Nghiên cứu tính chất nhạy hơi acetone của vật liệu ZnO có cấu trúc phân nhánh và biến tính bề mặt

• Tác giả: Võ Thị Hận
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Vương
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên cứu tính chất nhạy hơi acetone của vật liệu ZnO có cấu trúc phân nhánh biến tính bề mặt bởi các hạt nano NiO
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Bình Định

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. KHÁI QUÁT VỀ CẢM BIẾN KHÍ
• 1.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN ĐỘ CHỌN LỌC CỦA CẢM BIẾN KHÍ
• 1.3. VẬT LIỆU ZnO VÀ NiO
• 1.3.1. Cấu trúc và các tính chất của vật liệu ZnO
• 1.3.2. Cấu trúc vật liệu ZnO
• 1.3.3. Cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu ZnO
• 1.3.4. Tính chất điện của vật liệu ZnO
• 1.3.5. Tính chất quang của vật liệu ZnO
• 1.3.6. Cấu trúc và tính chất của vật liệu NiO
• 1.4. CƠ CHẾ NHẠY KHÍ VÀ VAI TRÒ CỦA CHẤT XÚC TÁC NiO TRÊN ZnO
• 1.4.1. Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học
• 1.4.2. Cơ chế nhạy khí
• 1.4.3. Cơ chế nhạy khí của dây nano biến tính bề mặt trên cơ sở tiếp xúc dị thể p-n
• 1.4.4. Vai trò của NiO trên bề mặt ZnO
• 1.5. PHƯƠNG PHÁP ĐO CẢM BIẾN KHÍ
• 1.5.1. Phương pháp đo tĩnh
• 1.5.2. Phương pháp đo động
• 1.6. HỢP CHẤT HỮU CƠ DỄ BAY HƠI
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU
• 2.1. THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU
• 2.1.1. Hóa chất và thiết bị chế tạo mẫu
• 2.1.2. Phương pháp chế tạo vật liệu nano ZnO có cấu trúc phân nhánh
• 2.1.3. Phương pháp biến tính bề mặt ZnO bởi các hạt xúc tác NiO
• 2.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU
• 2.2.1. Phép đo nhiễu xạ tia X
• 2.2.2. Phép đo phổ tán sắc theo năng lượng
• 2.2.3. Chụp ảnh hiển vi điện tử quét
• 2.2.4. Phép đo phổ huỳnh quang
• 2.2.5. Phép đo tính chất điện và tính chất nhạy khí
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU NANO ZnO-H VÀ NiO/ZnO-H
• 3.1.1. Hình thái bề mặt và tính chất vi cấu trúc
• 3.1.2. Kết quả đo phổ nhiễu xạ tia X
• 3.1.3. Kết quả đo phổ tán sắc năng lượng
• 3.1.4. Hiển vi điện tử quét
• 3.1.5. Phổ huỳnh quang
• 3.1.6. Tính chất điện
• 3.2. TÍNH CHẤT NHẠY HƠI ACETONE CỦA CẢM BIẾN ZnO-H VÀ NiO/ZnO-H
• 3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc đến tính chất nhạy khí của cảm biến
• 3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc đến tính chất nhạy khí của cảm biến dựa trên cấu trúc phân nhánh ZnO-H
• 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc đến tính chất nhạy khí của cảm biến dựa trên cấu trúc phân nhánh ZnO biến tính bề mặt bởi các hạt nano NiO (NiO/ZnO-H)
• 3.2.4. So sánh độ hồi đáp hơi acetone của cảm biến dựa trên cấu trúc ZnO-H và cấu trúc NiO(4min)/ZnO-H
• 3.2.5. Ảnh hưởng của nồng độ NiO lên tính chất nhạy khí của lớp nhạy NiO/ZnO-H
• 3.2.6. Độ chọn lọc của cảm biến
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tính chất nhạy hơi acetone

Nghiên cứu tập trung vào tính chất nhạy hơi acetone của vật liệu ZnO biến tính bề mặt bằng hạt nano NiO. Acetone là một hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) có tác động tiêu cực đến sức khỏe con người, đặc biệt là trong việc chẩn đoán bệnh tiểu đường. Vật liệu ZnO được biến tính bề mặt bằng hạt nano NiO nhằm tăng cường độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến. Kết quả cho thấy, vật liệu ZnO biến tính có khả năng phát hiện acetone ở nồng độ thấp, phù hợp cho ứng dụng trong y tế và môi trường.

1.1. Cơ chế nhạy khí

Cơ chế nhạy khí của vật liệu ZnO biến tính bề mặt bằng hạt nano NiO dựa trên sự thay đổi độ dẫn điện khi tiếp xúc với acetone. Hạt nano NiO đóng vai trò như chất xúc tác, tăng cường phản ứng hóa học trên bề mặt ZnO, dẫn đến sự thay đổi điện trở. Quá trình này được mô tả qua sự hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học của acetone trên bề mặt vật liệu.

1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ làm việc ảnh hưởng đáng kể đến tính chất nhạy hơi acetone của vật liệu ZnO biến tính. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, ở nhiệt độ 280°C, cảm biến đạt độ nhạy cao nhất với acetone. Sự tăng nhiệt độ làm tăng tốc độ phản ứng hóa học, nhưng quá cao có thể làm giảm độ ổn định của vật liệu.

II. Vật liệu ZnO và hạt nano NiO

Vật liệu ZnO là một ô xít bán dẫn kim loại có vùng cấm rộng (~3.3 eV), được sử dụng rộng rãi trong cảm biến khí nhờ độ nhạy cao và chi phí thấp. Hạt nano NiO là vật liệu bán dẫn loại p với vùng cấm từ 3.4 đến 4.0 eV, có tính ổn định hóa học và tính chất xúc tác tốt. Sự kết hợp giữa ZnO và hạt nano NiO tạo ra cấu trúc dị thể p-n, cải thiện đáng kể hiệu suất cảm biến.

2.1. Cấu trúc và tính chất của ZnO

Vật liệu ZnO có cấu trúc tinh thể wurtzite, với tính chất điện và quang học đặc trưng. Cấu trúc phân nhánh của ZnO tăng diện tích bề mặt, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ khí. Tính chất điện của ZnO phụ thuộc vào nồng độ oxy trong tinh thể, ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhạy của cảm biến.

2.2. Vai trò của hạt nano NiO

Hạt nano NiO đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường tính chất nhạy khí của ZnO. Sự hình thành tiếp xúc dị thể p-n giữa ZnO và NiO tạo ra vùng nghèo hạt tải, làm thay đổi điện trở khi tiếp xúc với khí. Ngoài ra, NiO còn hoạt động như chất xúc tác, tăng tốc độ phản ứng hóa học trên bề mặt ZnO.

III. Phương pháp biến tính bề mặt

Phương pháp biến tính bề mặt ZnO bằng hạt nano NiO được thực hiện thông qua quá trình lắng đọng hóa học. Hạt nano NiO được phủ lên bề mặt ZnO với thời gian lắng đọng khác nhau, tạo ra các lớp nhạy có độ dày và tính chất khác nhau. Kết quả cho thấy, thời gian lắng đọng 4 phút mang lại hiệu suất cảm biến tối ưu.

3.1. Quy trình chế tạo

Quy trình chế tạo vật liệu ZnO biến tính bề mặt bằng hạt nano NiO bao gồm các bước: tổng hợp ZnO có cấu trúc phân nhánh, lắng đọng NiO lên bề mặt ZnO bằng phương pháp phun tĩnh điện, và xử lý nhiệt để ổn định cấu trúc. Các mẫu được khảo sát bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) và hiển vi điện tử quét (SEM) để đánh giá cấu trúc và hình thái bề mặt.

3.2. Ảnh hưởng của nồng độ NiO

Nồng độ hạt nano NiO ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất nhạy hơi acetone của vật liệu ZnO. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, nồng độ NiO tối ưu là 4 phút lắng đọng, mang lại độ nhạy cao nhất và thời gian đáp ứng nhanh. Nồng độ quá cao có thể làm giảm hiệu suất cảm biến do sự hình thành các lớp dày đặc, hạn chế sự khuếch tán khí.

IV. Ứng dụng và giá trị thực tiễn

Nghiên cứu về tính chất nhạy hơi acetone của vật liệu ZnO biến tính bề mặt bằng hạt nano NiO có giá trị ứng dụng cao trong lĩnh vực y tế và môi trường. Cảm biến dựa trên vật liệu này có thể được sử dụng để phát hiện acetone trong hơi thở, hỗ trợ chẩn đoán bệnh tiểu đường. Ngoài ra, nó còn có tiềm năng ứng dụng trong giám sát môi trường, phát hiện các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) trong không khí.

4.1. Ứng dụng trong y tế

Cảm biến dựa trên vật liệu ZnO biến tính có khả năng phát hiện acetone ở nồng độ thấp (dưới 1 ppm), phù hợp cho việc chẩn đoán bệnh tiểu đường. Acetone trong hơi thở là dấu hiệu sinh học quan trọng để phát hiện sớm bệnh lý này. Cảm biến này có thể được tích hợp vào các thiết bị y tế cầm tay, mang lại tiện ích cho người dùng.

4.2. Ứng dụng trong môi trường

Cảm biến ZnO biến tính cũng có tiềm năng ứng dụng trong giám sát môi trường, đặc biệt là phát hiện các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) như acetone, ethanol, và methanol. Điều này giúp kiểm soát chất lượng không khí trong nhà và ngoài trời, bảo vệ sức khỏe con người và môi trường sống.