Đại Học Quốc Gia TP. HCM: Chế Tạo và Biến Tính Bề Mặt Màng Mỏng WO3 và Chitosan:oxit Graphene

• Tác giả: Tạ Thị Kiều Hạnh
• Người hướng dẫn: GS. Phan Bách Thắng
• Trường học: Trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Khoa Học Vật Liệu
• Đề tài: Chế Tạo và Biến Tính Bề Mặt Màng Mỏng WO3 và Chitosan: Oxit Graphen
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về cảm biến sinh học
• 1.2. Cảm biến nano sinh học trên cơ sở hiệu ứng trường
• 1.3. Vật liệu oxit kim loại chuyển tiếp
• 1.4. Chitosan lai hóa với oxit graphen
• 1.5. Hợp chất dùng để biến tính bề mặt vật liệu
• 1.6. Chất thử sinh học gắn lên bề mặt vật liệu sau khi biến tính
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM
• 2.1. Phương pháp chế tạo màng mỏng WO3, Ag, Ti và CS:GO
• 2.2. Các phương pháp phân tích
• 2.3. Quy trình thực nghiệm
• 2.3.1. Quy trình chế tạo màng mỏng WO3 và điện cực Ag, Ti
• 2.3.2. Quy trình chế tạo màng mỏng CS:GO
• 2.3.3. Quy trình biến tính bề mặt màng mỏng WO3 với APTES và SA
• 2.3.4. Quy trình biến tính bề mặt màng mỏng CS:GO với APTES và SA
• 2.3.5. Quy trình gắn chất thử sinh học lên bề mặt màng mỏng trước và sau biến tính
• 2.3.6. Quy trình gắn NH2-Oligo C6-sybr green I lên bề mặt màng mỏng WO3 trước và sau biến tính
• 2.3.7. Quy trình gắn FITC lên bề mặt màng mỏng CS:GO trước và sau biến tính
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ CHẾ TẠO VÀ BIẾN TÍNH BỀ MẶT MÀNG MỎNG WO3
• 3.1. Kết quả chế tạo màng mỏng WO3
• 3.2. Giãn đồ nhiễu xạ tia X của màng mỏng WO3
• 3.3. Phổ XPS của màng mỏng WO3
• 3.4. Phổ FTIR của màng mỏng WO3
• 3.5. Đặc trưng I-V của cấu trúc TE/WO3/BE
• 3.6. Đặc trưng đảo điện trở của cấu trúc TE/WO3/BE
• 3.7. Cơ chế dẫn truyền dẫn điện tích của cấu trúc TE/WO3/BE
• 3.8. Cơ chế đảo điện trở của cấu trúc Ag/WO3/Pt và Ag/WO3/FTO
• 3.9. Cơ chế đảo điện trở của cấu trúc Ti/WO3/FTO
• 3.10. Kết quả biến tính bề mặt màng mỏng WO3
• 3.11. Kết quả phân tích phổ FTIR
• 3.12. Ảnh chụp bề mặt FE-SEM
• 3.13. Kết quả gắn chất thử sinh học NH2-C6 Oligo-sybr green I
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ CHẾ TẠO VÀ BIẾN TÍNH BỀ MẶT MÀNG MỎNG CS:GO
• 4.1. Kết quả chế tạo màng mỏng CS và CS:GO
• 4.2. Giãn đồ nhiễu xạ tia X
• 4.3. Phổ tán xạ Raman
• 4.4. Kết quả chụp ảnh TEEM
• 4.5. Kết quả chụp ảnh FE-SEM
• 4.6. Đặc trưng I-V của cấu trúc Ag/CS:GO/FTO
• 4.7. Đặc trưng đảo điện trở của cấu trúc Ag/CS:GO/FTO
• 4.8. Cơ chế đảo điện trở của cấu trúc Ag/CS:GO/FTO
• 4.9. Kết quả biến tính bề mặt màng mỏng CS, CS:GO
• 4.10. Kết quả gắn chất thử sinh học FITC
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH ẢNH

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Chế Tạo Màng Mỏng WO3 Chitosan 55 ký tự

Khoa học vật liệu và công nghệ nano đã có bước phát triển vượt bậc, mở ra nhiều ứng dụng thực tế. Trong lĩnh vực khoa học sự sống, y sinh học, và môi trường, các thế hệ cảm biến sinh học dựa trên điện hóa, hiệu ứng trường, từ tính đã được nghiên cứu rộng rãi. Các cảm biến này có vai trò quan trọng trong việc chẩn đoán sớm và nâng cao hiệu quả điều trị các bệnh nan y. Tuy nhiên, các cấu trúc cảm biến hiện tại còn gặp nhiều hạn chế về công nghệ chế tạo và khả năng tích hợp. Cộng đồng khoa học đang nỗ lực tìm kiếm giải pháp để khắc phục những hạn chế này. WO3, Chitosan và Graphene là những vật liệu tiềm năng để phát triển thế hệ cảm biến mới.

1.1. Ứng dụng màng mỏng WO3 và Chitosan trong cảm biến

Các cảm biến môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, và khí, hoạt động dựa trên các nguyên tắc hóa học và vật lý, đã được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất nông nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp và xây dựng. Tuy nhiên, các cấu trúc cảm biến này gặp giới hạn về công nghệ chế tạo và mạch tích hợp khi kích thước linh kiện điện tử ngày càng thu nhỏ. Nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới có khả năng thay đổi điện trở thuận nghịch trong cảm biến trở nhớ là một hướng đi đầy tiềm năng, đặc biệt là trong các lĩnh vực khoa học sự sống, y sinh học, nông nghiệp, môi trường, xây dựng và điện tử.

1.2. Giới thiệu chung về cảm biến trở nhớ và vật liệu WO3

Gần đây, một thế hệ cảm biến mới, cảm biến trở nhớ, có cấu trúc tụ điện đơn giản và cơ chế cảm biến dựa trên sự thay đổi điện trở thuận nghịch của lớp vật liệu điện môi khi được cấp điện thế, đã phần nào giải quyết được các hạn chế nêu trên. Thành phần chính của các loại cảm biến này là lớp vật liệu có khả năng đáp ứng với các đối tượng cần phát hiện dưới tác dụng của các kích thích như điện trường, ánh sáng, từ trường, nhiệt độ, lực cơ học,... Do đó, nghiên cứu các vật liệu có khả năng thay đổi điện trở thuận nghịch trong cảm biến trở nhớ là một hướng đi đầy tiềm năng.

II. Thách Thức Trong Chế Tạo Cảm Biến Màng Mỏng 59 ký tự

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc chế tạo cảm biến màng mỏng hiệu suất cao vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Một trong số đó là tìm kiếm vật liệu điện môi có khả năng thay đổi điện trở ổn định và nhạy bén. Các vật liệu oxit kim loại chuyển tiếp, graphene, và vật liệu hữu cơ đã được nghiên cứu, nhưng vẫn còn nhiều vấn đề về độ bền, tính chọn lọc, và khả năng tái sản xuất. Ngoài ra, việc kiểm soát cấu trúc và thành phần của màng mỏng trong quá trình chế tạo cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến. Theo Tạ Thị Kiều Hạnh, “Sự chuyển đổi điện trở thuận nghịch giữa hai trạng thái điện trở cao và điện trở thấp của các vật liệu trên không chỉ phụ thuộc vào bản chất vật liệu oxit mà còn phụ thuộc vào vật liệu điện cực…”.

2.1. Vấn đề về độ bền và tính chọn lọc của vật liệu cảm biến

Nhiều loại vật liệu nano như perovskite (SrTiO3 pha tạp Cr, ...), các oxit kim loại chuyển tiếp (ZnO, Nb2O5, Al2O3, Ta2O5, TiO2, NiO, ...), oxit graphene, vật liệu hữu cơ đã được nghiên cứu và xác định có khả năng ứng dụng làm vật liệu trở nhớ. Tuy nhiên, để ứng dụng rộng rãi, cần phải cải thiện độ bền, tính chọn lọc và khả năng tái sản xuất của các vật liệu này. Vật liệu và phương pháp chế tạo điện cực cũng đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định hiệu suất của cảm biến.

2.2. Kiểm soát cấu trúc và thành phần màng mỏng WO3 Chitosan

Quá trình chế tạo màng mỏng cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo cấu trúc và thành phần đồng nhất. Các yếu tố như nhiệt độ, áp suất, và tốc độ lắng đọng có thể ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của màng. Việc tối ưu hóa các thông số này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về quá trình hình thành màng và các phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu tiên tiến. Cần có các nghiên cứu sâu hơn về tương tác giữa WO3, Chitosan và Graphene để tạo ra vật liệu cảm biến hiệu quả.

III. Chế Tạo Màng Mỏng WO3 và Chitosan Phương Pháp 58 ký tự

Để giải quyết những thách thức trên, nhiều phương pháp chế tạo màng mỏng đã được phát triển. Trong đó, phương pháp phún xạ và lắng đọng hóa học pha hơi (CVD) là hai kỹ thuật phổ biến. Phương pháp phún xạ cho phép tạo ra màng mỏng có độ tinh khiết cao và kiểm soát tốt độ dày. CVD, mặt khác, có thể tạo ra màng mỏng trên các bề mặt phức tạp với chi phí thấp hơn. Việc lựa chọn phương pháp chế tạo phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng cảm biến. Bên cạnh đó, quá trình biến tính vật liệu cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất cảm biến. Các phương pháp biến tính bề mặt, chẳng hạn như sử dụng APTES và SA, có thể thay đổi tính chất hóa học và vật lý của màng mỏng, từ đó tăng cường khả năng tương tác với đối tượng cần phát hiện.

3.1. Kỹ thuật phún xạ trong chế tạo màng mỏng WO3

Phương pháp phún xạ là một kỹ thuật phổ biến để tạo ra màng mỏng WO3 có độ tinh khiết cao và kiểm soát tốt độ dày. Quá trình này sử dụng các ion năng lượng cao để bắn phá một mục tiêu vật liệu (target), khiến các nguyên tử hoặc phân tử vật liệu bắn ra và lắng đọng trên một bề mặt khác (substrate). Các thông số như áp suất, công suất, và nhiệt độ có thể được điều chỉnh để kiểm soát quá trình lắng đọng và chất lượng màng mỏng.

3.2. Biến tính bề mặt bằng APTES và SA để cải thiện tính chất

Quá trình biến tính bề mặt có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của cảm biến. Việc sử dụng các chất như APTES (3-Aminopropyltriethoxysilane) và SA (Succinic Anhydride) có thể tạo ra các nhóm chức năng trên bề mặt màng mỏng, tăng cường khả năng tương tác với đối tượng cần phát hiện. Ví dụ, APTES có thể tạo ra các nhóm amin, cho phép gắn kết các phân tử sinh học, trong khi SA có thể tạo ra các nhóm carboxyl, tăng cường khả năng hút ẩm.

3.3. Lắng đọng hóa học pha hơi CVD cho màng mỏng Chitosan

Lắng đọng hóa học pha hơi (CVD) là một kỹ thuật hiệu quả để tạo ra màng mỏng Chitosan. CVD sử dụng các tiền chất khí phản ứng với nhau trên bề mặt substrate ở nhiệt độ cao, tạo thành màng mỏng. Ưu điểm của CVD là khả năng tạo ra màng mỏng trên các bề mặt phức tạp và kiểm soát tốt thành phần hóa học. Quá trình CVD có thể được điều chỉnh để tạo ra màng mỏng Chitosan với các đặc tính mong muốn cho ứng dụng cảm biến.

IV. Tối Ưu Hóa Hiệu Suất Cảm Biến WO3 Chitosan Graphene 60 ký tự

Để đạt được hiệu suất cảm biến tối ưu, cần phải tối ưu hóa cấu trúc và thành phần của màng mỏng. Việc kết hợp WO3, Chitosan, và Graphene có thể tạo ra một vật liệu composite với các tính chất vượt trội. WO3 cung cấp khả năng thay đổi điện trở nhạy bén, Chitosan tăng cường khả năng tương thích sinh học, và Graphene cải thiện độ dẫn điện. Tỷ lệ pha trộn giữa các thành phần này cần được điều chỉnh cẩn thận để đạt được hiệu suất cảm biến tốt nhất. Ngoài ra, việc điều khiển kích thước và hình dạng của các hạt nano cũng là một yếu tố quan trọng. Theo nghiên cứu của Tạ Thị Kiều Hạnh, việc kiểm soát hình thái bề mặt và thành phần của màng mỏng đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao độ nhạy và tính chọn lọc của cảm biến.

4.1. Vai trò của Graphene trong cải thiện độ dẫn điện cảm biến

Graphene có độ dẫn điện cao và diện tích bề mặt lớn, làm cho nó trở thành một vật liệu lý tưởng để cải thiện hiệu suất của cảm biến. Việc tích hợp graphene vào màng mỏng WO3/Chitosan có thể tăng cường khả năng vận chuyển điện tích, giảm điện trở, và tăng độ nhạy của cảm biến. Ngoài ra, graphene cũng có thể đóng vai trò như một lớp bảo vệ, ngăn chặn sự suy giảm hiệu suất của màng mỏng theo thời gian.

4.2. Tương tác WO3 Chitosan và ảnh hưởng đến hiệu suất cảm biến

Sự tương tác giữa WO3 và Chitosan có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của cảm biến. Chitosan có thể tạo ra các liên kết hóa học với WO3, thay đổi cấu trúc điện tử và tính chất bề mặt của vật liệu composite. Việc điều khiển sự tương tác này có thể giúp tối ưu hóa độ nhạy, tính chọn lọc, và độ ổn định của cảm biến. Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế tương tác WO3-Chitosan là cần thiết để phát triển các vật liệu cảm biến hiệu quả hơn.

4.3. Ảnh hưởng của kích thước và hình dạng hạt nano đến cảm biến

Kích thước và hình dạng của các hạt nano WO3 và Graphene có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của cảm biến. Các hạt nano nhỏ có diện tích bề mặt lớn hơn, tạo ra nhiều vị trí hoạt động hơn cho quá trình cảm biến. Hình dạng của các hạt nano cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng tương tác với đối tượng cần phát hiện. Việc kiểm soát kích thước và hình dạng của các hạt nano là một thách thức lớn trong quá trình chế tạo màng mỏng, nhưng nó có thể mang lại những cải thiện đáng kể về hiệu suất cảm biến.

V. Ứng Dụng Cảm Biến WO3 Chitosan Graphene Triển Vọng 59 ký tự

Cảm biến dựa trên màng mỏng WO3, Chitosan, và Graphene có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau. Trong lĩnh vực y tế, chúng có thể được sử dụng để phát hiện sớm các bệnh ung thư, theo dõi nồng độ glucose trong máu, và phát hiện các chất ô nhiễm trong môi trường. Trong lĩnh vực môi trường, chúng có thể được sử dụng để giám sát chất lượng không khí và nước, phát hiện các khí độc hại, và theo dõi sự phát thải của các nhà máy công nghiệp. Trong lĩnh vực an ninh, chúng có thể được sử dụng để phát hiện các chất nổ và các mối đe dọa an ninh khác. Theo lời cam đoan của Tạ Thị Kiều Hạnh: “Tôi cam đoan luận án tiến sĩ ngành Khoa học Vật liệu, với đề tài chế tạo và biến tính bề mặt màng mỏng WO3 và chitosan:oxit graphen định hướng ứng dụng trong cảm biến là công trình khoa học do Tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS. Phan Bách Thắng và TS. Nguyễn Thị Liên Thương…”.

5.1. Ứng dụng trong cảm biến khí phát hiện khí độc hại

Cảm biến khí dựa trên màng mỏng WO3/Chitosan/Graphene có thể được sử dụng để phát hiện các khí độc hại như CO, NO2, và SO2 trong không khí. Các cảm biến này có độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh, cho phép giám sát chất lượng không khí một cách hiệu quả. Việc phát triển các cảm biến khí giá rẻ và dễ sử dụng có thể giúp cải thiện sức khỏe cộng đồng và bảo vệ môi trường.

5.2. Ứng dụng tiềm năng trong cảm biến sinh học phát hiện bệnh

Cảm biến sinh học dựa trên màng mỏng WO3/Chitosan/Graphene có thể được sử dụng để phát hiện các biomarker trong máu và các dịch sinh học khác, cho phép chẩn đoán sớm các bệnh ung thư, tim mạch, và các bệnh truyền nhiễm. Chitosan giúp tăng cường khả năng tương thích sinh học của vật liệu cảm biến, cho phép các phân tử sinh học tương tác một cách hiệu quả với bề mặt cảm biến. Nghiên cứu sâu hơn về ứng dụng của cảm biến WO3/Chitosan/Graphene trong lĩnh vực sinh học là cần thiết để phát triển các công cụ chẩn đoán bệnh hiệu quả hơn.

5.3. Giám sát môi trường và ứng dụng trong nông nghiệp thông minh

Cảm biến WO3/Chitosan/Graphene có thể được sử dụng để giám sát các thông số môi trường như độ ẩm, nhiệt độ, và pH trong đất, giúp tối ưu hóa việc tưới tiêu và bón phân, từ đó tăng năng suất cây trồng. Các cảm biến này có thể được tích hợp vào các hệ thống nông nghiệp thông minh, cho phép người nông dân theo dõi và điều khiển các yếu tố môi trường một cách chính xác, giảm thiểu lãng phí tài nguyên và bảo vệ môi trường.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Cảm Biến Tương Lai 58 ký tự

Nghiên cứu về chế tạo và biến tính màng mỏng WO3 và Chitosan cho ứng dụng cảm biến Graphene đã mở ra một hướng đi đầy tiềm năng trong lĩnh vực cảm biến. Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức, sự kết hợp giữa các vật liệu nano tiên tiến và các phương pháp chế tạo hiện đại hứa hẹn sẽ tạo ra các thế hệ cảm biến hiệu suất cao, giá thành thấp, và dễ sử dụng. Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc vật liệu, phát triển các phương pháp biến tính hiệu quả, và khám phá các ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau.

6.1. Hướng phát triển vật liệu composite WO3 Chitosan Graphene

Hướng phát triển chính là tập trung vào việc tạo ra các vật liệu composite WO3/Chitosan/Graphene có cấu trúc nano được kiểm soát chặt chẽ. Việc điều khiển kích thước, hình dạng, và sự phân bố của các hạt nano có thể giúp tối ưu hóa hiệu suất cảm biến. Các phương pháp chế tạo mới, chẳng hạn như in 3D và tự lắp ráp, có thể được sử dụng để tạo ra các cấu trúc cảm biến phức tạp với độ chính xác cao.

6.2. Nghiên cứu cơ chế cảm biến và tương tác vật liệu ở cấp độ nano

Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế cảm biến và sự tương tác giữa các vật liệu ở cấp độ nano là cần thiết để hiểu rõ hơn về quá trình hoạt động của cảm biến và tìm ra các phương pháp cải thiện hiệu suất. Các kỹ thuật mô phỏng máy tính và phân tích dữ liệu lớn có thể được sử dụng để hỗ trợ quá trình nghiên cứu và phát triển.

6.3. Phát triển các ứng dụng mới cho cảm biến WO3 Chitosan Graphene

Việc khám phá các ứng dụng mới cho cảm biến WO3/Chitosan/Graphene là rất quan trọng để thúc đẩy sự phát triển của công nghệ này. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm cảm biến đeo được, cảm biến tích hợp trong thiết bị di động, và cảm biến cho các ứng dụng công nghiệp. Sự hợp tác giữa các nhà khoa học, kỹ sư, và doanh nghiệp là cần thiết để đưa các sản phẩm cảm biến mới ra thị trường.