CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1. Màng ZnO không pha tạp
3.1.2. Khảo sát sự thay đổi điện trở mặt theo nhiệt độ và theo nồng độ khí
Sau khi khảo sát cấu trúc màng dựa theo phổ XRD, chúng tôi tiến hành khảo sát sự thay đổi điện trở mặt của mẫu ZnO theo nhiệt độ và theo nồng độ khí ethanol.
Kết quả được trình bày trong hình 3.6 và hình 3.7.
Điện trở theo nhiệt độ của ZnO
0 50 100 150 200
0 100 200 300 400 500
Nhiệt độ (oC)
Điện trở (Mohm)
Hình 3.6. Đồ thị điện trở theo nhiệt độ của mẫu ZnO.
Từ đồ thị điện trở theo nhiệt độ (hình 3.6), ta thấy điện trở của mẫu ZnO giảm nhanh khi nhiệt độ tăng từ nhiệt độ phòng đến 150oC, thay đổi chậm qua cực tiểu trong khoảng nhiệt độ 160oC đến 250oC và tăng nhanh tại nhiệt độ khoảng từ 250oC đến 350oC, sau đó, điện trở có xu hướng giảm xuống.
Từ đồ thị điện trở theo nhiệt độ trên, chúng tôi đã xác định, điện trở của màng tăng trong khoảng nhiệt độ từ 300-350oC, liên quan đến quá trình hấp phụ và chuyển hóa oxi trên bề mặt, chính là quá trình đóng vai trò then chốt trong cơ chế dò khí của vật liệu ZnO. Chúng tôi đã đo độ nhạy tại dải nhiệt độ từ 200-350oC nhằm kiểm chứng kết quả này. Kết quả độ nhạy được cho bởi hình 3.7.
Độ nhạy của màng ZnO ở các nhiệt độ khác nhau
1 3 5 7 9 11
0 100 200 300 400
Nồng độ (ppm)
Độ nhạy S(Ra/Rg)
200 250 300 350
Độ nhạy theo nhiệt độ của màng ZnO
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
150 200 250 300 350 400
Nhiệt độ (oC)
Độ nhạy (S)
50 ppm 300 ppm
a) b)
Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn độ nhạy của màng ZnO với hơi ethanol a) ở các nồng độ khác nhau và b) ở các nhiệt độ hoạt động khác nhau.
Từ hình 3.7a, ta thấy độ nhạy của mẫu ZnO không pha tạp tăng tuyến tính theo nhiệt độ hoạt động từ 200-350oC. Kết quả này khá trùng khớp với các tài liệu [42] [60] tham khảo được. Mẫu đạt độ nhạy tối ưu tại 350oC với giá trị khoảng 8,2 ứng với nồng độ khí 300ppm và khoảng 3 ứng với 50ppm ethanol.
Độ nhạy khí của vật liệu có thể giải thích thông qua đồ thị điện trở theo nhiệt độ (hình 3.6), qua đó ta thấy màng hấp phụ và chuyển hóa khí oxi tối đa thành O- ở khoảng nhiệt độ 300-350oC. Quá trình thay đổi điện trở theo nhiệt độ được giải thích như sau:
• Ban đầu điện trở giảm khi tăng nhiệt là do bản chất thay đổi độ dẫn điện của chất bán dẫn theo nhiệt độ (công thức 1.22). Khi cung cấp nhiệt lượng, số hạt tải trong bán dẫn tăng lên, làm tăng độ dẫn điện.
• Tại vùng nhiệt độ khoảng từ 160oC đến 250oC, điện trở không thay đổi nhiều, nguyên nhân là do lúc này đang có sự cạnh tranh giữa sự tăng các hạt tải điện
do nhiệt trong bán dẫn (có xu hướng làm giảm điện trở) với sự hấp phụ oxi không khí tạo thành O-, sự giải hấp hơi nước và các khí khác bám trên bề mặt màng (làm tăng điện trở).
• Điện trở mặt của mẫu tăng khi nhiệt độ tăng từ 250oC đến 350oC là do quá trình hấp phụ và chuyển hóa oxi cũng như hơi nước trên bề mặt màng. Quá trình oxi hấp phụ chuyển hóa được biểu diễn bởi phương trình 1.3.
Trong quá trình này, O2 hấp phụ trên bề mặt màng lấy điện tử dẫn từ khối để thực hiện quá trình chuyển hóa, quá trình này làm nồng độ hạt tải tự do trong màng giảm đáng kể dẫn đến điện trở của màng tăng cao. Đây chính là khoảng nhiệt độ hoạt động tốt của màng.
Giá trị điện trở càng cao trong khoảng nhiệt độ 200-350oC ứng với khả năng hấp phụ O2 và chuyển đổi thành O- càng nhiều, từ đó gia tăng quá trình phản ứng với khí ethanol. Quá trình dò khí rượu được mô tả bởi các phương trình sau [60]:
C2H5OH(k) ặ CH3CHO(k) + H2(k) (oxit cú tớnh bazơ) (3.1) C2H5OH(k) ặ C2H4(k) + H2O(k) (oxit cú tớnh axit) (3.2) Sản phẩm của phản ứng phân ly tiếp tục phản ứng với O- hấp phụ trên bề mặt theo phản ứng:
CH3CHO+5O-(hấp phụ) ặ 2CO2+2H2O+5e- (3.3)
C2H4+6O-(hấp phụ) ặ 2CO2+2H2O+6e- (3.4)
Như vậy, màng ZnO không pha tạp có khả năng nhạy với khí ethanol tốt nhất ở 350oC, với giá trị độ nhạy vào khoảng 8,2 ứng với nồng độ 300ppm.
Về bản chất, khả năng nhạy khí của màng ZnO là do sự tương tác giữa oxi hấp phụ hóa học (dạng O-) và khí ethanol trên bề mặt màng. Do đó sự phản ứng sẽ đạt tối đa tại vùng nhiệt độ tồn tại nhiều nồng độ O- trên bề mặt nhất, chính là ở 350oC trong các thí nghiệm trên đây. Nếu nhiệt độ tăng quá lớn (> 350oC), quá trình giải hấp các ion oxi bắt đầu xảy ra dẫn đến độ nhạy giảm [8] [40] [57].