Nhằm ổn định quy trình chế tạo cảm biến khí trên cơ sở màng mỏng SnO2, WO3 sử dụng đảo xúc tác kích thước micro bằng phương pháp phún xạ kết hợp với công nghệ vi điện tử; nghiên cứu, tổng quan tìm hiểu được cơ chế nhạy khí của màng mỏng ôxít kim loại, cơ chế xúc tác của các đảo kim loại hoặc ôxít bán dẫn khác loại có kích thước micromet lên tính nhạy khí của màng mỏng SnO2, WO3; nghiên cứu và làm sáng tỏ được cơ chế xúc tác của từng kim loại trên các vật liệu ôxít nền với các khí khác nhau, từ đó có những biện pháp thích hợp để cải thiện độ nhạy và độ chọn lọc của mỗi kim loại với loại khí tương ứng; phát triển được quy trình chế tạo cảm biến khí trên cơ sở màng mỏng SnO2, WO3 với đảo xúc tác phù hợp, đồng thời nắm được các điều kiện làm việc tối ưu của mỗi loại cảm biến.

TS. Nguyễn Văn Toán cùng các cộng sự tại Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí trên cơ sở màng mỏng ôxít kim loại biến tính bởi đảo xúc tác micro-nano” để có thể ứng dụng thực tiễn vào việc quan trắc ô nhiễm môi trường và rò rỉ khí.

Sau một thời gian thực hiện, đề tài thu được các kết quả như sau:

1. Kết quả nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất nhạy khí H2, CH4, NH3, LPG, SO2 … của vật liệu màng mỏng ôxít kim loại SnO2 biến tính với một số loại vật liệu xúc tác ôxít kim loại:

 - Đã hoàn thiện và ổn định quy trình chế tạo màng mỏng SnO2 và các đảo xúc tác kim loại trên điện cực bằng phương pháp phún xạ kết hợp với công nghệ vi điện tử. Màng mỏng SnO2 dày 40 nm trên có các đảo Pt chiều dày 10 nm được lắng đọng trên đế silic bằng phương pháp phún xạ.

Hình thái, thành phần vi cấu trúc vật liệu được khảo sát qua các phép phân tích XRD, EDS và SEM. Màng mỏng SnO2/Pt được sử dụng làm màng nhậy trong linh kiện cảm biến khí chế tạo theo công nghệ vi điện tử/vi điện tử.

Cảm biến có độ nhậy cao đối với khí H2 ở nồng độ cỡ một vài phần triệu (ppm), thời gian đáp ứng nhanh và chọn lọc với các khí khác.

- Màng mỏng SnO2 dày 40 nm, màng Pt dày 5 nm và màng WO3 dày 50 – 260 nm được lắng đọng trên đế silic bằng phương pháp phún xạ.

Hình thái, thành phần vi cấu trúc vật liệu được khảo sát qua các phép phân tích XRD, EDS và SEM. Màng mỏng đa lớp SnO2/Pt/WO3 được sử dụng làm màng nhậy trong linh kiện cảm biến khí chế tạo theo công nghệ vi điện tử kết hợp với phún xạ hoạt hóa.

Cảm biến có độ đáp ứng cao đối với khí H2, NH3 và có khả năng lọc khí H2S ở nồng độ cỡ một vài phần triệu (ppm), thời gian đáp ứng nhanh và chọn lọc với các khí khác.

2. Kết quả nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất nhạy khí SO2, CH4, H2… của vật liệu màng mỏng ôxít kim loại WO3 biến tính với một số loại vật liệu xúc tác ôxít kim loại:

- Đã hoàn thiện và ổn định quy trình chế tạo màng mỏng WO3 và các đảo xúc tác kim loại trên điện cực bằng phương pháp phún xạ kết hợp với công nghệ vi điện tử. Các tính chất hình thái và vi cấu trúc của màng mỏng WO3 biến tính kim loại cũng được nghiên cứu.

- Bằng phương pháp lắng đọng pha hơi hơi hóa học (CVD) chế tạo được dây nano SnO2, sau đó phún xạ màng mỏng WO3 (dày 3 - 20 nm) lên dây nano tạo thành vật liệu có cấu trúc lõi vỏ (core–shell structure). Hình thái, thành phần vi cấu trúc vật liệu được khảo sát qua các phép phân tích XRD, EDS, SEM và TEM. Màng SnO2/WO3 được sử dụng làm màng nhậy trong linh kiện cảm biến khí. Cảm biến cho độ đáp ứng cao và chọn lọc đối với khí H2S ở nồng độ cỡ một vài phần triệu (ppm), thời gian đáp ứng nhanh và chọn lọc với các khí khác.

Các kết quả nghiên cứu góp phần xây dựng các nghiên cứu mang tính chất liên ngành về vật liệu, cảm biến nano. Hình thành mô hình nghiên cứu khép kín đi từ các nghiên cứu cơ bản đến các nghiên cứu ứng dụng. Thúc đẩy sự hợp tác giữa các khoa và viện trong trường ĐHBKHN, cũng như sự hợp tác với các đơn vị nghiên cứu và đào tạo khác ngoài trường, cũng như sự hợp tác với công nghiệp. Góp phần đào tạo nhân lực công nghệ - kỹ thuật cao, mang tính chất liên ngành phục vụ quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước. Mở ra hướng nghiên cứu ứng dụng, đưa các cấu trúc vật liệu mới, các linh kiện và các thiết bị Micro-Nano vào phục vụ đời sống, khoa học và sản xuất.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 20139/2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)