Mã số N2019: Giải pháp chế tạo cảm biến UVC trên nền GaOOH pha tạp Sn bằng phương pháp thủy nhiệt

Bức xạ tử ngoại C (UVC, bước sóng 200–280 nm) được quan tâm trong các ứng dụng như giám sát nguồn bức xạ, hệ thống khử khuẩn và một số hệ thống an toàn chuyên dụng. Để sử dụng UVC một cách có kiểm soát, cần có cảm biến có khả năng chuyển tín hiệu chiếu sáng thành tín hiệu điện có thể đo và theo dõi.

Các vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng, trong đó có gallium oxyhydroxide (GaOOH), là hướng nghiên cứu tiềm năng cho cảm biến UVC. Tuy nhiên, các cảm biến GaOOH đã được báo cáo thường có độ đáp ứng còn hạn chế. Vì vậy, việc nghiên cứu điều chỉnh thành phần vật liệu và trạng thái bẫy điện tích để cải thiện đáp ứng quang là vấn đề kỹ thuật mà giải pháp hướng tới.

Ảnh prototype cảm biến Sn-GaOOH/ITO trên đế kính

Giải pháp nghiên cứu chế tạo cảm biến UVC trên nền GaOOH pha tạp thiếc (Sn) bằng phương pháp thủy nhiệt trực tiếp trên đế kính phủ điện cực ITO đã tạo hình. Tiền chất gallium nitrate và tin(II) chloride dihydrate được hòa tan riêng, phối trộn theo các mức Sn có tỷ lệ 0%, 1%, 2%, 3% và 4%; dung dịch được điều chỉnh đến pH khoảng 9, sau đó tiến hành thủy nhiệt ở 160 °C trong 3 giờ. Thiết bị sau phản ứng được lấy ra và sấy ở 75 °C trong 10 phút.

Cấu trúc thiết bị sử dụng các cặp điện cực ITO dạng răng lược trên kính; khoảng cách điện cực được báo cáo là 250 μm và chiều dài điện cực 4,25 mm. Hình thái bề mặt, cấu trúc và tính chất quang điện được khảo sát bằng FE-SEM, Raman, XRD và phép đo dòng–điện áp/dòng–thời gian dưới chiếu sáng UVC 254 nm.

Sơ đồ quy trình tổng hợp thủy nhiệt và cấu trúc điện cực

Nguyên lý hoạt động dựa trên sự thay đổi dòng điện khi vật liệu được chiếu sáng UVC. Kết quả nghiên cứu cho thấy Sn làm thay đổi hình thái và phân bố trạng thái khuyết tật/bẫy trong lớp GaOOH. Trong điều kiện tối, các trạng thái bẫy trong vật liệu có thể bắt giữ một phần hạt tải điện, làm hạn chế dòng điện qua thiết bị. Khi được chiếu sáng UVC, các hạt tải quang sinh làm thay đổi trạng thái chiếm giữ của các bẫy, góp phần cải thiện khả năng vận chuyển điện tích và làm tăng dòng quang. 

Ảnh FE-SEM của mẫu 0–4% Sn

Điểm mới của giải pháp là khảo sát có hệ thống ảnh hưởng của hàm lượng Sn đến đáp ứng UVC và phân tích mối liên hệ giữa trạng thái bẫy, đặc tính vận chuyển điện tích và các chỉ số đáp ứng của cảm biến. Theo bài báo sử dụng làm căn cứ, mẫu 4% Sn cho độ đáp ứng cao nhất trong dãy mẫu đã khảo sát. Tuy nhiên, Raman cũng cho thấy có thể xuất hiện một lượng nhỏ pha liên quan β-Ga₂O₃ ở mẫu 4% Sn; vì vậy, không quy toàn bộ mức tăng đáp ứng chỉ riêng cho pha tạp Sn.

Kết quả áp dụng và hiệu quả:

Kết quả nổi bật được báo cáo ở mẫu 4% Sn: độ đáp ứng 4,92 mA/W, EQE khoảng 2,4%, thời gian tăng 0,16 s và thời gian giảm 0,23 s. Phân tích cho thấy đáp ứng liên quan đến vận chuyển điện tích bị chi phối bởi trạng thái bẫy và sự lấp bẫy một phần dưới chiếu sáng. Giải pháp hiện ở giai đoạn prototype đã được kiểm chứng trong phòng thí nghiệm, chưa triển khai tại doanh nghiệp hoặc thương mại hóa.

So sánh trong cùng nghiên cứu cho thấy độ đáp ứng của mẫu không pha tạp là 0,14 mA/W tại điều kiện đo được nêu trong phần thảo luận; mẫu 4% Sn đạt 4,92 mA/W. Các mẫu 3% và 4% Sn có độ đáp ứng cao hơn các mẫu có hàm lượng Sn thấp trong dãy khảo sát. Kết quả cho thấy việc điều chỉnh thành phần có tiềm năng cải thiện tín hiệu quang điện của thiết bị.

Các kết quả trên là hiệu quả kỹ thuật được xác định bằng phép đo trong phòng thí nghiệm.

Hiệu quả kỹ thuật và bằng chứng định lượng

Phân tích vận chuyển điện tích/trạng thái bẫy và phụ thuộc công suất chiếu sáng

So sánh tham khảo trong bài báo ghi nhận độ đáp ứng 0,29 mA/W ở 250 nm đối với một cấu trúc α-GaOOH/α-Ga₂O₃ và 0,09 mA/W ở 255 nm đối với α-GaOOH pha tạp Al; các điều kiện đo giữa công trình có thể khác nhau, vì vậy bảng so sánh chỉ mang tính tham khảo và không thay thế đánh giá chuẩn hóa.

Bên cạnh kết quả tích cực, nghiên cứu cũng ghi nhận mẫu 4% Sn có dấu hiệu xuất hiện một pha nhỏ liên quan β-Ga₂O₃ theo phổ Raman, trong khi XRD không quan sát được đỉnh nhiễu xạ riêng biệt rõ ràng do lớp vật liệu mỏng và tín hiệu nền từ ITO/kính. 

Đỗ Huy Bình (Trường Đại học Công nghệ Kỹ thuật TP. HCM)