Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu kỹ hơn cơ chế hoạt động của cảm biến SAW hoá học (ví dụ cảm biến khí) trên cơ sở cấu trúc đa lớp tại nhiệt độ gia nhiệt cục bộ cao. Các mục tiêu cụ thể sẽ như sau:
+ Thiết kế và mô phỏng thành công cảm biến SAW hoá học với một số cấu trúc nhiều lớp.
+ Tổng hợp thành công các lớp nhạy oxit kim loại có cấu trúc nano trên đế áp điện và chúng có khả năng làm việc tại nhiệt độ cao.
+ Chế tạo cảm biến SAW hoá học với cấu trúc đa lớp đã mô phỏng (lớp nhạy oxit kim loại/áp điện/silicon). Qua đó tìm ra cách cải thiện các đặc tính của chúng như độ nhạy, mức độ chọn lọc, thời gian đáp ứng/phục hồi thông qua các nhiệt độ đốt nóng bề mặt cao khác nhau.
Một số kết quả nghiên cứu nổi bật:
1) Các kết quả thiết kế và mô phỏng cảm biến SAW: Đã mô phỏng thành công cảm biến SAW với 3 lớp: lớp nhạy, lớp áp điện và đế silicon bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và mô hình mạch tương đương. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã mô hình hóa và mô phỏng cảm biến dưới dạng 2D và 3D sử dụng phần mềm ANSYS (bản demo). Các dạng sóng bề mặt di chuyển giữa hai hệ điện cực (IDT_Inter Digital Tranducer) đã được quan sát. Với khoảng cách giữa 2 ngón tay là 10 µm và độ rộng ngón tay là 10 µm. Kết quả thu được vận tốc sóng bề mặt xấp xỉ 5000 m/s. Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các kết quả thực nghiệm đã công bố trước đây. Bên cạnh đó, các nhà khoa học còn mô phỏng thành công sự ảnh hưởng của độ ẩm, nhiệt độ môi trường đến đáp ứng tần số của cảm biến SAW. Phương pháp thực hiện xét thông qua sự thay đổi các tham số như mật độ, độ dẫn diện của các lớp vật liệu. Đây là các kết quả khá mới vì các nhóm khác chỉ mô phỏng giả lập thêm một lớp vật liệu mới trên cảm biến khi hấp thụ độ ẩm nhưng không xét đến sự thay đổi các tham số vật liệu của cảm biến. Trên cơ sở độ tin cậy của phương pháp mô phỏng, nhóm nghiên cứu đã áp dụng để thiết kế cho cảm biến SAW ở phần thực nghiệm tiếp theo.
2) Tổng hợp các vật liệu nhạy và khảo sát tính nhạy khí của chúng tại nhiệt độ đốt nóng khác nhau theo cơ chế thay đổi điện trở:
- Đã tổng hợp thành công lớp vật liệu nhạy khí H2 với cấu trúc hạt Pt với kích cỡ khoảng 0,1µm phân tán trên màng đơn lớp graphene (dạng 2D) và thử nghiệm đo khí H2 với nồng độ lên đến 10,000 ppm tại nhiệt độ đốt nóng thay đổi từ nhiệt độ phòng đến khoảng 200oC. Kết quả tại nhiệt độ 150oC đã hấp thụ tốt với khí H2 đặc biệt thời gian đáp ứng và phục hồi đã được cải thiện tốt còn 6s/19s.
- Đối với khí CO, nhóm nghiên cứu đã thực hiện tương tự nhưng vật liệu nhạy chính là ZnO/3D-RGO (Zinc oxide/3D reduced graphene oxitde). Sự kết hợp của cấu trúc ZnO dạng hạt và 3D graphene đã làm tăng diện tích tiếp xúc riêng và tăng độ linh động và số hạt mang điện trên bề mặt cấu trúc, điều đó cho phép dễ dàng tạo ra các liên kết điện tử với khí cần đo khi nhiệt độ bề mặt tăng. Kết quả là cấu trúc cảm biến này ở chế độ làm việc thường (điện trở thay đổi) với nồng độ khí CO khoảng từ 1-1000ppm và nhiệt độ đốt nóng ở 200oC đã gần như thu được thời gian đáp ứng và phục hồi nhanh nhất (7sec/9sec) so với hầu hết các nghiên cứu của các nhóm nghiên cứu khác trước đây (khoảng từ 10sec lên đến vài chục phút). Đây là sự cải thiện có ý nghĩa cho cảm biến khí loại này. Điều đó làm tăng khả năng phát hiện nhanh khí độc trong môi trường và đồng thời giảm công suất tiệu thụ.
*Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (Mã số 14844) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.