3.1.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt động và nồng độ pha tạp lên tính nhạy khí của các mẫu mẫu
Trong phần này, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của hiệt độ lên hoạt động của mẫu ZnO thuần và ZnO : Sn. Nhiệt độ được khảo sát từ 1500C, 2000C, 2500C và 3000C. Quá trình nhằm xác định nhiệt độ hoạt động tối ưu của các mẫu với ba loại khí tương tự như trên là acetone, ethanol và 2- propanol.
77
(a) (b)
Hình3.47 Đồ thị độ nhạy khí acetone các mẫu theo nhiệt độ ở a)300 ppm, b)500 ppm
(a) (b)
Hình3.48 Đồ thị độ nhạy khí ethanol các mẫu theo nhiệt độ ở a)300 ppm, b)500 ppm
(a) (b)
Hình3.49 Đồ thị độ nhạy khí 2- propanol các mẫu theo nhiệt độ ở a)300 ppm, b)500 ppm
78
Đối với khí aceton (hình 3.47), nhiệt độ hoạt động của mẫu pha tạp có xu hướng dịch chuyển về phía nhiệt độ thấp . Độ nhạy của các mẫu pha tạp cao hơn mẫu thuần, trong đó độ nhạy của mẫu 2at% đạt giá trị cao nhất tại nhiệt 2000
C (gấp 6,25 lần so với mẫu thuần).
Đối với khí rượu ethanol (hình 3.48), độ nhạy của mẫu 4at% cao hơn hẳn các mẫu khác trong khoảng nhiệt độ từ 1500C đến 3000
C. Tại 2000C, độ nhạy của mẫu 4at% đạt giá trị cao nhất, gấp 65 lần so với mẫu thuần.
Đối với khí rượu 2-propanol (hình 3.49), khi pha tạp độ nhạy của các mẫu pha tạp có xu hướng dịch chuyển về phía nhiệt độ thấp so với màng thuần. Trong khoảng nhiệt độ 150-2500C, độ nhạy của các mẫu pha tạp chiếm ưu thế. Khoảng nhiệt độ còn lại, độ nhạy của các mẫu pha tạp thấp hơn độ nhạy của mẫu thuần. Độ nhạy của mẫu pha tạp ZnO:Sn 2at% đạt giá trị cao nhất trong các mẫu tại 2000
C, gấp 19 lần so với mẫu thuần.
(a) (b)
(c )
Hình 3.50 Đồ thị độ nhạy các mẫu ZnO với nồng độ pha tạp Sn khác nhau (a)Đo với khí acetone ở 2000
C (b)Đo với khí rượu ethanol ở 2000
C (c)Đo với khí rượu 2-propanol ở 1500
79
3.1.5.2 Giới hạn nồng độ khí có thể đo được của màng
Việc xác định giới hạn nồng độ khí đo được của màng được thực hiện thông qua các mẫu pha tạp cho độ nhạy cao nhất với từng loại khí đã xác định ở trên. Trong trường hợp này ta có đối với khí acetone là mẫu ZSn 2%at, khí rượu ethanol à mẫu ZSn 4%at và đối với khí rượu 2-propanol, mẫu ZSn 2%at cho giá trị độ nhạy cao nhất, nên chúng tôi đã sử dụng những mẫu này trong quá trình xác định dải nồng độ hoạt động.
Hình 3.51 Đồ thị độ nhạy mẫu ZSn 2at% theo nồng độ khí acetone qua mẫu đo 1500C
(a)Khi nồng độ khí qua mẫu thấp (từ 5ppm đến 50ppm) (b)Khi nồng độ khí qua mẫu cao (từ 50ppm đến 500ppm)
Hình 3.52 Đồ thị độ nhạy mẫu ZSn 4at% theo nồng độ khí ethanol qua mẫu đo 1500
C
(a)Khi nồng độ khí qua mẫu thấp (từ 5ppm đến 50ppm) (b)Khi nồng độ khí qua mẫu cao (từ 50ppm đến 500ppm)
80
Hình 3.53 Đồ thị độ nhạy mẫu ZSn 2at% theo nồng độ khí iso propanol qua mẫu đo 1500C
(a)Khi nồng độ khí qua mẫu thấp (từ 5ppm đến 50ppm) (b)Khi nồng độ khí qua mẫu cao (từ 50ppm đến 500ppm)
Kết quả nhận được từ đồ thị cho thấy, đối với cả ba loại khí qua mẫu, độ nhạy của màng pha tạp đều cho kết quả hơn hẳn màng thuần, giới hạn nồng độ khí có thể đo được của mẫu cũng lớn hơn so với mẫu thuần.
Đặc biệt, đối với khí rượu ethanol, độ nhạy tăng hầu như tuyến tính khi nồng độ khí qua mẫu tăng, đường đồ thị rất dốc, có dạng tương tự như đường thẳng.
3.1.5.3 Thời gian đáp ứng và hồi phục
Việc xác định thời gian hồi đáp và hồi phục của màng được tiến hành khảo sát trên các mẫu pha tạo có độ nhạy cao nhất với từng loại khí, tại nhiệt độ hoạt động tối ưu. Kết quả xác định thời gian hồi phục và hồi đáp của mẫu được thể hiện trên hình 3.54, hình 3.55 và hình 3.56.
81
Hình 3.54 Thời gian đáp ứng và hồi phục của mẫu ZSn 2at% đo ở 2000C với khí thử là khí acetone theo độ nhạy
Hình 3.55 Thời gian đáp ứng và hồi phục của mẫu ZSn 4at% đo ở 2000C với khí thử là khí ethanol theo độ nhạy
Hình 3.56 Thời gian đáp ứng và hồi phục của mẫu ZSn 2at% đo ở 1500C với khí thử là khí 2-propanol theo độ nhạy
82
Đối với khí acetone, khi đưa khí vào buồng, độ nhạy của mẫu thay đổi nhanh chóng theo thời gian, đạt được giá trị cực đại trong khoảng 75 giây, sau đó bão hòa. Khi hút khí trong buồng phản ứng ra ngoài, thì độ nhạy của mẫu giảm và trở về trạng thái ban đầu trong khoảng 110 giây. Như vậy, thời gian đáp ứng và hồi phục của mẫu lần lượt là 75 giây – 150 giây.
Đối với khí ethanol, giá trị cực đại của độ nhạy đạt được sau khoảng 25 giây tính từ lúc bắt đầu đưa khí vào buồng, sau đó bão hòa. Khi hút khí trong buồng phản ứng ra ngoài, độ nhạy của mẫu giảm, điện trở trở về trạng thái ban đầu trong thời gian 100 giây. Thời gian đáp ứng và hồi phục của mẫu được xác định lần lượt là 25 giây – 100 giây.
Đối với khí 2-propanol, giá trị cực đại của độ nhạy đạt được sau khoảng 100 giây tính từ lúc bắt đầu đưa khí vào buồng, sau đó bão hòa. Khi hút khí trong buồng phản ứng ra ngoài, độ nhạy của mẫu giảm, điện trở trở về trạng thái ban đầu trong thời gian 200 giây. Thời gian đáp ứng và hồi phục của mẫu được xác định lần lượt là 100 giây – 200 giây.
3.1.5.4 So sánh hoạt động của các mẫu
Để xác định việc pha tạp Sn ảnh hưởng như thế nào đến hoạt động lọc lựa khí của các mẫu, tại mỗi khí qua mẫu khác nhau, chúng tôi tiến hành xác định mẫu pha tạp cho độ nhạy tối ưu với từng loại khí và so sánh chúng với nhau. Quá trình so sánh được thực hiện qua hai giai đoạn, so sánh về độ nhạy và về thời gian đáp ứng, hồi phục của các mẫu. Kết quả so sánh được thể hiện bởi hình 3.57 và 3.58.
(a) (b)
Hình 3.57 Đồ thị so sánh độ nhạy giữa 3 khí của các mẫu ở a)300ppm, b)500ppm.
83
Hình 3.58 Đồ thị so sánh thời gian đáp ứng và hồi phục giữa 3 khí của các mẫu
Quan sát 2 đồ thị trên ta thấy độ nhạy khí rượu ethanol luôn cao hơn độ nhạy 2 khí còn lại trong khoảng nhiệt độ từ 1500C đến 3000
C.
Độ nhạy khí rượu ethanol đạt giá trị cao nhất tại 2000C, trong khi đó độ nhạy khí aceton đạt giá trị thấp nhất. Ứng với mỗi nhiệt độ hoạt động, độ nhạy của từng khí là khác nhau. Đây là cơ sở để màng pha tạp Sn lọc lựa khí theo nhiệt độ.
Đồng thời, dựa vào đồ thị so sánh về thời gian đáp ứng và hồi phục của các mẫu, có thể nhận thấy, đối với khí rượu ethanol, thời gian hồi đáp của màng rất nhanh (xấp xỉ 25 giây) chứng tỏ rằng tốc độ phản ứng của mẫu với khí ethanol rất nhanh. Đây là một trong những căn cứ quan trọng để xét khả năng lọc lựa khí ethanol của mẫu ZSn 4at% so với các mẫu khác.
Sau khi khảo sát độ nhạy từng khí với từng chất pha tạp khác nhau, chúng tôi tiếp tục tìm hiểu xem khả năng lọc lựa từng khí với các chất xúc tác khác nhau như thế nào, phần này sẽ được trình bày ở phần tiếp theo.