Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí H2 và H2S trên cơ sở màng SnO2 biến tính đảo xúc tác micro-nano (TT)

1. Ý nghĩa của luận án MỞ ĐẦU Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của các ngành nghề khác nhau bao gồm công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải v.v. đã đem lại những ích kinh tế to lớn cho xã hội, tuy nhiên chúng cũng kéo theo những mặt trái mà ai cũng nhận ra bao gồm sự ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên trầm trọng. Đặc biệt, vấn đề ô nhiễm không khí do các khí độc thải ra từ những nhà máy, khu công nghiệp, khu chăn nuôi gia súc, các phương tiên giao thông vận tải, và các hoạt động xã hội khác của con người đang là một vấn đề hết sức nan giải được cả xã hội quan tâm. Khi tiếp xúc với các chất khí độc hại như H 2 S, CO, NO 2 , H 2 , CO 2 , LPG, NO [36, 59,73] tồn tại trong môi trường không khí chúng có thể gây ra những ảnh hưởng tực tiếp đến sức khỏe con người như đau đầu, chóng mặt hoặc thậm chí là tử vong. Ngoài ra các khí độc và khí dễ cháy nổ này còn là một trong những tác nhân gây nên hiện tượng cháy nổ, mưa a xít, ăn mòn và phá hủy các công trình xây dụng, gây thiệt hại về kinh tế và con người. Quan trắc, điều khiển nhằm giảm thiểu sự ảnh hưởng tiêu cực của các loại khí độc và khí dễ cháy nổ nêu trên đang là một vấn đề đặt ra với nhiều thách thức cho con người, đặc biệt là ở các nước đang phát triển như Việt Nam. Câu hỏi đặt ra cho toàn thể nhân loại nói chung, các nhà quản lý và các nhà nghiên cứu nói riêng đó là làm sao mà cảnh báo được sự ô nhiễm môi trường hay cũng như sự cháy nổ của các chất khí gây nên? x 2. Tính cấp thiết của để tài Từ những thập niên 60 của thế kỷ 20 đã có những nghiên cứu nhằm chế tạo các loại cảm biến có thể phát hiện được các khí độc trong môi trường, trong đó phải kể đến loại cảm biến kiểu thay đổi điện trở được phát triển trên cơ sở màng mỏng ZnO làm vật liệu nhạy khí [81]. Do đặc tính của loại ô xít bán dẫn này có điện trở dễ dàng thay đổi trong các môi trường khí khác nhau nên có thể phát triển thế hệ cảm biến với cấu trúc đơn giản. Cùng với đó, rất nhiều loại cảm biến khí đã được chế tạo như cảm biến điện hóa [50], cảm biến kiểu thay đổi độ dẫn, cảm biến quang xúc tác [83, 89], v.v. Cảm biến khí trên cơ sở dây nano, thanh nano ôxít kim loại bán dẫn như SnO , ZnO, TiO đã được nghiên cứu và cho độ đáp ứng cao khi đo các loại khí độc và khí dễ cháy nổ bao gồm H 2 2 S, CO, NO, H , LPG [9, 20, 32, 34]. Ngoài ra để tăng độ đáp ứng, độ lọc lựa với các loại khí khác nhau người ta còn sử dụng phương pháp biến tính hay chức năng hóa bề mặt của dây nano như pha tạp các loại vật liệu xúc tác như Pd, Pt, Au, Ni, In, và Ag. Sau khi pha tạp, biến tính hay chức năng hóa bề mặt thì độ đáp ứng, độ lọc lựa của cảm biến dây nano đã được tăng lên rất nhiều [41, 47]. 2 Ta đã biết vật liệu màng mỏng oxit kim loại bán dẫn truyền thống có nhiều ưu điểm như độ bền và độ ổn định cao, dễ dàng chế tạo vơi số lượng lớn thông qua việc kết hợp với công nghệ vi điện tử [17, 19, 51]. Ngoài ra, bằng cách biến tính, pha tạp các loại vật liệu có kích cỡ micro - nano trên bề mặt có thể tăng độ đáp ứng, độ chọn lọc cũng như giảm nhiệt độ làm việc của cảm biến [11, 84]. Với những ưu điểm nổi trội nêu trên, vật liệu ôxít màng mỏng bán dẫn hứa hẹn khả năng ứng dụng rộng rãi trong cảm biến khí độ nhạy cao, có thể quan trắc ô nhiễm môi trường. Trên cơ sở nền tảng phát triển của ngành công nghệ vi điện tử tại phòng sạch Viện ITIMS – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội chúng tôi đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của luận án đó là: “Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí H 2 và H S trên cơ sở màng SnO 2 biến tính đảo xúc tác micro-nano”. 3. Mục tiêu và nội dung của luận án Trong khuôn khổ đề tài này, tác giả đặt ra mục tiêu chính của luận án đó: Chế tạo cảm biến đo khí H 2 và H 2 S trên cơ sở vật liệu ôxít thiếc (SnO ) có đảo xúc tác kích cỡ micro - nano để có thể ứng dụng thực tiễn vào việc quan trắc ô nhiễm môi trường và rò rỉ khí. 2 - Thiết kế chế tạo bộ mặt nạ quang học có thể cho phép chế tạo số lượng lớn cảm biến màng mỏng ôxít kim loại. Phát triển quy trình vi điện tử sử dụng các mask khác nhau để chế tạo điện cực, lò vi nhiệt, đồng thời khảo sát đặc trưng công suất - nhiệt độ của chíp cảm biến - Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo màng mỏng SnO với các chiều dày khác nhau, đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế tạo lên hình thái, vi cấu trúc và tính chất của màng mỏng. - Nghiên cứu chế tạo cảm biến màng mỏng SnO 2 2 sử dụng các đảo xúc tác khác nhau với kích thước micro mét bằng phương pháp phún xạ kết hợp với công nghệ quang khắc, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của lớp đảo xúc tác lên tính nhạy khí của cảm biến. - Thử nghiệm cảm biến chế tạo được trên thiết bị đo cụ thể, từ đó có thể ứng dụng cụ thể trong đo đạc và quan trắc một số khí như H 4. Nhưng đóng góp mới của luận án 2 và H 2 S. 2