣợc chức năng húa bởi PANi cú đặc tớnh bỏn dẫn loại n, nhƣng khi tăng dần nồng độ O2 (bơm mở) thỡ SWNTs chuyển sang dạng bỏn dẫn loại p và tạo ra vật liệu nanocomposite PANi/SWNTs cú đặc tớnh tớnh bỏn dẫn loại p đƣợc tăng cƣờng, mật độ lỗ trống tăng dẫn đến khả năng hấp phụ khớ O2 tăng và làm cho độ nhạy tăng.
- Phõn tớch phổ FTIR và Raman ở chƣơng 2 cũn cho thấy SWNTs làm tăng mức độ ụxy húa của PANi, tức là làm tăng mật độ hạt tải (lỗ trống trong PANi), điều này dẫn đến số phõn tử O2 cú khả năng bị hấp phụ sẽ nhiều hơn do đú tăng sự biến đổi điện trở của mẫu, tức là độ nhạy tăng.
103
Nhƣ vậy cú nhiều nguyờn nhõn cú thể ảnh hƣởng đến độ tăng khả năng nhạy khớ O2 của PANi/SWNTs, nhƣng theo chỳng tụi thỡ nguyờn nhõn chớnh là sự ảnh hƣởng của SWNTs làm tăng mức độ ụxy húa của PANi do PANi/SWNTs do cú cấu trỳc lừi- vỏ.