Nghiên Cứu Chế Tạo Vật Liệu Tổ Hợp Lai Trên Nền Vật Liệu Nano Cấu Trúc 2D

Luận án tiến sĩ vật lý nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp lai nano 2D, ứng dụng trong cảm biến khí, mở ra hướng đi mới cho công nghệ.

• Tác giả: Trần Quang Nguyên
• Người hướng dẫn: TS. Trần Quang Trung
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên Cứu Vật Liệu Nano 2D Trong Cảm Biến Khí
• 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 VỀ VẬT LIỆU NANO
• 1.1. Vật liệu 0 chiều — hạt nano vàng
• 1.2. Vật liệu 1 chiều
• 1.3. Vật liệu 2 chiều: graphene, rGO
• 1.4. Graphene, Graphene Oxide (GO) và reduced Graphene Oxide (rGO)
• 1.5. Tính chất đặc trưng của vật liệu graphene
• 1.6. Phương pháp tổng hợp vật liệu rGO
• 1.7. Vật liệu lớp phosphorene — Vật liệu 2D mới
• 1.8. Vật liệu phốt pho đen
• 1.9. Tính chất của vật liệu lớp phosphorene
• 1.10. Các phương pháp tổng hợp phốt pho đen
• 1.11. Phương pháp ngưng tụ từ pha hơi và các phương pháp tách lớp phosphorene
• 1.12. Phương pháp ăn mòn sử dụng chùm plasma, điện hóa và hóa học
• 1.13. Vật liệu hữu cơ polymer dẫn
• 1.14. Các tính chất đặc trưng của vật liệu polymer
• 1.15. Tổ hợp vật liệu nano cấu trúc đa chiều
• 1.16. Ứng dụng tổ hợp vật liệu lai vào linh kiện điện tử - cảm biến khí
• 2. CHƯƠNG 2: TIẾN TRÌNH THỰC NGHIỆM
• 2.1. Mục đích thực nghiệm
• 2.2. Tiến trình thực nghiệm
• 2.3. Quy trình chế tạo vật liệu 0D, 1D và 2D
• 2.4. Tổng hợp vật liệu hạt nano vàng, dây nano vàng, vật liệu 2D GO và rGO
• 2.5. Quy trình tổng hợp vật liệu phốt pho đen
• 2.6. Quy trình hoàn nguyên vật liệu hữu cơ polymer dẫn và tổ hợp vật liệu
• 2.7. Quy trình tổng hợp và chế tạo màng tổ hợp vật liệu vô cơ — hữu cơ
• 2.8. Chuẩn bị dung dịch và chế tạo màng tổ hợp vật liệu phosphorene và nano kim loại
• 2.9. Xây dựng hệ nung tổng hợp vật liệu phốt pho đen và hệ đo nhạy khí
• 2.10. Các bộ phận của hệ đo nhạy khí và cơ chế hoạt động
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Vật liệu hạt nano vàng
• 3.2. Vật liệu dây nano vàng
• 3.3. Vật liệu 2D - rGO: Hình thái bề mặt và các tính chất đặc trưng
• 3.4. Vật liệu 2D mới - Phosphorene: Khảo sát tính chất và hình thái
• 3.5. Vật liệu hữu cơ polymer dẫn P3HT: Khảo sát tính chất và hình thái bề mặt
• 3.6. Tổ hợp hữu cơ P3HT/CNT đa vách: Khảo sát tính chất và hình thái
• 3.7. Tổ hợp vật liệu vô cơ — hữu cơ: Khảo sát tính chất và độ nhạy khí
• 3.8. Tổ hợp vật liệu rGO/hạt nano Au: Khảo sát tính chất và độ nhạy khí
• 3.9. Tổ hợp vật liệu phosphorene/nano kim loại Au: Khảo sát tính chất và độ nhạy khí
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• MỘT SỐ CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu Nano 2D Tiềm Năng Cảm Biến Khí

Vật liệu nano 2D, với cấu trúc siêu mỏng và diện tích bề mặt lớn, đang mở ra những chân trời mới trong lĩnh vực cảm biến khí. Các vật liệu như graphene, MoS2, WS2, và phosphorene thể hiện tiềm năng vượt trội nhờ khả năng tương tác mạnh mẽ với các phân tử khí. Tính chất vật liệu nano 2D độc đáo, bao gồm độ dẫn điện cao, tính linh hoạt và khả năng tùy biến bề mặt, cho phép tạo ra các cảm biến khí nano với độ nhạy, độ chọn lọc và tốc độ phản hồi cao. Nghiên cứu này tập trung vào việc khám phá và tối ưu hóa các vật liệu nano 2D cho ứng dụng cảm biến khí môi trường, cảm biến khí y tế, và cảm biến khí công nghiệp, hướng đến các thiết bị cảm biến khí độ chính xác cao và cảm biến khí chi phí thấp.

1.1. Giới Thiệu Vật Liệu Nano 2D Graphene và Đồng Đẳng

Graphene, với cấu trúc một lớp nguyên tử carbon, là vật liệu nano 2D tiên phong, mở đường cho các nghiên cứu về ứng dụng vật liệu nano 2D. Các vật liệu tương tự như MoS2, WS2, và phosphorene, mỗi loại sở hữu tính chất đặc trưng của vật liệu nano 2D riêng, mang đến sự đa dạng trong thiết kế cảm biến khí. Việc hiểu rõ cấu trúc và tính chất của các vật liệu này là then chốt để phát triển các cảm biến khí nano hiệu quả. Theo tài liệu, graphene là cấu trúc cơ bản cho các vật liệu carbon khác (0D, 1D, 3D).

1.2. Ứng Dụng Cảm Biến Khí Từ Môi Trường Đến Y Tế

Ứng dụng cảm biến khí trải rộng trên nhiều lĩnh vực, từ giám sát chất lượng không khí đến chẩn đoán y tế. Cảm biến khí môi trường giúp phát hiện các chất ô nhiễm, trong khi cảm biến khí y tế có thể theo dõi hơi thở để phát hiện bệnh. Cảm biến khí công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu quả sản xuất. Sự phát triển của cảm biến khí IoT và cảm biến khí di động mở ra khả năng giám sát khí theo thời gian thực ở mọi nơi.

II. Thách Thức và Cơ Hội Vật Liệu Nano 2D Cảm Biến Khí

Mặc dù tiềm năng lớn, việc ứng dụng vật liệu nano 2D trong cảm biến khí vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Độ nhạy cảm biến, độ chọn lọc cảm biến, và độ ổn định cảm biến là những yếu tố cần được cải thiện. Thời gian đáp ứng cảm biến và hiệu suất cảm biến cũng là những vấn đề quan trọng. Tuy nhiên, những thách thức này cũng mở ra cơ hội cho các nghiên cứu đột phá, tập trung vào cải tiến cảm biến khí thông qua việc tối ưu hóa vật liệu, thiết kế cấu trúc, và phát triển phương pháp chế tạo vật liệu nano 2D tiên tiến.

2.1. Vấn Đề Độ Nhạy và Độ Chọn Lọc Của Cảm Biến Khí

Độ nhạy cảm biến và độ chọn lọc cảm biến là hai yếu tố then chốt quyết định khả năng phát hiện chính xác các khí mục tiêu. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy bao gồm diện tích bề mặt vật liệu, số lượng vị trí hoạt động, và tương tác khí-vật liệu. Độ chọn lọc có thể được cải thiện bằng cách sử dụng các vật liệu có ái lực đặc biệt với khí mục tiêu hoặc bằng cách kết hợp nhiều vật liệu khác nhau trong một cảm biến hybrid.

2.2. Ổn Định và Tuổi Thọ Bài Toán Khó Của Cảm Biến Nano

Độ ổn định cảm biến và tuổi thọ là những yếu tố quan trọng để đảm bảo cảm biến khí hoạt động tin cậy trong thời gian dài. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định bao gồm sự oxy hóa, sự hấp phụ các chất ô nhiễm, và sự thay đổi cấu trúc vật liệu. Các biện pháp cải thiện độ ổn định bao gồm bảo vệ vật liệu bằng lớp phủ, sử dụng vật liệu trơ, và phát triển cảm biến tự phục hồi.

III. Phương Pháp Chế Tạo Vật Liệu Nano 2D Cho Cảm Biến Khí

Việc lựa chọn phương pháp chế tạo vật liệu nano 2D phù hợp là yếu tố then chốt để tạo ra các cảm biến khí hiệu quả. Các phương pháp phổ biến bao gồm phương pháp bóc tách cơ học, phương pháp hóa học, và phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD). Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến chất lượng, kích thước, và cấu trúc của vật liệu. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa các phương pháp chế tạo vật liệu nano 2D để đạt được hiệu suất cảm biến cao nhất.

3.1. Bóc Tách Cơ Học Đơn Giản Nhưng Hiệu Quả Cho Graphene

Phương pháp bóc tách cơ học, hay còn gọi là phương pháp "băng dính", là một cách đơn giản để tạo ra graphene từ graphite. Mặc dù dễ thực hiện, phương pháp này thường cho ra các màng graphene có kích thước nhỏ và không đồng đều. Tuy nhiên, nó vẫn hữu ích cho các nghiên cứu cơ bản và thử nghiệm ban đầu.

3.2. Lắng Đọng Hơi Hóa Học CVD Kiểm Soát Tối Ưu Cấu Trúc Vật Liệu

Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) cho phép kiểm soát tốt hơn kích thước, độ dày, và cấu trúc của vật liệu nano 2D. Phương pháp này thường được sử dụng để tạo ra các màng graphene lớn và đồng đều trên các chất nền khác nhau. Tuy nhiên, CVD đòi hỏi thiết bị phức tạp và điều kiện phản ứng nghiêm ngặt.

3.3. Phương Pháp Hóa Học Tổng Hợp Vật Liệu Nano 2D Số Lượng Lớn

Phương pháp hóa học là một cách hiệu quả để tổng hợp vật liệu nano 2D với số lượng lớn. Phương pháp này thường bao gồm quá trình oxy hóa graphite thành graphene oxide (GO) và sau đó khử GO thành reduced graphene oxide (rGO). rGO có giá thành rẻ và dễ sản xuất, nhưng chất lượng thường không cao bằng graphene được tạo ra bằng các phương pháp khác.

IV. Tổ Hợp Vật Liệu Giải Pháp Nâng Cao Cảm Biến Khí Nano

Một hướng đi đầy hứa hẹn để cải thiện hiệu suất cảm biến là kết hợp vật liệu nano 2D với các vật liệu khác, tạo thành các cảm biến composite hoặc cảm biến hybrid. Việc kết hợp có thể tận dụng ưu điểm của từng vật liệu, đồng thời khắc phục những hạn chế của chúng. Các vật liệu kết hợp phổ biến bao gồm kim loại nano, oxit kim loại, và polymer dẫn điện. Nghiên cứu này tập trung vào việc khám phá các tổ hợp vật liệu nano mới cho cảm biến khí độ nhạy cao.

4.1. Vật Liệu Nano 2D và Kim Loại Nano Tăng Cường Độ Nhạy

Kết hợp vật liệu nano 2D với kim loại nano, như vàng (Au) hoặc bạc (Ag), có thể tăng cường độ nhạy cảm biến nhờ hiệu ứng plasmon bề mặt. Các hạt kim loại nano tạo ra các điểm nóng điện từ, làm tăng cường tương tác giữa vật liệu và các phân tử khí. Theo tài liệu, nano kim loại hấp phụ vào các chỗ khuyết đơn của màng graphene.

4.2. Vật Liệu Nano 2D và Polymer Dẫn Điện Cải Thiện Độ Chọn Lọc

Kết hợp vật liệu nano 2D với polymer dẫn điện có thể cải thiện độ chọn lọc cảm biến bằng cách tạo ra các lớp màng có khả năng nhận biết các khí mục tiêu cụ thể. Polymer dẫn điện có thể được thiết kế để tương tác chọn lọc với các phân tử khí, trong khi vật liệu nano 2D cung cấp khả năng dẫn điện tốt.

V. Ứng Dụng Thực Tế Cảm Biến Khí Nano Trong Đời Sống

Ứng dụng cảm biến khí dựa trên vật liệu nano 2D ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực. Cảm biến khí môi trường giúp giám sát chất lượng không khí, phát hiện rò rỉ khí độc, và kiểm soát ô nhiễm. Cảm biến khí y tế có thể được sử dụng để chẩn đoán bệnh thông qua phân tích hơi thở. Cảm biến khí công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn lao động và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Sự phát triển của cảm biến khí thông minh và cảm biến khí không dây mở ra những khả năng mới trong việc giám sát và điều khiển môi trường.

5.1. Cảm Biến Khí Môi Trường Giám Sát Chất Lượng Không Khí

Cảm biến khí môi trường dựa trên vật liệu nano 2D có thể phát hiện các chất ô nhiễm như NOx, SO2, CO, và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs). Các cảm biến này có thể được sử dụng để giám sát chất lượng không khí trong nhà, ngoài trời, và trong các khu công nghiệp.

5.2. Cảm Biến Khí Y Tế Chẩn Đoán Bệnh Qua Hơi Thở

Cảm biến khí y tế dựa trên vật liệu nano 2D có thể phát hiện các biomarker trong hơi thở, giúp chẩn đoán các bệnh như tiểu đường, ung thư phổi, và bệnh thận. Các cảm biến này có độ nhạy cao và khả năng phát hiện các chất ở nồng độ rất thấp.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Cảm Biến Khí Nano Tương Lai

Vật liệu nano 2D đã chứng minh tiềm năng to lớn trong lĩnh vực cảm biến khí. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện độ ổn định cảm biến, độ chọn lọc cảm biến, và thời gian đáp ứng cảm biến. Việc phát triển các phương pháp chế tạo vật liệu nano 2D mới và các tổ hợp vật liệu nano tiên tiến sẽ mở ra những cơ hội mới cho cảm biến khí độ chính xác cao và cảm biến khí chi phí thấp. Sự tích hợp cảm biến khí vào các thiết bị di động và hệ thống IoT sẽ mang lại lợi ích to lớn cho xã hội.

6.1. Nghiên Cứu Vật Liệu Mới MXenes và Các Vật Liệu 2D Tiềm Năng

Ngoài graphene, MoS2, WS2, và phosphorene, các vật liệu 2D mới như MXenes đang thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu. MXenes có cấu trúc tương tự như graphene, nhưng có thành phần hóa học đa dạng hơn, cho phép tùy chỉnh các tính chất điện tử và hóa học. Nghiên cứu về MXenes có thể mở ra những hướng đi mới cho cảm biến khí.

6.2. Tích Hợp Cảm Biến Khí Vào Thiết Bị Di Động và IoT

Việc tích hợp cảm biến khí vào các thiết bị di động và hệ thống IoT sẽ cho phép giám sát chất lượng không khí và sức khỏe cá nhân theo thời gian thực. Các cảm biến khí di động có thể được sử dụng để phát hiện rò rỉ khí gas, cảnh báo về ô nhiễm không khí, và theo dõi tình trạng sức khỏe của người dùng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU Sự phát triển song hành và hồ tương của khoa học va kỹ thuật đã và đang thay đổi cuộc sống của nhân loại. Các sản pham công nghệ trên nền tảng khoa học được phát minh và ứng dụng rộng rãi đã giúp cuộc sống của con người thay đôi đáng kinh ngạc trong vòng 100 năm qua. Tuy nhiên, mặt trái của tốc độ phát triển chớp nhoáng này chính là các chất thải (độc hại) từ các nhà máy công nghiệp và các tiện ích của xã hội hiện đại đã và đang ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người cũng như môi trường sinh thái. Cụ thé, các khí thải đặc thù của cuộc sống hiện dai CO›, NH3, NO, NO:.đã thải trực tiếp vào môi trường với nhiều lý do đường như phi lý như chi phí hệ thống xử lý chất thải quá tốn kém, thời gian xử lý ảnh hưởng lớn đến quá trình sản xuất.

Các khí thải này không chỉ gây ra các thảm họa tự nhiên (hiện tượng “hiệu ứng nhà kính” hay trái đất đang nóng dần lên trong thời gian gần đây.) mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của cộng đồng. Việc xác định nhanh, chính xác được chủng loại khí độc hại ảnh hưởng đến đời sông cộng đồng là van dé cấp bách và cần thiết của các quốc gia trên thé giới hiện nay. Đề thực hiện điều đó thì cảm biến khí đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống phát hiện các khí độc trong môi trường, kiểm tra độc tổ trong nguồn nước thải và bên trong thực pham. với hàm lượng thấp nhất và độ nhạy cũng như tính lọc lựa cao nhất có thé.

Cảm biến khí với độ nhạy cao đòi hỏi diện tích bề mặt hoạt hóa nhạy khí càng lớn càng tốt, trong khi đó các cảm biến khí thế hệ cũ được chế tạo từ các vật liệu khối (oxit kim loại truyền thống) trước đây mặc dù có bề mặt đáp ứng tốt khả năng nhạy khí và khả năng truyền hạt tải cao nhưng đáng tiếc vẫn không đạt được độ nhạy cao do tỷ số S/V của vật liệu khối thấp và bat tiện trong ứng dụng khi hoạt động ở nhiệt độ cao khoảng từ 200°C đến 400°C. Trong vòng 20 năm gần đây với sự phát triển của vật liệu cau trúc nano OD, 1D, 2D và 3D với các tính chất lượng tử hóa tuyệt vời đã và đang được áp dụng hữu hiệu vào các ngành khoa học kỹ thuật, đạt được các thành tựu ngoài mong đợi [1 ][2], đặc biệt với ty số S/V cực lớn, vật liệu nano rất thích hợp áp dụng vào lĩnh vực cảm biên cân diện tích bê mặt hoạt hóa cao. Tùy thuộc vào mục đích ứng dụng, các vật liệu nano OD, 1D hay 2D sẽ được lựa chọn kết hợp thành vật liệu “nano 3D” đáp ứng yêu cau cụ thé và khuynh hướng nghiên cứu này hiện dang là xu thế nghiên cứu chính của các nhà khoa học và công nghệ trên thế giới [3][4] do khả năng hoạt động ở nhiệt độ phòng của chúng [5]. Cụ thể, vật liệu graphene với diện tích bề mặt lớn, tốc độ truyền hạt tải tuyệt vời, đã được ứng dụng vào chế tạo cảm biến khí [2], mặc dù độ linh động hạt tải của graphene cao (2.s) nhưng diện tích bề mặt của mang graphene hoàn chỉnh (vài chục um?) khó lòng ứng dụng chúng vào các linh kiện kích thước vĩ mô như cảm biến (vài mm2).

Nhằm khắc phục hạn chế này, vật liệu OD, 1D như nano kim loại vàng hoặc bạc được sử dụng với vai trò như “cầu nối nano” dé liên kết các mảng graphene va tăng kha năng truyền tín hiệu ra các thiết bị ngoai Vi. Két quả là graphene với cầu nối nano kim loại cho độ nhạy khí lớn hơn rất nhiều graphene “thuần” (chồng chập của các mảng graphen). Một cau trúc “cầu nỗi” như mô tả ở trên có thé xem như là một vật liệu cấu trúc “nano 3D” đơn giản được ứng dụng vào thực tiễn. Việc kết hợp này đã được nhóm nghiên cứu Jason L.

Johnson [2] công bố khi chế tạo thành công cảm biến khí dựa trên tô hợp vật liệu lai graphene/Pd với độ nhạy khí đạt 55% ứng với nồng độ khí No trong khoảng 40 ppm đến 8000 ppm. Đồng thời nhóm tác giả Tran Quang Trung [6] đã thành công trong việc kết hợp dây nano Ag với vật liệu rGO tạo thành tô hợp vật liệu rGO/AgnWs nhằm cải thiện với độ nhạy khí NH3 với độ nhạy là 16%, vượt rội hoàn toàn so với cảm biến khí dựa trên nền vật liệu rGO “thuần” là 6%. Tuy graphene đã được nghiên cứu thành công và được ứng dụng cụ thể như nêu trên nhưng sự đa dạng ứng dụng của vật liệu graphene thuần có một số điểm hạn chế, đặc biệt trong lĩnh vực quang điện do độ rộng vùng cam E; ~ 0 ev của chúng. Trong khi đó họ vật liệu TMDC tuy có độ rộng vùng cắm khá lớn (khoảng 1-2 eV) nhưng độ linh động hat tải khá thấp (ví dụ 200 cm?/V.s đối với vật liệu MoS;) thì lại ảnh hưởng đến tính chất điện gây ra khó khăn trong việc tăng hiệu suất linh kiện cũng như truyền tín hiệu ra bên ngoài.

Trong vài năm gần đây, vật liệu lớp phosphorene (là một dang đơn lớp của vật liệu phốt pho đen) nồi lên như một ứng cử viên sáng giá trong định hướng nghiên cứu vật liệu dạng lớp 2D mới nhằm thay thế vật liệu dạng lớp 2D cũ như graphene hay họ vật liệu TMDC vì chúng có độ linh động hạt tải gần như graphene (1000 cm2/V.s) [7] nhưng đặc biệt có độ rộng vùng cắm khá lớn (0,3 eV — 2 eV phụ thuộc số lớp) và cơ chế chuyền dời trực tiếp. Trên cơ sở đó, vật liệu lớp phosphorene là vật liệu lớp 2D có thé ứng dụng thay thé cho graphene trong cấu trúc tổ hợp “lai” của cảm biến. Ngoài ra, vật liệu phosphorene còn có thé ứng dụng vào các linh kiện quang điện (do độ rộng vùng cấm lớn có thể thay đổi tùy thuộc vào số lớp và chuyên mức trực tiếp) mà graphene không thể đáp ứng [8][9]. Hiện tại, ngoài ứng dụng vào cảm biến (tỷ số S/V cao) vật liệu lớp phosphorene còn được nghiên cứu ứng dụng chế tạo các linh kiện điện tử, transistor hiệu ứng trường, pin ion lithium.đạt kết quả vượt trội so với các vật liệu hai chiều hiện tại [10][11].

Đối với quan điểm cấu trúc “nano 3D” là sự kết hợp giữa vật liệu nano 0D,ID với vật liệu lớp như phosphorene, graphene hay TMDC.đã đạt được một số thành công nhất định [12][13][14] thì việc kết hợp khung sườn polymer vào các vật liệu 0D, ID và 2D cũng là một định hướng phát triển vật liệu cấu trúc “nano 3D” mới, tổ hợp vô cơ-hữu cơ đang được day mạnh nghiên cứu nhằm da dạng hóa ứng dụng do sự phong phú về chủng loại polymer, đặc biệt là polymer dẫn. Ví dụ như sự kết hợp polymer dẫn (P3HT, PEDOSS-PSS, .) [15][16] với vật liệu 2D hoặc kết hợp cả ba polymer/2D/1D là một ý tưởng mới nhằm 6n định hơn về cấu trúc tổ hợp vật liệu, tăng cường khả năng dẫn điện của tổ hợp vật liệu mới nhờ vào tính chất nỗi trội về cau trúc vùng năng lượng HUMO và LUMO của polymer dẫn. Tất cả những sự kết hợp trên nhằm tao ra vật liệu mới dé cải thiện những hạn chế của vật liệu thuần. Từ đó, các cảm biến khí cũng như các linh kiện điện tử sẽ đạt hiệu suất cao, chịu nhiệt tốt, giá thành rẻ [17], tiêu thụ điện năng thấp và hoạt động được tại nhiệt độ phòng [18].

Tu định hướng nêu trên, đặc biệt nhằm vào mục đích ứng dụng thực tiễn, trong luận án này, chúng tôi tập trung nghiên cứu và tổng hợp các vật liệu lớp 2D như graphene (tiêu biéu là rGO) hay vật liệu lớp phosphorene, vật liệu 1D dây nano vàng và vật liệu 0D hạt vàng nano từ phương pháp hóa. Trên cơ sở vật liệu chế tạo được kết hợp với các vật liệu polymer dẫn thương phẩm P3HT và nano wire MWCNT dé tạo các cấu trúc tô hợp vật liệu lai đa chiều rGO/Au và P3HT/rGO/MWCNTs. và bước đầu ứng dụng chúng vào chế tạo cảm biến phát hiện khí độc NH: tại nhiệt độ phòng. Mặc dù mục đích chính của luận án là nghiên cứu ứng dụng nhưng chúng tôi van đạt được những kết quả nghiên cứu cơ bản khả quan, công bố trên một số tạp chí khoa học uy tín trong và ngoài nước.

Các kết quả nghiên cứu nói trên được đúc kết và trình bày theo bố cục sau: Tổng quan, Thực nghiệm & Kết quả-Thảo luận, Kết luận & định hướng phát triển % Tổng quan giới thiệu về: > Vật liệu cau trúc nano 0D,1D, 2D, đặc biệt nhân mạnh về vật liệu lớp phosphorene (Cấu trúc, tính chất của vật liệu phốt pho đen và vật liệu lớp phosphorene - Quy trình tổng hợp vật liệu phốt pho đen băng phương pháp ngưng tụ từ pha hơi và quy trình tách lớp phosphorene từ vật liệu phốt pho đen băng phương pháp hóa học) > Vật liệu nano cấu trúc đa chiều mô tả sự kết hợp giữa các vật liệu 0D, 1D và 2D với nhau và với khung sườn polymer dẫn P3HT. > Một số ứng dụng cụ thể của các tổ hợp vật liệu lai cấu trúc nano đa chiều vào chế tao cảm biến khí, diode dị thê,. thông qua phân tích các kết quả bài báo đăng trên các tạp chí uy tín ngoài nước (đặc biệt tìm hiểu về cơ chế nhạy khí của vật liệu “thuần” và vật liệu tổ hợp). > Phân tích cơ chế nhạy khí của rGO, P3HT, vật liệu lớp phosphorene và vai trò của vật liệu ID (AuNPs, AuNRs .) trong việc tăng cường khả năng nhạy khí của cảm biến khí trên nên tổ hợp vật liệu lai.

% Thực nghiệm gồm 3 công việc chính: Vật liệu > Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu 0D như hạt nano Au, 1D như dây nano NW-Au, 2D như rGO Vật liệu 2D mới > Chế tạo và nghiên cứu tính chat vật liệu lớp phosphorene (tổng hợp vật liệu phốt pho đen (black phosphorous-BP) trên thiết bị nuôi tinh thé từ pha hơi tự xây dựng và tách lớp vật liệu phốt pho đen thành các mảng phosphorene) > Tổ hợp vật liệu lai (vô cơ - vô cơ; hữu cơ — vô cơ) > Chế tạo và nghiên cứu tính chat vật liệu tô hợp nano đa chiều: Thiết lập quy trình tổng hợp các tổ hop vật liệu rGO/hat nano vàng, phosphorene/nano Au, phosphorene/dây nano Au và P3HT: rGO: MWCNT. Đặc trưng tinh chất > Khảo sát cấu trúc vật liệu, hình thái bề mặt màng và một số tình chất đặc trưng của các vật liệu cơ sở như nano Au, rGO, vật liệu lớp phosphorene .