Cảm biến ánh sáng khả kiến dựa trên nền vật liệu lai hóa giữa thanh NANO ZNO pha tạp Cu và PEDOT:PSS
Đây là đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường ĐH Thủ Dầu Một của tác giả Nguyễn Xuân Hào thực hiện vào năm 2022 nhằm mục tiêu Tổng hợp thành công vật liệu ZnO NRs và ZnO NRs pha tạp Cu, tối ưu hóa nồng độ Cu pha tạp vào trong ZnO NRs để cho độ rộng vùng cấm quang học là nhỏ nhất đồng thời biến tính vật liệu PEDOT:PSS nhằm tăng độ dẫn điện của vật liệu và tiến hành lai hóa giữa vật liệu ZnO pha tạp đồng và PEDOT:PSS, để từ đó chế tạo và khảo sát đặc trưng của cảm biến ánh sáng.
Thực trạng
Quang điện tử là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, tập trung vào phát triển các thiết bị nhận biết và điều khiển nguồn sáng, với linh kiện quang điện tử được chia thành thiết bị nhạy sáng và thiết bị phát sáng. Các cảm biến quang, chuyển đổi bức xạ ánh sáng thành tín hiệu điện, có vai trò then chốt trong nhiều ứng dụng như giao tiếp quang học và cảm biến môi trường. Thanh nano ZnO thường được sử dụng trong cảm biến quang nhờ vào những ưu điểm như dễ chế tạo và không độc hại, nhưng độ rộng vùng cấm lớn của nó khiến hiệu suất giảm do chỉ hấp thụ ánh sáng tử ngoại.
Để cải thiện hiệu suất, cần chức năng hóa ZnO để mở rộng vùng hấp thụ sang khả kiến, và các phương pháp như pha tạp kim loại chuyển tiếp đã được đề xuất. Tuy nhiên, việc pha tạp cần phải tối ưu hóa để tránh tăng độ rộng vùng cấm. Ngoài ra, độ linh động thấp của thanh nano ZnO làm chậm thời gian đáp ứng của cảm biến, vì vậy việc kết hợp với vật liệu dẫn điện như PEDOT:PSS được xem là tiềm năng để cải thiện hiệu suất và thời gian hồi phục, nhằm tạo ra những cảm biến quang hiệu quả hơn.
Giải pháp
Để vượt qua những thách thức trên, cảm biến ánh sáng khả kiến dựa trên nền thanh nano ZnO pha tạp Cu lai hóa PEDOT:PSS được chế tạo và khảo sát các đặc trưng của nó. Trong thiết kế này, vật liệu nano ZnO pha tạp đồng đóng vai trò như những “ăng ten” hấp thụ ánh sáng khả kiến để tạo ra những cặp điện tử lổ trống còn lớp PEDOT:PSS sẽ hoạt động như lớp truyền dẫn hạt tải, góp phần cải thiện thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục của thiết bị. Với thiết kế mới về cảm biến quang dựa trên nền vật liệu lai hóa giữa thanh nano ZnO đã được biến tính và lớp truyền dần hạt tải, chúng tôi hy vọng rằng sẽ tạo ra được một linh kiện vừa có hiệu suất cao, vừa có độ bền tốt đồng thời mở ra một hướng nghiên cứu mới về để cải thiện hiệu suất của các linh kiện quang điện tử dưa trên nền vật liệu lai hóa và vật liệu đa biến tính.
Mục tiêu nghiên cứu
- Tổng hợp thành công vật liệu ZnO NRs và ZnO NRs pha tạp Cu, tối ưu hóa nồng độ Cu pha tạp vào trong ZnO NRs để cho độ rộng vùng cấm quang học là nhỏ nhất
- biến tính vật liệu PEDOT:PSS nhằm tăng độ dẫn điện của vật liệu và phủ vật liệu PEDOT:PSS thành công trên đế thủy tinh
- Lai hóa thanh nano ZnO NRs và ZnO NRs pha tạp Cu trên đế PEDOT:PSS
- Chế tạo cảm biến quang dựa trên nền vật liệu lai hóa ZnO NRs/PEDOT:PSS
- Chế tạo cảm biến quang dựa trên nền vật liệu lai hóa ZnO NRs:Cu/PEDOT:PSS
- Khảo sát đặc trưng của 2 loại cảm biến quang: ZnO NRs/PEDOT:PSS và ZnO:Cu NRs/PEDOT:PSS. Tìm ra loại thiết bị cho hiệu suất cao và hoạt động tốt nhất
Kết quả nghiên cứu
- Tổng hợp thành công vật liệu ZnO NRs và ZnO:Cu NRs. Khảo sát tính chất quang của vật liệu ở những nồng độ pha tạp Cu khác nhau. Tìm được nồng độ pha tạp Cu cho chất lượng kết tinh là tốt nhất và dịch chuyển bờ hấp thụ nhiều nhất về ánh sáng khả kiến thông qua phổ nhiễu xạ tia X và phổ hấp thụ UV-VIS
- Tạo ra được màng PEDOT:PSS biến tính với DMSO trên đế thủy tinh để tăng độ dẫn của PEDOT:PSS. Nồng độ DMSO được tối ưu hóa để có độ dẫn là cao nhất. Và đế thủy tinh được xử lý bề mặt sao cho độ bám dính của PEDOT:PSS lên đế là tốt nhất
- Thanh nano ZnO và ZnO pha tạp Cu đã được tối ưu nồng độ ở nội dung 1 được trồng trên đế PEDOT:PSS/thủy tinh bằng phương pháp thủy nhiệt. Hệ vật liệu này được khảo sát hình thái bề mặt, cấu trúc, tính chất quang, tính chất điện thông qua các phép phân tích như SEM, XRD, UV-Vis…
- Hai điện cực Ag được phún xạ ở hai đầu kênh dẫn ZnO NRs/PEDOT:PSS. Bề rộng kênh dẫn là 200 µm được tạo ra nhờ một mặt nạ kim loại. Đo đường đặc trưng I-V và I-t của thiết bị đảm bảo thiết bị hoạt động tốt
- Hai điện cực Ag được phún xạ ở hai đầu kênh dẫn ZnO NRs:Cu/PEDOT:PSS. Bề rộng kênh dẫn là 200 µm được tạo ra nhờ một mặt nạ kim loại. Đo đường đặc trưng I-V và I-t của thiết bị đảm bảo thiết bị hoạt động tốt.
- Phân tích phổ I-V, I-t của thiết bị dưới các điều kiện chiếu sáng khác nhau. Tính toán các thông số đặc trưng của cảm biến quang như dòng quang điện, độ nhạy, thời gian đáp ứng, thời gian hồi phục...
Kết luận và kiến nghị
Kết luận
Chế tạo thành công cảm biến quang dựa trên nền vât liệu ZnO NRs:Cu và ZnO NRs:Cu/PEDOT:PSS. Từ các kết quả I-V cho thấy dòng quang của thiết bị có PEDOT:PSS là 0,125 mA, cao hơn gần 1,5 lần so với thiết bị không có PEDOT:PSS (0,0823 mA), điều này làm nổi bậc vai trò của PEDOT:PSS trong việc nâng cao dòng quang cho thiết bị. Ngoài ra, với kết quả I-t, trong cùng điều kiện chiếu sáng (bước sóng 395 nm và cường độ ánh sáng 0,811 mWcm-2), độ nhạy của thiết bị có lớp vận chuyển lỗ trống là 0,33 AW-1 , cao hơn gần 2,36 lần so với thiết bị không có lớp vận chuyển (0,14 AW-1). Photoconductive gain của thiết bị có PEDOT:PSS là 1,036, cao gấp đôi so với thiết bị không có PEDOT:PSS (0,439). Bên cạnh đó, thời gian phản hồi và khôi phục của thiết bị khá nhanh với giá trị lần lượt là 28,21 giây và 42,01 giây, độ ổn định cũng đã được kiểm tra và cho kết quả rất tốt với nhiều chu kì lặp lại. Từ đó có thể thấy rằng, thiết bị cảm biến quang dựa trên cấu trúc lai giữa ZnO NRs:Cu và PEDOT:PSS của chúng tôi có tiềm năng cho nhiều ứng dụng hơn nữa trong tương lai.
Kiến nghị
- Lai hoá vật liệu ZnO NRs biến tính với những vật liệu hai chiều khác có độ linh động cao hơn để cải thiện thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục của linh kiện
- Phát triển cảm biến quang dựa trên nền vật liệu lai hoá lên các đế dẻo uốn cong và đế dẻo co giãn nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng của linh kiện, hướng tới chế tạo các thiết bị có khả năng giao tiếp với con người.
Nguồn tóm tắt KQNC “Cảm biến ánh sáng khả kiến dựa trên nền vật liệu lai hóa giữa thanh NANO ZNO pha tạp Cu và PEDOT:PSS” của tác giả Nguyễn Xuân Hào . Xem toàn văn tại Trung tâm Thông tin và Thống Kê Khoa học và Công nghệ tỉnh Bình Dương
Nguyễn Xuân Hào