Vật liệu Graphene đang là một loại siêu vật liệu và được phát triển rất nhanh chóng, có sức hút mạnh mẽ đối với các nhà nghiên cứu trong những năm gần đây do những tính chất cơ, nhiệt và điện độc đáo. Nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã tập trung nghiên cứu, đưa ra các phương pháp chế tạo để tạo ra số lượng lớn có tính đồng đều phục vụ cho các ứng dụng về năng lượng, linh kiện điện tử, cảm biến… từ loại vật liệu hai chiều này.
Nitrogen dioxide (NO2) là một hợp chất hóa học được thải vào khí quyển dưới dạng chất gây ô nhiễm khi nhiên liệu được nung trong động cơ xăng và diesel, khí thải từ nhà máy khu công nghiệp... Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng NO2 có thể gây hại cho con người khi hít phải trong thời gian dài, dẫn đến viêm đường hô hấp (thở). Do đó, Liên minh châu Âu (Chỉ thị Daughter Directive đầu tiên của EU - 99/30/EC) và Bộ Môi trường, Thực phẩm và Nông thôn của Vương quốc Anh (Chiến lược chất lượng không khí 2000) đã thiết lập các tiêu chuẩn pháp lý, nhằm giảm thiểu sự ảnh hưởng của việc hít phải NO2 lâu dài.
Hiện nay các kỹ thuật quang học được sử dụng cho giám sát môi trường, tuy nhiên giá thành cao và chi phí hoạt động là một yếu tố hạn chế. Các oxít kim loại hiện cũng được sử dụng làm vật liệu cảm biến trong các cảm biến giá rẻ. Ưu điểm của vật liệu này là hoạt động điển hình trong chế độ ppm và chịu mức tiêu thụ năng lượng cao. Các vật liệu nano cảm biến khác liên quan đến vật liệu nano polyaniline (PANI), màng mỏng ống nano carbon và dây nano silicon… cũng được sử dụng, tuy nhiên độ nhạy và hiệu suất của các cảm biến được làm từ các vật liệu nano này phụ thuộc nhiều vào quá trình chuẩn bị vật liệu. Hơn nữa, các cảm biến này thể hiện độ nhạy đủ cao chỉ trong chế độ ppm.
Graphene với cấu trúc đặc biệt có độ dẫn điện tốt, năng lượng bề mặt lớn, linh động, nhẹ… là những ưu thế trong việc cảm nhận khí, đặc biệt đối với các phân tử NO2. Do đó, việc thực hiện thành công cảm biến Graphene có thể cung cấp giám sát ô nhiễm môi trường đơn giản, các máy dò thu nhỏ phù hợp cho hoạt động cầm tay và thậm chí cả cảm biến đeo được, máy tự động và cảm biến di động cho một mạng lưới giám sát thời gian thực toàn cầu.
Đề tài nêu trên được thực hiện trong khuôn khổ dự án hợp tác của TP.HCM với Trường Đại học Sydney (Úc) trong việc phối hợp, hỗ trợ nghiên cứu phát triển các công nghệ về cảm biến phục vụ nhu cầu quan trắc môi trường, xây dựng đô thị thông minh… trong nước. Đề tài nhằm tổng hợp thành công vật liệu Graphene và khảo sát làm cảm biến nhạy khí NO2, hướng tới ứng dụng cảm biến khí NO2 để lắp đặt cho các trạm phát hiện khí tại Thành phố Hồ Chí Minh.
Kết quả đã nghiên cứu phát triển thành công qui trình chế tạo và khảo sát đặc tính nhạy khí của cảm biến khí môi trường trên cơ sở vật liệu Graphene. Màng nhạy khí Graphene được chế tạo bằng phương pháp epitaxy từ đế SiC. Đây là một phương pháp tổng hợp vật liệu dạng màng mỏng bằng cách hóa hơi một phần Si trên bề mặt ở áp suất thấp (10-6-10-2 Torr) và dùng nhiệt tách các lớp graphite thành Graphene trong điều kiện chế tạo nhiệt độ cao (1200-1600oC), khảo sát trong khoảng thời gian 5-20 phút, vật liệu SiC@Graphene được tạo thành có dạng composite (core-shell) với SiC (core), màng mỏng Graphene (shell). Điện cực dùng cho cảm biến làm bằng vật liệu Al sử dụng phương pháp phún xạ và quy trình quang khắc để chế tạo.
Chất lượng cảm biến SiC@Graphene với các thông số kỹ thuật như sau: số lớp Graphene <= 5 lớp; độ đồng đều trên mẫu 3×3 hoặc 5×5 mm. Hệ đo (hệ thống điều chỉnh lưu lượng khí) có khả năng điều khiển lưu lượng khí với dải đo từ 0-200 sccm.
Khảo sát hoạt động của cảm biến SiC@Graphene đối với khí NO2 tại các điều kiện thay đổi nhiệt độ, thay đổi nồng độ khí, và biến tính bề mặt vật liệu cho thấy, độ nhạy khí, thời gian đáp ứng và thời gian phục hồi phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ; cảm biến SiC@Graphene sau khi biến tính bằng oxygen plasma có độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh, có thể cảm biến với khí NO2 ở nồng độ 10ppm.
Trong khuôn khổ đề tài, nhóm nghiên cứu cũng bước đầu chế tạo được bộ KIT có khả năng đọc cảm biến cấu trúc điện trở như của màng Graphene và thử nghiệm bộ KIT đo nồng độ khí NO2 trong việc quan trắc môi trường.
Từ kết quả đạt được, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục hướng tới triển khai ứng dụng lắp đặt thử nghiệm cảm biến khí vào hệ thống quan trắc cùng với cảm biến áp suất mà Trung tâm Nghiên cứu triển khai Khu Công nghệ cao đã và đang triển khai thực hiện.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài tại Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ (CESTI).
Lam Vân (CESTI)