Nhằm chế tạo thành công các chuyển tiếp dị thể giữa các vật liệu nano ôxit kim loại (SnO2, WO3, ZnO, In2O3, CuO, NiO) cũng như vật liệu nano cacbon; Nghiên cứu tính chất điện của các tiếp xúc này và đưa ra mô hình giải thích, tính chất nhạy khí, ảnh hưởng của nhiệt độ, ánh sáng đến các tiếp xúc dị thể trên và chế tạo các vật liệu ôxit kim loại bán dẫn cấu trúc nano 1 chiều bằng phương pháp vật lý và hóa học, chế tạo các chuyển tiếp n/n và p/n giữa các vật liệu ôxit kim loại: SnO2, ZnO, WO3, In2O3, CuO, NiO, chế tạo các cấu trúc chuyển tiếp kiểu bắc cầu n/p/n và n/n/n giữa các vật liệu ôxit kim loại trên, các cấu trúc chuyển tiếp kiểu Schottky giữa ôxit kim loại với vật liệu nano cacbon, nhóm nghiên cứu do TS. Nguyễn Văn Duy, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đứng đầu đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu tính chất điện và cơ chế nhạy khí của các cấu trúc tiếp xúc dị thể nano (A study on heterojunction nanostructures and their sensing applications)”.

Các nội dung triển khai của đề tài bao gồm: Nghiên cứu hình thái, cấu trúc và tính chất điện của các cấu trúc đã chế tạo; Nghiên cứu hình thái và cấu trúc của các linh kiện đã chế tạo bằng các phương pháp FESEM, XRD, Raman…; Nghiên cứu hình thái và cấu trúc của các linh kiện đã chế tạo bằng các phương pháp FESEM, XRD, Raman…; Khảosát tính chất điện của các cấu trúc chuyển tiếp và bắc cầu đã chế tạo; Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và ánh sáng lên tính chất điện của các cấu trúc đã chế tạo; Xây dựng mô hình chuyển tiếp và tính toán các tham số của tiếp xúc bán dẫnbán dẫn, bán dẫn kim loại; Nghiên cứu tính chất nhạy khí, ảnh hưởng của nhiệt độ, ánh sáng đến tính chất điện của các cấu trúc chuyển tiếp dị thể trên. Nghiên cứu tính chất nhạy khí của các cấu trúc chuyển tiếp bán dẫn n/n, p/n, các cấu trúc chuyển tiếp bắc cầu n/n/n, n/p/ và các cấu trúc tiếp xúc Schottky giữa SMO và nano cacbon cũng như nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và ánh sáng lên tính chất nhạy khí của các cấu trúc.

Bằng phương pháp cách thu thập thông tin về tình hình nghiên cứu các cấu trúc vật liệu SMO loại n, loại p, các tiếp xúc dị thể nn, np, pp trên cơ sở SnO2, ZnO, WO3, In2O3, CuO, NiO ứng dụng cho các cảm biến nói chung và cảm biến khí nói riêng. Tìm hiểu các phương pháp tổng hợp các cấu trúc nano thích hợp cho quá trình chế tạo vật liệu SMO loại n, loại p, các phương pháp chế tạo tiếp xúc dị thể nn, np, pp. Nghiên cứu, phân tích các mô hình chuyển tiếp bán dẫn bán dẫn, kim loại bán dẫn và đặc trưng điện của chúng và sử dụng các mô hình nhạy khí trên cơ sở các chuyển tiếp dị thể pn và chuyển tiếp kim loại bán dẫn (schottky) và sử dụng các lý thuyết về hấp phụ, giải hấp phụ (khuếch tán khí) và các lý thuyết về truyền tải điện tử trong vật liệu SMO cấu trúc nano để nghiên cứu cơ chế nhạy khí NO2 của vật liệu nhận được.

Sau một thời gian triển khai, nhóm nghiên cứu đã thu được các kết quả như sau:

Các cấu trúc tiếp xúc dị thể dạng màng mỏng, dạng dây nano/dây nano, dạng dây nano/màng mỏng đã được chế tạo và nghiên cứu tính chất điện và tính chất nhạy khí. Cụ thể như sau:

- Các cấu trúc chuyển tiếp dị thể giữa dây nano ôxit kim loại và ống nano cacbon đã được chế tạo và nghiên cứu hệ thống.

- Nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát các loại tiếp xúc dạng diode đơn, diode kép, và composite của các hệ vật liệu này. Vật liệu dây nano SMO chế tạo bằng phương pháp CVD nhiệt và thủy nhiệt cho cấu trúc dây có định hướng tinh thể cao, độ bền và độ ổn định tốt phù hợp cho việc hình thành các tiếp xúc bán dẫn. Ngoài ống nano cacbon thương phẩm được chế tạo bằng phương pháp CVD, chúng tôi còn tiến hành chế tạo bằng phương pháp phóng điện hồ quang (electric arc discharge) nhằm đưa trực tiếp vật liệu này lên linh kiện tránh nhiễm bẩn bởi các tạp chất trong quy trình gián tiếp. Các kết quả cho thấy chuyển tiếp dị thể giữa dây nano ôxit WO3, ZnO, SnO2 với ống nano cacbon hình thành các chuyển tiếp dạng kim loại bán dẫn (Schottky). Nghiên cứu trên cấu trúc diode đơn cho thấy đặc trưng nhạy khí của chuyển tiếp này được thể hiện chủ yếu ở vùng phân áp ngược. Các cấu trúc diode kép cho thấy đặc tính nhạy khí ổn định hơn theo điện áp đo. Các tiếp xúc này góp phần tăng cường độ nhạy khí trên cơ sở thay đổi độ dẫn tại các bề mặt chuyển tiếp Schottky.

Đây là các nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và tính mới cao. Góp phần mở ra hướng nghiên cứu dựa trên các chuyển tiếp dị thể của dây nano ôxit bán dẫn nói riêng và các cấu trúc nano 1 chiều nói chung. Các kết quả này đã được công bố trong 3 công trình, 2 công trình trên các tạp chí trong danh mục ISI (Sensors and Actuators B và Science of Advanced Materials) và 1 công trình đăng trên tạp chí trong nước (tạp chí các trường đại học kỹ thuật).

Bên cạnh nghiên cứu tiếp xúc giữa các dây nano SMO với ống nano cácbon, trong đề tài cũng đã chế tạo và khảo sát các tiếp xúc dị thể giữa các màng mỏng ôxit kim loại, các dây nano ôxit kim loại với nhau. Màng mỏng SnO2 tiếp xúc với PdO đã được chế tạo và khảo sát cho khả năng nahỵ khí H2 rất cao. Cấu trúc này cũng đã được chế tạo thành cảm biến hoàn chỉnh và thử nghiệm trên hệ thiệt bị đo đạc ghép nối máy tính. Các yếu tố ảnh hưởng được chế tạo thành cảm biến hoàn chỉnh và thử nghiệm trên hệ thiệt bị đo đạc ghép nối máy tính. Các yếu tố ảnh hưởng của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và bức xạ gamma đã được nghiên cứu.

Đây là một hướng nghiên cứu có tiềm năng ứng dụng và thực tiễn cao. Kết quả này đã được đăng trên tạp chí trong danh mục ISI uy tín.

Các tiếp xúc dị thể dạng dây, dây sợi nano cũng đã được nghiên cứu chế tạo bằng phương pháp CVD nhiệt kết hợp phun tĩnh điện (electrospinning). Để điều khiển được việc mọc rẽ nhánh các dây nano bằng phương pháp CVD nhiệt, các thông số về thời gian mọc, chiều dày lớp xúc tác, khoảng cách tối ưu giữa các điện cực đã được chúng tôi khảo sát kỹ lưỡng. Đây là thành công bước đầu tạo tiền đề cho việc chế tạo chuyển tiếp dị thể dây dạng n/n/n, n/p/n... phục vụ cho các nghiên cứu ứng dụng tiếp theo. Sử dụng hệ phun tĩnh điện giúp cho quy trình chế tạo đơn giản và dễ dàng hơn tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là các sợi nano tạo ra không bên và ổn định bằng dây nano mọc bằng phương pháp CVD nhiệt. Một vài kết quả ban đầu đã được báo cáo trong kỉ yếu hội nghị quốc tế (ICAMN 2016).

Mô hình các chuyển tiếp dạng diode đơn và diode kép đã được đưa ra. Các đường đặc tuyến IV chứng minh tính chỉnh lưu của các tiếp xúc dị thể đã chế tạo. Dựa trên các đặc tuyến này chúng tôi đã tính toán một số thông số đặc trưng như rào thế tiếp xúc, hệ số lý tưởng, điện áp mở, điện áp đánh thủng của diode. Đặc biệt trên tiếp xúc giữa dây nano SnO2 với ống nano cacbon chúng tôi đã đo đạc kỹ lưỡng các phổ tổng trở theo điện áp phân cực cũng như phổ tổng trở trong môi trường khí đo nhằm phân tích chi tiết sự thay đổi các thành phần mạch điện cấu tạo của linh kiện. Bằng các phân tích này đã cho thấy sự đóng góp chính vào độ nhạy khí diễn ra tại các vị trí chuyển tiếp dị thể nano. Việc làm rõ ràng cơ chế nhạy khí đóng góp vào hiểu biết chung cho lĩnh vực nghiên cứu cửa đề tài.

Do trong quá trình nghiên cứu, nhóm nghiên cứu xác định mở rộng khảo sát cơ chế của các tiếp xúc dị thể SMO với ống nano cacbon để hiểu sâu sắc hơn về cấu trúc có nhiều đặc tính vượt trội này nên nội dung nghiên cứu ảnh hưởng của ánh sáng lên tính chất điện và đặc trưng nhạy khí của các cấu trúc tiếp xúc dị thể chưa được thực hiện trong đề tài này. Bên cạnh đó các quy trình chế tạo tiếp xúc dị thể dây nano chế tạo trực tiếp bằng phương pháp rẽ nhánh CVD cũng đòi hỏi tiến hành rất nhiều thí nghiệm. Việc hoàn thiện được quy trình mọc rẽ nhánh này sẽ là tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo không chỉ trong ứng dụng nhạy khí.

*Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 13450/2017) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

Nguồn: Cục Thông tin KH&CN quốc gia