1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính nhạy khí
1.5.1. Ảnh hưởng của kích thước hạt
Một cảm biến khí bán dẫn đòi hỏi phải thực hiện được hai chức năng: cảm nhận và chuyển đổi. Chức năng cảm nhận cho phép cảm biến nhận dạng và xác định một thành phần khí hóa học. Trong khi đó, chức năng chuyển đổi cho phép cảm biến chuyển các tín hiệu hóa học (các phản ứng hóa học, chẳng hạn làm thay đổi công thoát của vật liệu) thành tín hiệu điện. Các điện tử bị bứt ra thông qua phản
ứng hóa học được dẫn xuyên qua vật liệu. Do đó, hai chức năng này chịu ảnh hưởng quan trọng bởi các đặc tính bề mặt của vật liệu [47]. Cụ thể như hình 1.12 như sau:
Hình 1.12. Các chức năng và những yếu tố ảnh hưởng đến chúng trong một cảm biến khí[63].
• Chức năng cảm nhận (hình 1.12a) liên quan tới khả năng bề mặt oxit tương tác với khí cần dò. Những đặc tính hóa học, đặc trưng oxi hóa-khử của lớp oxi trên bề mặt là nhân tố chính ảnh hưởng đến chức năng này.
Nhằm tăng cường khả năng hấp phụ oxi, người ta sử dụng các loại chất xúc tác (như kim loại quý, các oxit mang tính axit hoặc baz) lắng đọng trên bề mặt vật liệu.
• Chức năng chuyển đổi (hình 1.12b) chuyển các tín hiệu hóa học (trong các phản ứng hóa học) thành tín hiệu điện. Các điện tử bứt ra thông qua phản ứng hóa học được dẫn xuyên qua vật liệu. Lúc này, độ linh động của hạt tải đóng vai trò chủ chốt. Khi các điện tử này vượt qua hàng rào thế năng gây ra bởi vùng điện tích không gian thì vi cấu trúc của các cảm biến này đóng một vai trò quan trọng trong việc điều khiển chức năng chuyển đổi. Tầm ảnh hưởng của rào thế này đối với các electron dẫn phụ
thuộc nhiều vào tỉ lệ giữa bề dày vùng nghèo LSC với kích thước hạt D [47] như sẽ phân tích trong phần dưới đây.
Trong cảm biến khí bán dẫn, các hạt kết tinh liên kết với nhau thông qua “cổ hạt” tiếp xúc tạo thành những hạt lớn hơn. Những hạt lớn hơn này lại liên kết với những hạt tương tự thông qua tiếp xúc biên hạt. Khi đặt trong môi trường không khí, lớp oxi hấp phụ tạo một vùng điện tích không gian bao quanh các hạt vật liệu.
Độ rộng vùng điện tích không gian LSC có thể được xác định bởi công thức (1.5):
12
D 2
B
SC q N
T
L εk ⎟⎟
⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
=⎛
Hình 1.13. Mô hình biểu diễn kích thước hạt của màng nhạy khí lớn hơn độ rộng vùng nghèo (D>>2LSC), hình thành rào thế tại vị trí biên hạt.
Khi kích thước hạt rất lớn (D >> 2LSC), các electron dẫn di chuyển tự do bên trong hạt và chỉ phải vượt qua được hàng rào thế năng gây ra bởi vùng nghèo điện tích ở chỗ tiếp xúc biên hạt (hình 1.13). Trong trường hợp này, điện trở của sensor khí được xác định thông qua điện trở được cho bởi chỗ tiếp xúc biên hạt. Như vậy, khi kích thước hạt rất lớn so với vùng nghèo (D>>2LSC), độ nhạy của bán dẫn oxit không phụ thuộc vào kích thước hạt.
Khi kích thước hạt giảm, vùng nghèo thâm nhập sâu hơn vào bên trong mỗi hạt kết tinh. Khi kích thước hạt xấp xỉ độ rộng vùng nghèo (D ≥ 2LSC), vùng nghèo sẽ hình thành các “eo” tại mỗi vị trí cổ tiếp xúc bên trong mẫu, làm tiết diện di
chuyển của điện tử trong hạt bị thu hẹp lại (hình 1.14). Vì thế, các electron dẫn phải vượt qua các hàng rào thế năng tại những “eo” này lẫn rào thế tại vị trí biên hạt. Lúc này điện trở của sensor khí được xác định chủ yếu bởi điện trở cổ tiếp xúc. Khi kích thước các “eo” xấp xỉ bằng kích thước hạt thì độ nhạy của cảm biến phụ thuộc vào kích thước hạt .
Hình 1.14. Mô hình biểu diễn kích thước hạt tương đương với độ rộng vùng nghèo D ≥ 2LSC, hình thành các “eo” tại vị trí cổ tiếp xúc.
Khi kích thước hạt giảm xuống nhỏ hơn nữa (D < 2LSC), toàn bộ hạt kết tinh sẽ không có electron tự do. Vùng nghèo lúc đó thâm nhập hoàn toàn vào bên trong hạt. Điện trở của vật liệu lúc này được xác định chủ yếu thông qua các phản ứng oxi hóa khử trên bề mặt màng. Kết quả là khi D < 2LSC, độ nhạy của sensor khí tăng lên và độ nhạy bị chi phối bởi kích thước hạt (hình1.15).
Hình 1.15. Mô hình biểu diễn kích thước hạt nhỏ hơn độ rộng vùng nghèo (D<2LSC), hình thành vùng nghèo bên trong hạt làm điện trở của cảm biến tăng
lên.
Độ nhạy S được diễn tả bằng biểu thức liên hệ giữa độ thay đổi về độ dẫn với độ thay đổi nồng độ hạt mang điện và độ dài Debye cho bởi biểu thức:
S = ΔG/Go = (Δn/no)LSC (1.21) Vì thế, độ nhạy trong điều kiện tốt nhất đạt được khi kích thước hạt nhỏ, độ dài Debye lớn (hình 1.16), và liên hệ với nồng độ hạt mang điện thấp. Ngoài ra, nồng độ hạt mang điện và độ linh động cũng phụ thuộc mạnh vào kích thước hạt cũng như cấu trúc điện tử của các tương tác oxit-oxit và khí-oxit.
Hình 1.16. Đồ thị biểu diễn độ nhạy phụ thuộc vào kích cỡ hạt của vật liệu và các cơ chế điều khiển chiếm ưu thế.