5. Cấu trúc của luận văn
1.4.2. Cảm biến khí dựa vào vật liệu ZnO có cấu trúc nano
* Cảm biến dựa trên nền vật liệu nano ZnO là cảm biến kiểu độ dẫn (kiểu điện trở)
Cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở của lớp vật liệu khi có sự hấp phụ các loại khí. Khí được phát hiện và đo đạt như sau: đặt vào hai cực cảm biến một hiệu điện thế không đổi, so sánh cường độ dòng điện chạy qua
33
cảm biến khi không có khí và khi có khí hấp phụ lên vật liệu. Đối với mỗi cảm biến thì sự thay đổi dòng điện (hoặc quy đổi sang điện trở) đối với mỗi loại khí khác nhau là khác nhau.
* Cơ chế nhạy khí của bán dẫn ZnO
Cảm biến bán dẫn oxit kim loại là các thiết bị đo độ dẫn (điện trở), vì vậy, sự biến đổi độ dẫn điện (điện trở suất) của phần tử nhạy cảm là một biến liên quan đến nồng độ của các loại VOCs [11].
Điện trở của oxit kim loại chịu ảnh hưởng của các phản ứng bề mặt bao gồm sự trao đổi điện tử giữa chất oxi hóa và oxit kim loại. Oxi có trong không khí hấp phụ lên bề mặt của oxit kim loại bán dẫn ở dạng ion như O2-(ads), O-
(ads), O2-
(ads). Hấp phụ hóa học là một quá trình hoạt hóa năng lượng mà mỗi loại ion
oxy yêu cầu nhiệt độ khác nhau để liên kết lên các hạt trên bề mặt cảm biến. O2-
(ads) đòi hỏi năng lượng kích hoạt cao, vì vậy cần có nhiệt độ cao hơn các
loại ion còn lại. Đặc biệt, ở nhiệt độ thấp hơn 400°C, điều kiện mà hầu hết cảm biến VOCs dựa trên nền oxit kim loại hoạt động thì O-
(ads) là loại chiếm ưu thế
[11].
Cơ chế hoạt động của cảm biến khí về cơ bản được giải thích bằng lý thuyết uốn cong dải năng lượng. Khi các phân tử O2 được hấp phụ trên bề mặt các hạt oxit kim loại, chúng sẽ tách các electron khỏi dải dẫn bằng cách bẫy các điện tích của các hạt bề mặt dưới dạng ion. Từ quan điểm thực nghiệm, có thể giả định rằng sự di chuyển của các electron từ phần khối các hạt đến bề mặt của chúng dẫn đến sự hình thành các lỗ trống trong khối và tích điện âm trên bề mặt vật liệu. Điều này dẫn đến sự hình thành một vùng thiếu điện tử, được gọi là lớp nghèo điện tử, vì vậy dải năng lượng bị uốn cong. Giữa các hạt, sự tiếp xúc của hai vùng nghèo tạo nên một năng lượng tiếp xúc được gọi là hàng rào thế Schottky, độ cao hàng rào phụ thuộc vào độ dẫn của vật liệu. Oxi hấp phụ trên bề mặt phản ứng với VOCs hấp phụ có thể thay đổi độ rào thế Schottky, dẫn đến sự thay đổi độ dẫn. Do độ cao của hàng rào thế liên quan trực tiếp đến
34
số lượng phân tử phản ứng với oxit kim loại ở bề mặt nên sự thay đổi thông số điện của cảm biến (điện trở, dòng điện) có thể được sử dụng làm thông số để đo nồng độ của các loại VOCs [11].
Bán dẫn nano ZnO là bán dẫn loại n do sai hỏng khuyết oxy trong mạng tinh thể, mỗi vị trí khuyết sẽ thừa điện tử, điện tử này không tham gia liên kết với nút mạng nên trở thành điện tử dẫn (hạt tải điện cơ bản) của bán dẫn ZnO.
Hình 1.12. Cơ chế nhạy khí của bán dẫn nano ZnO. (a) là cơ chế nhạy khí của ZnO; (b) là đồ thị điện trở theo thời gian của cảm biến ZnO
Oxy trong môi trường sẽ hấp phụ trên bề mặt vật liệu lấy đi điện tử của vật liệu thành O- làm cho nồng độ điện tử trong vật liệu giảm, điện trở vật liệu tăng lên. Khi cho vật liệu tiếp xúc với khí khử, khí khử sẽ tác dụng với O- hấp phụ trên bề mặt và trả lại điện tử cho vật liệu, nồng độ điện tử trong vật liệu tăng, điện trở vật liệu giảm xuống.