3.2. Các kết quả đo nhạy khí
3.2.1. Đặc trưng nhạy khí của vật liệu nano α-Fe 2 O 3 pha tạp CuO
Vật liệu thanh nano α-Fe2O3 là vật liệu tiềm năng trong lĩnh vực cảm biến khí. Vật liệu nano α-Fe2O3 đang thể hiện khả năng nhạy với khá nhiều khí. Tuy vậy khuyết điểm của vật liệu này là độ nhạy với hơi cồn và khí ga không cao, khả năng chọn lọc kém, tương tác với nhiều khí thử tồn tại trong môi trường. Do đó một trong những vấn đề được quan tâm là khắc phục hai nhược điểm trên của vật liệu thanh nano α- Fe2O3.
a b
Hình 29. Đặc trưng nhạy khí theo nhiệt độ của Fe2O3 với khí LPG và hơi cồn.
Trên hình 29 cho thấy vật liệu Fe2O3 thuần nhạy với cả khí LPG và hơi cồn, và độ nhạy của chúng ở cùng điều kiện nhiệt độ là tương đối gần nhau. Như vậy, khả năng phân biệt 2 khí là rất khó khăn, có tính chọn lọc kém.
Có nhiều hướng để tác động vào vật liệu thay đổi tính chất của vật liệu như pha tạp các ôxít kim loại, tổ hợp các vật liệu với nhau, sử dụng cảm biến đa lớp.
Trong luận văn này tôi đã tiến hành pha tạp CuO vào vật liệu thanh nano α- Fe2O3, đồng thời vật liệu ôxít sắt cũng đã được tổ hợp với hạt WO3 đã được chế tạo theo qui trình chuẩn của nhóm cảm nghiên cứu.
Qua hình 30 có thể nhận thấy các mẫu vật liệu pha tạp CuO đã cải thiện đáng kể độ nhạy khi với hơi cồn và thể hiện tình bán dẫn loại n như vật liệu thuần đã được khảo sát. Cụ thể ở 350oC với nồng độ khí thử 2500 ppm thì mẫu vật liệu thuần cho độ nhạy khoảng 5,41 lần trong khi đó các mẫu pha tạp CuO theo tỉ lệ khối lượng 0,5%, 1%, 1,5%, và 2% cho độ nhạy tương ứng 14,67; 16,29; 12.72 và 11,41 lần. Như vậy khi bắt đầu pha tạp thì độ nhạy của mẫu với hơi cồn bắt đầu tăng và đạt giá trị tối ưu với tỉ lệ khối lượng pha tạp CuO là 1%. Khi tăng tỉ lệ pha tạp CuO lên 1,5% và 2% thì độ nhạy với hơi cồn lại có xu hướng giảm xuống.
Hình 30. Độ nhạy của vật liệu Fe2O3 pha tạp CuO và mẫu thuần với hơi cồn ở nồng độ 2500 ppm.
Đối với khí ga các mẫu pha tạp không cải thiện được độ nhạy, thậm chí giảm một chút, điều này thể hiện vật liệu pha tạp có xu hướng chọn lọc hơn với hơi cồn.
Đồng thời cũng nhận thấy nhiệt độ làm việc tối ưu của các mẫu pha tạp là 350oC và ở nhiệt độ làm việc này mẫu pha tạp 1% CuO. Khảo sát sự phụ thuộc của độ nhạy vào nhiệt độ làm việc để tìm ra nhiệt độ làm việc tối ưu là không thể thiếu trong quá trình nghiên cứu chế tạo cảm biến dựa trên vật liệu oxide bán dẫn. Bên cạnh đó, việc khảo sát độ nhạy phụ thuộc vào nồng độ khí cũng đã được thực hiện.
Hình 31. Đáp ứng hơi cồn ở 350oC của mẫu pha tạp 1% CuO.
Đường đáp ứng của hơi cồn ở 350oC của mẫu Fe2O3 pha tạp CuO có tỉ lệ khối lượng là 1% cũng được đưa ra. Đáp ứng của mẫu là khá ổn định với các lượng khí đưa vào lần lượt là 500; 1000; 1500; 2000; và 2500 ppm. Đường hồi phục khá tốt, chỉ trong khoảng 1-2 phút là mẫu đã về trạng thái ban đầu.
Hình 32. Sự phụ thuộc độ nhạy vào nồng độ hơi cồn của các mẫu màng ở 350oC.
Chúng ta biết rằng khảo sát sự phụ thuộc của độ nhạy vào nồng độ khí là một yếu tố rất quan trọng trong ứng dụng chế tạo cảm biến khí. Hình 32 chỉ ra sự phụ thuộc độ nhạy cảm biến trên cơ sở vật liệu thanh nano α- Fe2O3 và các vật liệu pha tạp vào nồng độ của hơi cồn tại 350oC.
Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng, độ nhạy của cảm biến phụ thuộc mạnh vào nồng độ các khí thử. Độ nhạy của cảm biến tăng khi tăng nồng độ của các khí thử.
Điều này có thể giải thích như sau: Tại mỗi nhiệt độ nhất định, khi nồng độ khí thử đi vào càng nhiều, lượng khí khuyếch tán vào màng sẽ tăng lên do đó điện trở màng giảm và độ nhạy tăng.