Ảnh hưởng nhiệt độ ủ lên cấu trúc tinh thể, tính chất điện và cảm biến pH của màng SnO2 pha tạp Sb

Bài viết Ảnh hưởng nhiệt độ ủ lên cấu trúc tinh thể, tính chất điện và cảm biến pH của màng SnO2 pha tạp Sb nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến cấu trúc tinh thể, tính chất điện và cảm biến pH của màng SnO2 pha tạp Sb.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ảnh hưởng nhiệt độ ủ lên cấu trúc tinh thể, tính chất điện và cảm biến pH của màng SnO2 pha tạp SbTạp chí Khoa học và Công nghệ, Số 53A, 2021 ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ Ủ LÊN CẤU TRÚC TINH THỂ, TÍNH CHẤT ĐIỆN VÀ CẢM BIẾN PH CỦA MÀNG SNO2 PHA TẠP SB LÝ THANH BÌNH Khoa khoa học cơ bản, Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh lythanhbinh@iuh.edu.vnTóm tắt. Công trình này nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến cấu trúc tinh thể, tính chất điện và cảmbiến pH của màng SnO2 pha tạp Sb. Màng SnO2 pha tạp Sb được lắng đọng trên đế thạch anh bằng phươngpháp Sol-gel phủ nhún. Màng sau đó được ủ ở các nhiệt độ khác nhau 300˚C, 500˚C và 700˚C trong 120phút trong môi trường không khí. Cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt và tính chất điện của các màng đượckhảo sát bằng giản đồ nhiễu xạ tia X, ảnh FESEM và phép đo Hall. Kết quả cho thấy các thông số hằng sốmạng, kích thước tinh thể, kích thước hạt bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ ủ. Kích thước tinh thể của màng tăngtừ 17 lên 27 nm khi nhiệt độ ủ tăng từ 300˚C lên 700˚C. Điện trở suất của màng giảm trong khoảng nhiệtđộ ủ 300˚C và 500˚C và tăng trở lại khi nhiệt độ ủ đạt 700˚C. Ngoài ra, màng ATO – 700˚C đạt giá trị độnhạy cao nhất 50 mV/pH.Từ khóa. Cảm biến pH cấu trúc EGFET, sol-gel, SnO2 pha tạp Sb.INFLUENCE ANNEALING TEMPERATURE ON STRUCTURAL, ELECTRICAL AND PH SENSOR PROPERTIES OF SB DOPED SNO2 FILMSAbstract. This study investigates annealing temperature on structural, electrical properties, and pHresponse of the Sb-doped SnO2 membrane. Sb-doped SnO2 films were deposited on the quartz substrate bysol-gel dip-coating technique. The films were annealed at temperatures 300˚C, 500˚C, and 700˚C in the airfor 120 minutes. The structure, surface morphologies, and electrical properties were observed by X-raydiffraction, FESEM images, and Hall measurements. The results showed that lattice constant, crystal size,and particle size are affected by annealed temperature. The crystal size increased from 17 to 27 nm as thetemperature increased from 300˚C to 700˚C. The resistivity of films decreases in the range temperatures of300˚C and 500˚C and increases again when the annealed temperature at 700˚C. In addition, the ATO-700˚Cmembrane achieved the highest sensitivity value of 50 mV/pH.Keywords. pH- EGFET, sol-gel, Sb doped SnO2.1 GIỚI THIỆUVật liệu bán dẫn oxit kim loại cấu trúc nano đã được nghiên cứu rộng rãi bởi vì các tính chất điện, quangvà cấu trúc nổi trội và khả năng ứng dụng trong các thiết bị quang điện. Trong đó, các vật liệu như ZnO,TiO2, SnO2, CdO, … sở hữu những đặc tính nổi trội như dẫn điện tốt và độ truyền qua quang học trongtrong vùng ánh sáng khả kiến cao. Đặc biệt, những vật liệu này thường được sử dụng trong các ứng dụngcảm biến khí [1], màn hình phẳng [2], diode phát quang (LEDs) [3], pin mặt trời [4], cảm biến pH [5] …Thiếc oxit (SnO2) là vật liệu tiềm năng được sử dụng trong các thiết bị nêu trên do sở hữu những tính chấtđộc đáo nổi trội như độ bền cao trong môi trường hóa học và nhiệt độ, độ rộng vùng cấm lớn từ 3.6 eV đến4,6 eV [5, 6], năng lượng liên kết exciton lớn (180 mV) và dẫn điên trong suốt. Đặc biệt, vật liệu SnO2được sử dụng trong thiết bị cảm biến pH để phát hiện ion H+[8]. Có hai loại cấu trúc cảm biến pH đã đượcnghiên cứu đó là ISFET (ion sensitive field effect transistor) và EGDET (extended -gate field-effecttransistor). Trong đó, cấu trúc EGFET có nhiều ưu điểm hơn so với ISFET là giá thành thấp, ổn định vớiánh sáng và nhiệt độ và dễ đóng gói [7]. Tuy nhiên, cấu trúc pH- EGFET đòi hỏi màng cảm ứng là vật liệudẫn điện tốt so với vật liệu truyền thống của cấu trúc pH- ISFET như Si2N3, SiO2, Al2O3 [9]. Vì vậy, côngtrình này khảo sát ảnh hưởng của ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo đến tính chất điện và tính chất cảm biếnpH (cấu trúc pH- EGFET) của màng SnO2 pha tạp Sb. Bên cạnh đó, phương pháp tổng hợp màng SnO2 phatạp Sb (ATO) được chọn là phương pháp sol-gel với kỹ thuật phủ nhúng bởi vì tính hiệu quả, kinh tế vàđơn giản để chế tạo màng chất lượng cao [10].© 2021 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ Ủ LÊN CẤU TRÚC TINH THỂ, TÍNH CHẤT ĐIỆN VÀ CẢM BIẾN 97 PH CỦA MÀNG SNO2 PHA TẠP SB2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨUMàng SnO2 pha tạp Sb (với tỉ lệ Sb/Sn: 5 mol%) được chế tạo bằng phương pháp sol-gel và kỹ thuật phủnhúng (dip-coating). Để tổng hợp dung dịch sol, một lượng muối SbCl3 (99,9%, Sigma-Aldrich) được chovào dung dịch chứa muối SnCl2.2H2O, sau đó được hòa tan với dung dịch ethanol. Hỗn hợp được khuấy vàđun nóng ở 70°C trong 2 giờ một bình kín. Màng ATO được lắng đọng trên đế thạch anh từ dung dịch (sol)được thực hiện bằng quy trình phủ nhúng. Các đế thạch anh được làm sạch trước khi nhúng vào dung dịchvà sau đó rút ra với tốc độ không đổi 80 mm/phút. Màng SnO2: Sb sau phủ nhúng được sấy khô ở 200 oCtrong 15 phút. Các mẫu sau đó được ủ ở các nhiệt độ khác nhau 100˚C, 300˚C, 500˚C và 700˚C tương ứngở tốc độ 10oC/phút trong không khí, và được giữ ở nhiệt độ này trong 120 phút mỗi quá trình ủ. Các màngATO được ủ ở các nhiệt độ khác nhau được ký hiệu ATO – 100˚C, ATO – 300˚C, ATO – 500˚C và ATO–700˚C. Quá trình phủ và làm khô được lặp lại để thu được các màng thích hợp độ dày thích hợp để phântích. Cấu trúc tinh thể của màng được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X trên máy D8–ADVANCE.Tính chất điện được xác định bằng phép đo Hall Van der Pauw trên máy đo HMS3000. Đặc trưng cảm biếnion H+ được khảo sát bằng cấu trúc pH- EGFET, trong đó cấu trúc được chia thành hai phần bao gồm thiếtbị cảm biến màng ATO và thiết bị MOSFET (Hình 3). Đặc trưng I-V của cấu trúc cảm biến pH- EGFETtrong điều kiện pH 5, 7, 9 được đo bằng máy phân tích Keithley 2400.3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN3.1 Cấu trúc tinh thểHình 1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mà ...