Cảm Biến Khí Trên Cơ Sở Các Cấu Trúc Nano Ôxít Kim Loại Bán Dẫn

• Tác giả: Nguyễn Đức Hòa
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Đức Chiến
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật; Khoa học và Công nghệ vật liệu; Điều khiển và Tự động hóa; Công nghệ Thông tin và Truyền thông; Quan trắc và Kiểm soát môi trường
• Đề tài: Cảm Biến Khí Nano Ôxít Kim Loại Bán Dẫn: Công Nghệ và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: chuyên khảo
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI GIỚI THIỆU
• LỜI NÓI ĐẦU
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN KHÍ
• 1.1. Cảm biến khí
• 1.2. Cấu tạo của cảm biến khí kiểu thay đổi trở kháng
• 1.3. Lịch sử phát triển và tình hình nghiên cứu cảm biến khí trở kháng sử dụng ôxít kim loại
• 1.4. Cơ chế nhạy khí của cảm biến trở kháng trên cơ sở ôxít kim loại bán dẫn
• 1.5. Một số khái niệm cơ bản liên quan đến hấp phụ
• 1.6. Thuyết hấp phụ đơn lớp phân tử đẳng nhiệt của Langmuir
• 1.7. Thuyết hấp phụ đa lớp phân tử đẳng nhiệt của Eucken và Polanyi
• 1.8. Lý thuyết hấp phụ Wolkenstein
• 1.9. Lí thuyết hấp phụ Brunauer-Emmett-Teller (BET)
• 1.10. Áp dụng lý thuyết hấp phụ cho trường hợp chất hấp phụ khí ôxy trên bề mặt bán dẫn loại n
• 1.11. Tính chất điện của ôxít kim loại bán dẫn
• 1.12. Các trạng thái bề mặt
• 1.13. Hiện tượng uốn cong vùng năng lượng của bán dẫn khi hấp phụ phân tử khí
• 1.14. Hấp phụ ôxy trên bề mặt chất bán dẫn ôxít kim loại và cơ chế nhạy khí
• 1.15. Cơ chế nhạy khí của ôxít kim loại bán dẫn với kích thước khác nhau
• 1.16. Cơ chế nhạy khí của cảm biến ôxít kim loại biến tính với kim loại quý
• 1.17. Các kỹ thuật đo các thông số cảm biến khí
• 1.18. Phương pháp đo tĩnh
• 1.19. Phương pháp đo động
• 1.20. Cấu tạo buồng đo khí
• 1.21. Cấu tạo hệ trộn khí
• 1.22. Kết luận
• Tài liệu tham khảo
• 2. BÁN DẪN PHA TẠP BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẤY ION ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN KHÍ
• 2.1. Kiến thức chung về bán dẫn
• 2.2. Bán dẫn ôxít kim loại và sự hình thành hạt tải
• 2.3. Cơ chế hình thành hạt tải trong bán dẫn loại n
• 2.4. Cơ chế hình thành hạt tải trong bán dẫn loại p
• 2.5. Sự hình thành hạt tải trong trường hợp tổng quát cho ôxít kim loại bán dẫn
• 2.6. Điều khiển đặc trưng cấu trúc của vật liệu bán dẫn bằng phương pháp cấy ion
• 2.7. Giới thiệu chung
• 2.8. Nguyên lý hoạt động chung của hệ cấy ion
• 2.9. Điều khiển hình thái học và cấu trúc của vật liệu bán dẫn
• 2.10. Điều khiển đặc tính điện của vật liệu bán dẫn
• 2.11. Điều khiển đặc tính quang của vật liệu bán dẫn
• 2.12. Đặc tính hóa và cấu trúc của đơn dây nano ZnO cấy ion Co
• 2.13. Nồng độ và sự phân bố của nguyên tố pha tạp bên trong dây ZnO
• 2.14. Cấu trúc nguyên tử và trạng thái ôxy hóa của ion pha tạp trong đơn dây ZnO [2,36]
• 2.15. Hình thành khuyết tật trong đơn dây nano ZnO do quá trình cấy ion [3–5,36]
• 2.16. Ôxít kim loại cấy ion ứng dụng trong cảm biến khí
• Tài liệu tham khảo
• 3. VẬT LIỆU ZnO CẤU TRÚC NANO: CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ
• 3.1. Tổng quan vật liệu ZnO cấu trúc nano
• 3.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano ZnO
• 3.3. Phương pháp Sol-gel
• 3.4. Phương pháp nhúng kép hóa học
• 3.5. Phương pháp thủy nhiệt hỗ trợ sóng vi ba
• 3.6. Phương pháp thủy nhiệt
• 3.7. Một số cấu trúc ZnO chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt
• 3.8. Cấu trúc hạt nano ZnO
• 3.9. Cấu trúc dây và thanh nano ZnO
• 3.10. Động học nhạy khí của dây/thanh nano ôxít kim loại bán dẫn
• 3.11. Cơ chế nhạy khí tổng quát
• 3.12. Động học nhạy khí ôxy hóa
• 3.13. Động học nhạy khí khử [87]
• 3.14. Một số kết quả nghiên cứu chế tạo và tính chất của cảm biến khí ZnO
• 3.15. Kết quả chế tạo hạt nano ZnO dạng tự do ứng dụng cho cảm biến khí
• 3.16. Tính chất nhạy khí của các hạt nano ZnO với kích thước khác nhau
• 3.17. Thanh nano ZnO dạng tự do ứng dụng cho cảm biến khí
• 3.18. Cấu trúc thanh nano ZnO cho cảm biến H2S ở nhiệt độ phòng
• 3.19. Cấu trúc nano phân nhánh ZnO/CuO cho cảm biến H2S
• 3.20. Cấu trúc nano giống nhím biển ZnO cho cảm biến NO
• 3.21. Chế tạo thanh nano ZnO trực tiếp trên điện cực cho cảm biến khí
• 3.22. Chế tạo dây nano ZnO trực tiếp trên điện cực cho cảm biến khí
• 3.23. Biến tính thanh nano ZnO với PdO nhằm cải thiện đặc trưng nhạy khí
• 3.24. Kết luận và đề xuất
• Tài liệu tham khảo
• 4. CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO WO3
• 4.1. Vật liệu ôxít vônfram và một số tính chất
• 4.2. Cấu trúc tinh thể
• 4.3. Tính chất điện của vật liệu WO3
• 4.4. Vật liệu WO3 cho cảm biến khí
• 4.5. Điều khiển hình thái, vi cấu trúc và tính chất nhạy khí của vật liệu nano WO3 chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt
• 4.6. Chế tạo vật liệu nano WO3 có cấu trúc hình thái khác nhau bằng phương pháp thủy nhiệt
• 4.7. Hình thái vật liệu nano WO3 tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt
• 4.8. Hình thái của vật liệu nano WO3 sau khi xử lý nhiệt
• 4.9. Cấu trúc tinh thể của vật liệu nano WO3
• 4.10. Tính chất nhạy khí của vật liệu nano WO3 bằng phương pháp thủy nhiệt
• 4.11. Hình thái, vi cấu trúc và tính chất nhạy khí của vật liệu nano WO3 chế tạo bằng phương pháp nhiệt dung môi
• 4.12. Tổng hợp bó dây nano, bông hoa nano ôxít vônfram bằng phương pháp nhiệt dung môi và tính chất nhạy khí
• 4.13. Tổng hợp quả cầu rỗng, khối xốp nano ôxít vônfram bằng phương pháp nhiệt dung môi và tính chất nhạy khí
• 4.14. Nghiên cứu biến tính bề mặt vật liệu nano WO3 bằng hạt nano Pd bằng phương pháp hóa cho cảm biến khí [105]
• 4.15. Quy trình biến tính hạt nano Pd lên bề mặt thanh nano WO3 bằng phương pháp khử trực tiếp
• 4.16. Hình thái, vi cấu trúc của thanh nano WO3 biến tính
• 4.17. Cơ chế hình thành hạt nano Pd trên bề mặt thanh nano WO3
• 4.18. Khảo sát tính chất nhạy khí
• Tài liệu tham khảo
• 5. CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO α-FE2O3 CHO CẢM BIẾN KHÍ
• 5.1. Tổng hợp nano α-Fe2O3 bằng phương pháp hóa ướt
• 5.2. Tính chất nhạy khí của cảm biến trên cơ sở cấu trúc nano α-Fe2O3
• 5.3. Chế tạo và so sánh tính chất nhạy khí của nano α-Fe2O3 điều chế từ hạt nano Fe3O4 và Fe3O4/chitosan
• 5.4. Kiểm soát tổng hợp cấu trúc nano α-Fe2O3 với sự hỗ trợ của chất hoạt động bề mặt và tính chất nhạy khí
• 5.5. Tổng hợp cấu trúc nano α-Fe2O3 có độ xốp cao với sự hỗ trợ của chất định khung cứng và khảo sát tính chất nhạy khí
• Tài liệu tham khảo
• 6. CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO NiO
• 6.1. Cấu trúc tinh thể, tính chất điện và nhạy khí của vật liệu NiO
• 6.2. Cấu trúc tinh thể và tính chất điện
• 6.3. Vật liệu NiO cho cảm biến khí
• 6.4. Vật liệu NiO cấu trúc nano chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt ứng dụng cho cảm biến khí
• 6.5. Chế tạo tấm nano NiO và tính chất nhạy khí
• 6.6. Dây nano NiO và tính chất nhạy khí
• 6.7. Dây nano NiO xốp và tính chất nhạy khí
• 6.8. Biến tính hạt nano Pd lên bề mặt tấm nano NiO bằng phương pháp khử trực tiếp và đặc trưng nhạy khí
• 6.9. Nhận dạng các khí khác nhau sử dụng cảm biến dây nano NiO
• Tài liệu tham khảo
• 7. CHẾ TẠO, CHỨC NĂNG HÓA PEROVSKITE ABO3 ĐẤT HIẾM KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP 3D ỨNG DỤNG CHO CẢM BIẾN KHÍ
• 7.1. Vật liệu ABO3 và một số tính chất
• 7.2. Cấu trúc tinh thể
• 7.3. Tính chất dẫn điện
• 7.4. Tính chất hấp phụ và xúc tác khí
• 7.5. Tính chất bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng
• 7.6. Tính ổn định của cảm biến LnMO3
• 7.7. Cảm biến khí trên cơ sở vật liệu perovskite
• 7.8. Ảnh hưởng kim loại chuyển tiếp 3d lên tính chất nhạy khí của LnMO3
• 7.9. Ảnh hưởng của đất hiếm lên tính chất nhạy khí của hệ LnMO3
• Tài liệu tham khảo
• DANH MỤC VIẾT TẮT

I. Tổng quan về Cảm Biến Khí Nano Ôxít Kim Loại Bán Dẫn

Cảm biến khí nano ôxít kim loại bán dẫn là một trong những công nghệ tiên tiến nhất trong lĩnh vực cảm biến hiện nay. Chúng được sử dụng để phát hiện và đo lường nồng độ của các chất khí trong môi trường. Công nghệ này không chỉ giúp cải thiện độ nhạy mà còn giảm thiểu kích thước của cảm biến, mở ra nhiều ứng dụng mới trong đời sống và công nghiệp.

1.1. Định nghĩa và nguyên lý hoạt động của cảm biến khí

Cảm biến khí là thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý thành tín hiệu điện. Nguyên lý hoạt động của cảm biến khí dựa trên sự thay đổi điện trở của vật liệu bán dẫn khi tiếp xúc với các phân tử khí.

1.2. Lịch sử phát triển cảm biến khí nano

Lịch sử phát triển cảm biến khí nano bắt đầu từ những năm 1980, với sự ra đời của các vật liệu nano. Sự phát triển này đã mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu về cảm biến khí, đặc biệt là trong việc cải thiện độ nhạy và độ chính xác.

II. Thách thức trong việc phát triển Cảm Biến Khí Nano Ôxít Kim Loại Bán Dẫn

Mặc dù công nghệ cảm biến khí nano ôxít kim loại bán dẫn đã đạt được nhiều thành tựu, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần phải vượt qua. Các vấn đề như độ ổn định, độ nhạy và khả năng tái sử dụng của cảm biến vẫn đang là những điểm cần cải thiện.

2.1. Độ nhạy và độ ổn định của cảm biến

Độ nhạy của cảm biến khí phụ thuộc vào cấu trúc nano và vật liệu sử dụng. Việc cải thiện độ ổn định của cảm biến trong môi trường khắc nghiệt cũng là một thách thức lớn.

2.2. Chi phí sản xuất và quy trình chế tạo

Chi phí sản xuất cảm biến khí nano vẫn còn cao, điều này hạn chế khả năng ứng dụng rộng rãi. Quy trình chế tạo cũng cần được tối ưu hóa để giảm thiểu chi phí và thời gian sản xuất.

III. Phương pháp chế tạo Cảm Biến Khí Nano Ôxít Kim Loại Bán Dẫn

Có nhiều phương pháp chế tạo cảm biến khí nano ôxít kim loại bán dẫn, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của cảm biến.

3.1. Phương pháp Sol gel

Phương pháp Sol-gel là một trong những phương pháp phổ biến nhất để chế tạo vật liệu nano. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt nano, từ đó cải thiện độ nhạy của cảm biến.

3.2. Phương pháp thủy nhiệt

Phương pháp thủy nhiệt sử dụng nhiệt độ và áp suất cao để tổng hợp vật liệu nano. Phương pháp này giúp tạo ra các cấu trúc nano đồng nhất và có tính chất nhạy khí tốt.

IV. Ứng dụng thực tiễn của Cảm Biến Khí Nano Ôxít Kim Loại Bán Dẫn

Cảm biến khí nano ôxít kim loại bán dẫn có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như y tế, môi trường và công nghiệp. Chúng giúp phát hiện và giám sát nồng độ khí độc hại, cải thiện chất lượng không khí và bảo vệ sức khỏe con người.

4.1. Ứng dụng trong y tế

Cảm biến khí được sử dụng để phát hiện các khí sinh ra từ cơ thể, giúp chẩn đoán bệnh tật một cách nhanh chóng và chính xác.

4.2. Ứng dụng trong giám sát môi trường

Cảm biến khí giúp theo dõi nồng độ các chất ô nhiễm trong không khí, từ đó đưa ra các biện pháp bảo vệ môi trường hiệu quả.

V. Kết luận và Tương lai của Cảm Biến Khí Nano Ôxít Kim Loại Bán Dẫn

Cảm biến khí nano ôxít kim loại bán dẫn đang mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và ứng dụng. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến về hiệu suất và khả năng ứng dụng trong thực tiễn.

5.1. Xu hướng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu sẽ tiếp tục tập trung vào việc cải thiện độ nhạy và độ ổn định của cảm biến, cũng như phát triển các vật liệu mới với tính năng vượt trội.

5.2. Tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp

Cảm biến khí nano có tiềm năng lớn trong các ứng dụng công nghiệp, từ giám sát chất lượng sản phẩm đến kiểm soát ô nhiễm, góp phần vào sự phát triển bền vững.