Luận án tiến sĩ: Tổng hợp vật liệu ZnO cấu trúc nano một chiều cho cảm biến khí NO2

• Tác giả: Hoàng Văn Hán
• Người hướng dẫn: GS. Trần Trung
• Trường học: Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học Vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu ZnO cấu trúc nano một chiều ứng dụng trong cảm biến khí NO2
• Loại tài liệu: luận án
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu tổng quan về ZnO
• 1.2. Cấu trúc tinh thể của vật liệu ZnO
• 1.3. Một số đặc tính nổi bật của vật liệu ZnO cấu trúc một chiều
• 1.4. Một số ứng dụng của vật liệu ZnO một chiều
• 1.5. Các phương pháp chế tạo số lượng lớn thanh và dây nano dạng tự do
• 1.5.1. Chế tạo nano ZnO bằng phương pháp bốc bay nhiệt
• 1.5.2. Chế tạo nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt
• 1.5.3. Chế tạo nano ZnO bằng quá trình ủ nhiệt
• 1.6. Cảm biến khí dạng độ dẫn
• 1.6.1. Khái niệm về cảm biến
• 1.6.2. Các đại lượng đặc trưng của cảm biến
• 1.6.3. Cấu tạo của cảm biến khí kiểu thay đổi điện trở
• 1.6.4. Các dạng vật liệu sử dụng của cảm biến khí
• 1.6.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính của cảm biến khí
• 1.6.6. Nguyên lý hoạt động của cảm biến khí
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Tổng hợp vật liệu nano ZnO
• 2.1.1. Chế tạo thanh nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt
• 2.1.2. Chế tạo vật liệu nano ZnO một chiều bằng phương pháp bốc bay nhiệt
• 2.1.3. Chế tạo cảm biến trên cơ sở vật liệu nano ZnO
• 2.2. Điện cực sử dụng cho cảm biến
• 2.3. Chế tạo cảm biến
• 2.3.1. Chế tạo cảm biến sử dụng dây nano biến tính bằng Nb2O5
• 2.3.2. Đo các đặc trưng của vật liệu
• 2.4. Khảo sát các tính chất cơ bản
• 2.4.1. Khảo sát các đặc trưng của cảm biến
• 2.4.2. Quy trình đo
• 2.4.3. Các tính toán cho các đặc trưng của cảm biến
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đánh giá quy trình chế tạo và nghiên cứu các tính chất cơ bản của vật liệu nano ZnO
• 3.1.1. Thanh nano ZnO chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt
• 3.1.2. Nano ZnO chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt
• 3.1.3. Đặc trưng nhạy khí của vật liệu nano ZnO
• 3.2. Lựa chọn nhiệt độ ủ của cảm biến
• 3.2.1. Tính chất nhạy khí của cảm biến sử dụng thanh nano ZnO chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt
• 3.2.2. Tính chất nhạy khí của cảm biến sử dụng dây nano ZnO chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt
• 3.2.3. Tính chất nhạy khí của cảm biến nano tetrapod ZnO chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt
• 3.2.4. Đặc trưng nhạy khí của cảm biến dây nano ZnO biến tính Nb2O5
• 3.3. Đặc trưng cơ bản của dây nano ZnO biến tính
• 3.3.1. Tính chất nhạy khí của cảm biến dây nano ZnO biến tính theo nồng độ Nb2O5 khác nhau
• 3.3.2. Phân tích, đánh giá và so sánh các loại vật liệu nano ZnO chế tạo được và đặc trưng nhạy khí của chúng
• 3.4. Vật liệu nano ZnO
• 3.4.1. Tính chất nhạy khí của các vật liệu nano ZnO
• KẾT LUẬN CHUNG
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

I. Tổng quan về vật liệu ZnO và cấu trúc nano

Vật liệu ZnO là một trong những vật liệu bán dẫn được nghiên cứu rộng rãi nhờ các đặc tính quý giá như độ rộng vùng cấm lớn, năng lượng liên kết exciton cao, và độ bền hóa học tốt. Khi chuyển sang cấu trúc nano, đặc biệt là cấu trúc nano một chiều, vật liệu ZnO thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội như tỷ lệ diện tích bề mặt lớn, giúp tăng cường khả năng hấp thụ khí và cải thiện độ nhạy của cảm biến khí. Các phương pháp tổng hợp vật liệu ZnO bao gồm phương pháp thủy nhiệt, bốc bay nhiệt, và lắng đọng hơi hóa học (CVD). Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, nhưng phương pháp thủy nhiệt và bốc bay nhiệt được ưa chuộng do tính đơn giản và hiệu suất cao.

1.1. Cấu trúc tinh thể và đặc tính của ZnO

Vật liệu ZnO có cấu trúc tinh thể dạng Wurtzite, mang lại tính chất bán dẫn và áp điện đặc trưng. Khi chuyển sang cấu trúc nano một chiều, các thanh và dây nano ZnO có diện tích bề mặt lớn, giúp tăng cường tương tác với các phân tử khí như NO2. Điều này làm cho vật liệu ZnO trở thành ứng cử viên lý tưởng cho cảm biến khí độc.

1.2. Ứng dụng của vật liệu ZnO trong cảm biến khí

Vật liệu ZnO được ứng dụng rộng rãi trong cảm biến khí, đặc biệt là cảm biến khí NO2. Nhờ khả năng nhạy cảm cao với các khí độc, vật liệu ZnO giúp phát hiện nhanh và chính xác nồng độ NO2 trong môi trường. Các nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra rằng cấu trúc nano một chiều của ZnO cải thiện đáng kể hiệu suất của cảm biến khí.

II. Phương pháp tổng hợp vật liệu ZnO cấu trúc nano

Các phương pháp tổng hợp vật liệu ZnO bao gồm phương pháp thủy nhiệt, bốc bay nhiệt, và lắng đọng hơi hóa học (CVD). Phương pháp thủy nhiệt được ưa chuộng do tính đơn giản và khả năng tạo ra số lượng lớn vật liệu nano trong thời gian ngắn. Phương pháp bốc bay nhiệt cũng được sử dụng rộng rãi nhờ khả năng kiểm soát kích thước và hình dạng của cấu trúc nano. Cả hai phương pháp đều không yêu cầu sử dụng kim loại quý hiếm, giúp giảm chi phí sản xuất.

2.1. Phương pháp thủy nhiệt

Phương pháp thủy nhiệt sử dụng dung dịch nước ở nhiệt độ và áp suất cao để tổng hợp vật liệu ZnO. Quá trình này cho phép tạo ra các thanh nano ZnO với kích thước đồng đều và độ tinh khiết cao. Phương pháp này phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm ở Việt Nam do chi phí thấp và dễ thực hiện.

2.2. Phương pháp bốc bay nhiệt

Phương pháp bốc bay nhiệt dựa trên nguyên lý bay hơi và ngưng tụ của các nguyên liệu ở nhiệt độ cao. Phương pháp này cho phép tạo ra các dây nano ZnO với độ tinh khiết cao và khả năng kiểm soát hình dạng tốt. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi thiết bị chuyên dụng và điều kiện nhiệt độ cao.

III. Ứng dụng của vật liệu ZnO trong cảm biến khí NO2

Vật liệu ZnO được sử dụng rộng rãi trong cảm biến khí NO2 nhờ khả năng nhạy cảm cao với các phân tử khí độc. Các nghiên cứu chỉ ra rằng cấu trúc nano một chiều của ZnO giúp tăng cường độ nhạy và độ ổn định của cảm biến khí. Các thử nghiệm thực tế cho thấy cảm biến khí NO2 sử dụng vật liệu ZnO có thể phát hiện nồng độ NO2 ở mức ppm với độ chính xác cao.

3.1. Đặc tính nhạy khí của vật liệu ZnO

Vật liệu ZnO có khả năng nhạy cảm cao với NO2 nhờ cơ chế hấp thụ khí trên bề mặt. Khi NO2 tương tác với bề mặt ZnO, điện trở của vật liệu thay đổi, giúp phát hiện nồng độ khí. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng cấu trúc nano một chiều giúp tăng cường hiệu suất của cảm biến khí.

3.2. Thử nghiệm và đánh giá hiệu suất cảm biến

Các thử nghiệm thực tế cho thấy cảm biến khí NO2 sử dụng vật liệu ZnO có thể phát hiện nồng độ NO2 ở mức ppm với độ chính xác cao. Các kết quả đo lường cũng chỉ ra rằng cảm biến có độ ổn định tốt và thời gian đáp ứng nhanh, phù hợp với các ứng dụng thực tế.