Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo ống nano cacbon bằng phương pháp CVD ứng dụng làm cảm biến ...

• Tác giả: Nguyễn Quang Lịch
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hữu Lâm
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu Điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo ống nano cacbon bằng phương pháp CVD ứng dụng làm cảm biến khí NH3
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ỐNG NANÔ CÁC BON
• 1.1. Giới thiệu về ống nanô các bon
• 1.1.1. Lịch sử phát hiện
• 1.1.2. Cấu trúc của ống nanô các bon
• 1.1.3. Một số tính chất của ống nanô các bon
• 1.1.3.1. Tính chất cơ học
• 1.1.3.2. Tính chất điện
• 1.1.3.3. Tính chất nhạy khí và khả năng hấp phụ
• 1.1.4. Cơ chế hình thành ống nanô các bon
• 1.1.4.1. Cơ chế hình thành CNT không có hỗ trợ xúc tác
• 1.1.4.2. Cơ chế hình thành CNT có sự hỗ trợ của hạt xúc tác
• 1.1.5. Một số phương pháp tổng hợp ống nanô các bon
• 1.1.5.1. Phương pháp phóng điện hồ quang
• 1.1.5.2. Phương pháp tổng hợp bằng chùm tia laze
• 1.1.5.3. Phương pháp nghiền bi và ủ nhiệt
• 1.1.5.4. Phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi (CVD)
• 1.1.5.5. Một số phương pháp làm sạch CNT
• 1.1.5.5.1. Làm sạch bằng phương pháp hóa học
• 1.1.5.5.2. Làm sạch bằng phương pháp vật lý
• 1.1.6. Các phương pháp khảo sát cấu trúc vật liệu CNT
• 1.1.6.1. Phổ micrô Raman của CNT
• 1.1.6.2. Kính hiển vi điện tử
• 1.1.7. Một số ứng dụng của CNT
• 1.1.7.1. Ứng dụng làm nguồn phát xạ điện tử
• 1.1.7.2. Ứng dụng làm linh kiện tích trữ năng lượng
• 1.1.7.3. Ứng dụng CNT làm vật liệu gia cường composite
• 1.1.7.4. Ứng dụng CNT làm đầu dò kính hiển vi điện tử quét đầu dò
• 1.1.7.5. Ứng dụng CNT để làm cảm biến
• 2. CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN KHÍ NH3 TRÊN CƠ SỞ ỐNG NANÔ CÁC BON
• 2.1. Khái niệm cảm biến khí và các thông số đặc trưng
• 2.1.1. Giới thiệu, phân loại cảm biến khí
• 2.1.2. Các thông số đặc trưng
• 2.2. Cảm biến khí NH3 trên cơ sở ống nanô các bon
• 2.2.1. Cảm biến kiểu điện trở
• 2.2.2. Cảm biến kiểu tụ
• 2.2.3. Cảm biến kiểu transistor trường
• 2.2.4. Cảm biến khí ion hóa trên cơ sở ống nanô các bon
• 2.3. Cơ chế nhạy khí của vật liệu CNT
• 2.4. Thiết bị sử dụng để tổng hợp CNT và khảo sát cảm biến
• 2.4.1. Hệ bốc bay bằng chùm điện tử (E-Beam Evaporation)
• 2.4.2. Hệ CVD nhiệt
• 2.4.3. Hệ khảo sát đặc tính nhạy khí sử dụng thiết bị đo dòng áp Keithley
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ NH3 CỦA ỐNG NANÔ CÁC BON
• 3.1. Tổng hợp CNT sử dụng làm cảm biến khí
• 3.1.1. Nghiên cứu và chế tạo điện cực cảm biến khí
• 3.1.2. Tạo màng nhạy khí – tổng hợp CNT trên điện cực răng lược
• 3.2. Kết quả khảo sát cảm biến khí trên cơ sở CNT thuần
• 3.2.1. Kết quả khảo sát trên điện cực Pt đế SiO2/Si
• 3.2.2. Kết quả khảo sát trên điện cực Pt đế Al2O3
• 4. CHƯƠNG 4: TĂNG CƯỜNG TÍNH NHẠY KHÍ NH3 TRÊN CƠ SỞ MÀNG CNT PHỦ NANÔ KIM LOẠI
• 4.1. Hình thái cấu trúc của lớp màng nhạy khí CNT phủ các hạt nanô của một số kim loại (Co, Ag, Pt và Au)
• 4.2. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) của lớp màng nhạy khí CNT phủ các hạt nanô của một số kim loại (Co, Ag, Pt và Au)
• 4.3. Đặc trưng nhạy khí của cảm biến trên cơ sở màng CNT phủ các hạt nanô của một số kim loại (Co, Ag, Pt và Au)
• 4.3.1. Kết quả khảo sát đặc trưng nhạy khí của vật liệu CNT phủ 2 nm kim loại Co, Ag, Pt và Au
• 4.3.2. Kết quả khảo sát đặc trưng nhạy khí của vật liệu CNT phủ 4 nm kim loại Co, Ag, Pt và Au
• 4.3.3. So sánh đặc trưng nhạy khí của vật liệu CNT/(Co, Ag, Pt, Au)4nm và CNT/(Co, Ag, Pt, Au) 2 nm
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Tóm tắt

I. Giới thiệu về ống nano cacbon và phương pháp CVD

Ống nano cacbon (CNT) là một trong những vật liệu nano tiên tiến nhất, được nghiên cứu rộng rãi nhờ các tính chất cơ học, điện và hóa học đặc biệt. Phương pháp CVD (Chemical Vapor Deposition) là kỹ thuật phổ biến để chế tạo CNT, cho phép kiểm soát cấu trúc và tính chất của vật liệu. Phương pháp này sử dụng các khí hydrocarbon như nguồn carbon và các hạt xúc tác kim loại để thúc đẩy quá trình hình thành ống nano. Nghiên cứu khoa học về CNT đã mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng, đặc biệt trong lĩnh vực cảm biến khí.

1.1. Cấu trúc và tính chất của ống nano cacbon

CNT có cấu trúc hình ống được tạo thành từ các nguyên tử carbon sắp xếp theo mạng lục giác. Cấu trúc này mang lại các tính chất cơ học vượt trội, độ bền cao và khả năng dẫn điện tốt. Tính chất nhạy khí của CNT là một trong những đặc điểm quan trọng, cho phép chúng phản ứng với các phân tử khí như NH3. Điều này làm cho CNT trở thành vật liệu lý tưởng để chế tạo cảm biến khí.

1.2. Quy trình CVD trong chế tạo CNT

Quy trình CVD bao gồm các bước: chuẩn bị chất nền, phủ xúc tác kim loại, và phản ứng hóa học giữa khí hydrocarbon và xúc tác ở nhiệt độ cao. Quá trình này cho phép tạo ra CNT với độ tinh khiết cao và kiểm soát được kích thước, hình dạng. Công nghệ nano đã tận dụng CVD để sản xuất CNT với số lượng lớn, phục vụ cho các ứng dụng thực tiễn.

II. Ứng dụng ống nano cacbon làm cảm biến khí NH3

Cảm biến khí NH3 dựa trên CNT là một trong những ứng dụng quan trọng của vật liệu nano. CNT có khả năng phát hiện khí NH3 ở nồng độ thấp nhờ sự thay đổi điện trở khi tiếp xúc với khí. Cảm biến hóa học này hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ phòng, khắc phục nhược điểm của các cảm biến truyền thống dựa trên oxit kim loại.

2.1. Cơ chế nhạy khí của CNT

Khi khí NH3 tiếp xúc với bề mặt CNT, các phân tử khí sẽ hấp phụ lên bề mặt ống nano, gây ra sự thay đổi điện trở. Cơ chế nhạy khí này dựa trên sự tương tác giữa các phân tử khí và cấu trúc carbon của CNT. Điều này làm cho CNT trở thành vật liệu lý tưởng để phát hiện khí NH3 với độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh.

2.2. Thiết kế và chế tạo cảm biến

Cảm biến được thiết kế dựa trên cấu trúc điện cực răng lược, với CNT được tổng hợp trực tiếp trên bề mặt điện cực bằng phương pháp CVD. Kỹ thuật chế tạo này đảm bảo độ đồng đều và ổn định của cảm biến. Các thử nghiệm cho thấy cảm biến có khả năng phát hiện khí NH3 ở nồng độ thấp đến vài ppm, đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng thực tế.

III. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của ống nano cacbon trong việc phát hiện khí NH3. Cảm biến dựa trên CNT có độ nhạy cao, tính chọn lọc tốt và hoạt động ổn định ở nhiệt độ phòng. Ứng dụng công nghệ này có thể được mở rộng trong các lĩnh vực như giám sát môi trường, an toàn công nghiệp và y tế.

3.1. Đánh giá hiệu suất cảm biến

Các thử nghiệm đã được tiến hành để đánh giá hiệu suất của cảm biến. Kết quả cho thấy cảm biến có thể phát hiện khí NH3 ở nồng độ thấp với độ chính xác cao. Vật liệu nano như CNT đã chứng minh được tiềm năng lớn trong việc thay thế các vật liệu truyền thống.

3.2. Triển vọng ứng dụng

Cảm biến dựa trên CNT có thể được tích hợp vào các hệ thống giám sát khí độc trong công nghiệp và môi trường. Công nghệ nano tiếp tục mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển các thiết bị cảm biến tiên tiến, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội.