Từ năm 2014 đến năm 2018, TS. Trần Văn Khải cùng các cộng sự tại Trường Đại học Bách Khoa đã thực hiện đề tài: “Tổng hợp có điều khiển những dây và tấm nano kẽm oxít (ZnO) ở trên nền graphene và ứng dụng của nó ở trong cảm ứng khí”.

Đề tài tập trung vào những mục tiêu sau: phát triển những cảm biến với độ nhạy cực cao thông qua việc gia tăng diện tích bề mặt của vật liệu cấu trúc nano đồng thời kết hợp với vật liệu dẫn điện cao (graphene); chứng minh dây/tấm nano ZnO có thể tổng hợp được trên nền graphene bằng phương pháp nhiệt bay hơi ngưng tụ; so sánh đặt điểm cấu trúc, đặt tính cảm biến và tính chất quang của những cấu trúc nano ZnO được tổng hợp trực tiếp trên nền graphene; nghiên cứu ảnh hưởng độ dày mỏng của lớp màng graphene lên cấu trúc, tính chất quang và tính chất cảm biến của sợi/tấm nano ZnO; làm chủ công nghệ tổng hợp những tấm nano graphene và màng graphene; giải thích kỹ thuật cho sự hình thành của dãy/tấm được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt bay hơi kết tủa; đặc biệt giải thích được kỹ thuật cảm biến khí của hệ vật liệu ZnO-graphene.

Trong đề tài này, các tác giả đã tổng hợp thành công những dãy dây nano ZnO thẳng đứng-tỷ trọng cao trên đế Si được phủ một lớp vật liệu graphene bằng phương pháp nhiệt bay hơi. Cấu trúc, hình thái học bề mặt, thành phần hóa và tính chất quang của những dây nano ZnO đã được khảo sát bằng: FE-SEM, HR-TEM, XRD, XPS, FTIR, PL và phổ Raman.

Kết quả thu được đã chỉ ra rằng những dây nano ZnO đã được tổng hợp là đơn tinh thể và xuất hiện cấu trúc wurtzite lục giác định hướng dọc theo phương [0001]; tất cả dây nano ZnO đã phát triển thẳng đứng trên nên graphene/Si. Phần lớn các dây nano ZnO có đường kính trong phạm vi 250-300 nm với chiều dài hàng chục micromet, một phần dây nano có đường kính xấp xĩ 9-12 nm. Phổ phát quang của dây nano ZnO ở nhiệt độ phòng chỉ ra một đỉnh phát xạ cưc tím nhọn và cường độ cao ở vị trí 380 nm và một đỉnh trong vùng nhìn thấy cường độ yếu ở vị trí 516 nm. Vai trò của lớp graphene trong việc nâng cao khả năng phát triển thẳng đứng và cải thiện tính chất quang của dây nano ZnO đã được chứng minh. Quan trọng hơn, cảm biến khí dựa trên những dây nano ZnO này xuất hiện độ nhạy cao và đặc tính hồi đáp/phục hồi nhanh với khí NO2 ở 200°C, và có thể phát hiện NO2 ở nồng độ thấp đến 2, 6 và 10 ppm. Hiệu suất cảm biến tuyệt vời chủ yếu là do sự kết hợp của diện tích bề mặt riêng lớn và sự hiện diện khuyết tật của oxygen ở bề mặt của ZnO, cùng với việc tạo ra liên kết dị thể p-n giữa n-type ZnO và ptype graphene. Một loại cấu trúc NW/graphene ZnO là rất hứa hẹn cho các ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như quang tử, quang-điện tử và các thiết bị cảm biến. Ngoài ra, cơ chế tăng trưởng và cơ chế khí cảm biến NO2 của cấu trúc ZnO NW-graphene cũng được trình bày.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 15400 tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

N.P.D (NASATI)