Nghiên cứu tính chất nhạy khí của vật liệu tổ hợp nanô PEDOT:PSS và P3HT

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1. MỞ ĐẦU

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

1.2. Mục tiêu của luận án

1.3. Phương pháp nghiên cứu

1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

1.5. Các kết quả mới của luận án đạt được

1.6. Bố cục của luận án

2. VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN CẢM BIẾN TỔ HỢP NANÔ HỮU CƠ (PEDOT:PSS; P3HT) VÀ THÀNH PHẦN VÔ CƠ (TỔNG QUAN)

2.1. Giới thiệu chung về polymer dẫn điện

2.2. Các liên kết chính trong polymer

2.3. Giản đồ cấu trúc vùng năng lượng

2.4. Phân loại polymer dẫn điện

2.4.1. Polymer dẫn điện thuần khiết

2.4.2. Polymer dẫn điện tạp chất

2.5. Cảm biến khí sử dụng polymer dẫn

2.5.1. Giới thiệu chung

2.5.2. Các loại polymer và vật liệu dùng cho cảm biến nhạy khí

2.5.3. Cảm biến khí trên cơ sở màng tổ hợp nanô

2.5.3.1. Giới thiệu chung

2.5.3.2. Các nguyên lý hoạt động của cảm biến khí tổ hợp nanô

2.5.3.3. Các tiêu chí đánh giá một bộ cảm biến khí tổ hợp nanô

2.5.3.4. Phân loại cảm biến nhạy khí tổ hợp nanô trên cơ sở polymer dẫn

3. CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO MẪU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1. Chế tạo mẫu vật liệu tổ hợp

3.2. Chế tạo vật liệu graphene

3.3. Chế tạo dung dịch chứa rGO

3.4. Chế tạo màng tổ hợp nanô trên cơ sở PEDOT:PSS

3.5. Chế tạo tổ hợp trên cơ sở P3HT

3.6. Sơ đồ chế tạo hoàn chỉnh linh kiện cảm biến trên cơ sở vật liệu tổ hợp

3.7. Thiết bị thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

3.7.1. Hệ tạo plasma

3.7.2. Hệ quay phủ li tâm

3.7.3. Hệ bốc bay chân không

3.7.4. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)

3.7.5. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

3.7.6. Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)

3.7.7. Hệ nhiễu xạ tia X (XRD)

3.7.8. Hệ đo FTIR và UV-VIS

3.7.9. Phương pháp đo đặc tuyến dòng thế (I-V)

3.7.10. Xây dựng hệ đo nhạy khí. Thiết kế sơ đồ hệ đo nhạy khí. Thiết bị thu thập dữ liệu (DAQ)

3.7.11. Thiết bị đo lưu lượng dòng khí CMQ-V

3.7.12. Thiết bị đo nồng độ khí NH3 và đo độ ẩm EPA-2TH

3.7.13. Phần mềm “đo sensor 3

3.8. Các đại lượng đặc trưng của cảm biến

4. ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP POLYMER VÀ HẠT NANÔ VÔ CƠ

4.1. Hình thái học và tính chất dẫn điện của màng tổ hợp nền PEDOT:PSS

4.2. Hình thái học bề mặt của màng tổ hợp PEDOT:PSS chứa các hạt nanô vô cơ (TiO2, Ag, rGO, GQD và CNT)

4.3. Cấu tạo và tính dẫn điện của màng tổ hợp PEDOT:PSS chứa các hạt nanô TiO2, Ag và rGO

4.4. Hình thái học, cấu trúc và tính chất dẫn điện của màng tổ hợp nền hợp nền P3HT

4.5. Hình thái học của màng tổ hợp P3HT các thành phần nanô vô cơ (Ag, rGO và CNT)

4.6. Cấu trúc và tính dẫn điện của màng tổ hợp P3HT chứa AgNW và rGO +CNT

5. TÍNH CHẤT NHẠY ẨM VÀ KHÍ CỦA CẢM BIẾN CHẾ TẠO TỪ MÀNG TỔ HỢP NANÔ

5.1. Tính chất nhạy ẩm của cảm biến làm từ màng tổ hợp nền PEDOT:PSS

5.2. Tính nhạy ẩm của tổ hợp PEDOT:PSS+rGO

5.3. Tính nhạy ẩm của tổ hợp PEDOT:PSS+GQD

5.4. Khảo sát tính nhạy ẩm của tổ hợp PEDOT:PSS+GQD+CNT

5.5. Khảo sát tính nhạy ẩm của tổ hợp PEDOT:PSS+GQD+AgNW

5.6. Cảm biến khí NH3 chế tạo từ màng tổ hợp nền PEDOT:PSS

5.7. Khảo sát tính nhạy khí NH3 của tổ hợp PEDOT:PSS+nc-TiO2

5.8. Khảo sát tính nhạy khí NH3 của tổ hợp PEDOT:PSS+Ag

5.9. Khảo sát tính nhạy khí NH3 của tổ hợp PEDOT:PSS+rGO+Ag

5.10. Tính chất nhạy khí của cảm biến chế tạo từ vật liệu tổ hợp nền P3HT

5.11. Khảo sát tính nhạy khí NH3 của tổ hợp P3HT+CNT

5.12. Khảo sát tính nhạy khí NH3 của tổ hợp P3HT+rGO+CNT

5.13. So sánh tính nhạy khí NH3 của tổ hợp P3HT+rGO và P3HT+rGO+AgNW

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

I. Tổng quan về tính chất nhạy khí của vật liệu tổ hợp nanô PEDOT PSS và P3HT

Nghiên cứu về tính chất nhạy khí của vật liệu tổ hợp nanô như PEDOT:PSS và P3HT đang thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực vật liệu và cảm biến. Các vật liệu này không chỉ có khả năng dẫn điện tốt mà còn có tính nhạy khí cao, mở ra nhiều ứng dụng trong cảm biến khí. Việc hiểu rõ về cấu trúc và tính chất của chúng là rất quan trọng để phát triển các thiết bị cảm biến hiệu quả.

1.1. Giới thiệu về vật liệu tổ hợp nanô PEDOT PSS và P3HT

Vật liệu PEDOT:PSS và P3HT là hai loại polymer dẫn điện phổ biến. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng cảm biến nhạy khí nhờ vào tính chất điện và quang đặc biệt. Sự kết hợp giữa chúng với các thành phần vô cơ như rGO, CNT giúp cải thiện đáng kể tính nhạy khí của cảm biến.

1.2. Tính chất điện và quang của vật liệu tổ hợp

Các nghiên cứu cho thấy rằng tính chất điện của vật liệu tổ hợp nanô phụ thuộc vào cấu trúc và tỷ lệ pha trộn giữa PEDOT:PSS và P3HT. Sự hiện diện của các hạt nanô vô cơ cũng làm tăng cường tính chất quang, từ đó nâng cao khả năng nhạy khí của cảm biến.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu tính chất nhạy khí

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng việc nghiên cứu tính chất nhạy khí của vật liệu tổ hợp nanô vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như độ bền, tính ổn định và khả năng tái sử dụng của cảm biến cần được giải quyết để đảm bảo hiệu suất lâu dài.

2.1. Độ bền và tính ổn định của cảm biến

Độ bền của cảm biến là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của nó. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tính bền vững của vật liệu tổ hợp nanô có thể bị ảnh hưởng bởi môi trường hoạt động và thời gian sử dụng.

2.2. Khả năng tái sử dụng và hiệu suất

Khả năng tái sử dụng của cảm biến là một thách thức lớn. Việc phát triển các phương pháp làm sạch và tái sử dụng cảm biến sẽ giúp giảm chi phí và tăng hiệu quả sử dụng trong thực tế.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu tổ hợp nanô hiệu quả

Để phát triển các cảm biến nhạy khí hiệu quả, việc chế tạo vật liệu tổ hợp nanô là rất quan trọng. Các phương pháp như lắng đọng hơi hóa học (CVD) và phương pháp sol-gel đã được áp dụng để tạo ra các màng mỏng với tính chất tối ưu.

3.1. Phương pháp lắng đọng hơi hóa học CVD

Phương pháp CVD cho phép tạo ra các lớp màng mỏng với độ dày đồng đều và tính chất điện tốt. Sự kết hợp giữa PEDOT:PSS và các hạt nanô vô cơ trong quá trình này giúp cải thiện đáng kể tính nhạy khí của cảm biến.

3.2. Phương pháp sol gel

Phương pháp sol-gel là một kỹ thuật hiệu quả để chế tạo các vật liệu tổ hợp nanô. Kỹ thuật này cho phép kiểm soát tốt kích thước và hình dạng của các hạt nanô, từ đó nâng cao tính chất nhạy khí của cảm biến.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cảm biến khí từ vật liệu tổ hợp nanô

Cảm biến khí chế tạo từ vật liệu tổ hợp nanô như PEDOT:PSS và P3HT có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như môi trường, y tế và công nghiệp. Chúng có khả năng phát hiện các khí độc hại và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) với độ nhạy cao.

4.1. Ứng dụng trong phát hiện khí độc hại

Cảm biến khí từ vật liệu tổ hợp nanô có khả năng phát hiện các khí độc hại như NH3, H2S với độ nhạy cao. Điều này rất quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe con người và môi trường.

4.2. Ứng dụng trong công nghiệp

Trong ngành công nghiệp, cảm biến khí từ vật liệu tổ hợp nanô được sử dụng để giám sát chất lượng không khí và phát hiện rò rỉ khí. Điều này giúp cải thiện an toàn lao động và bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về tính chất nhạy khí của vật liệu tổ hợp nanô như PEDOT:PSS và P3HT đang mở ra nhiều triển vọng trong việc phát triển các cảm biến khí hiệu quả. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện độ bền và khả năng tái sử dụng của cảm biến.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các vật liệu mới và cải tiến quy trình chế tạo để nâng cao tính nhạy khí và độ bền của cảm biến.

5.2. Tích hợp công nghệ mới vào cảm biến

Việc tích hợp các công nghệ mới như Internet of Things (IoT) vào cảm biến khí sẽ giúp nâng cao khả năng giám sát và quản lý chất lượng không khí trong thời gian thực.

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu tính chất nhạy khí của vật liệu tổ hợp nanô PEDOT:PSS và P3HT