1
BÁO CÁO NGHIỆM THU
Tên đề tài: Tổng hợp vật liệu ZnO có cấu trúc một chiều (1D) nhằm hướng
tới ứng dụng trong Pin mặt trời dị thể khối vô cơ/hữu cơ.
Chủ nhiệm đề tài: Đinh Thị Mộng Cầm
Cơ quan chủ trì: Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ.
Thời gian thực hiện đề tài: 1 năm
Kinh phí được duyệt: 80 triệu đồng
Kinh phí đã cấp: 72 triệu đồng theo TB số : 145/ TB-SKHCN ngày
24/11/2011
Mục tiêu:
- Nghiên cứu và chế tạo vật liệu vô cơ ZnO có cấu trúc một chiều (1D)
(nanorod). Vật liệu chế tạo được có cấu trúc tinh thể tốt, độ đồng đều và định
hướng tinh thể cao.
- Xây dựng quy trình tổng hợp ZnO có cấu trúc1D từ việc khảo sát ảnh hưởng
của các thông số chế tạo lên cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt và các tính
chất của ZnO 1D tổng hợp được.
Nội dung: (Theo đề cương đã duyệt và hợp đồng đã ký
Công việc dự kiến
Công việc đã thực hiện
Tập hợp tài liệu, hoàn chỉnh các
hệ chế tạo (thiết kế lại hệ
magnetron) cho phù hợp với
nghiên cứu của đề tài
- Hệ phún xạ magnetron hoạt động ổn
định, có độ lặp lại cao.
- Các hệ chế tạo khác: hệ nhúng, hệ spin
hoạt động tốt
Chế tạo vật liệu vô cơ ZnO có
cấu trúc 1D (nanorod.
Vật liệu có cấu trúc dạng thanh nano ZnO có
chiều dài vài trăm nanomet; đường kính khoảng
50 - 100nm. Mật độ thanh cao, cấu trúc tinh thể
tốt và định hướng của các thanh thẳng đứng
vuông góc với đế.
Qui trình chế tạo
Qui trình ổn định, có tính lặp lại cao.
Một báo cáo khoa học trong Hội
nghị khoa học lần thứ 8,
11/2012, Trường ĐH Khoa học
Đinh Thị Mộng Cầm*, Nguyễn Thanh Bình,
Phạm Nguyễn Nhật Minh, Vũ Đức Lân, “Ảnh
hưởng của lớp mầm lên hình thái cấu trúc và tính
3
Tự nhiên TPHCM.
chất phát quang của các thanh nano ZnO”.
Một báo cáo khoa học trong Hội
nghị Quang học, quang phổ toàn
quốc lần thứ 7, 11/2012,
TPHCM.
Đinh Thị Mộng Cầm*, Nguyễn Hoàng Thảo
Linh, Nguyễn Thanh Hoàng, Nguyễn Chí Thắng,
Nguyễn Thị Kiều Ngân, “Synthesis of ZnO
nanowire on Ti/glass substrates by D.C
magnetron sputter deposition”.
Một đề tài cử nhân năm 2013
Tên đề tài: Tính chất quang và cấu trúc của ZnO
nanorod phát triển trên graphene oxide và reduce
graphene oxide.
dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng. Hơn nữa, năng lượng mặt trời là kho tài
nguyên vô tận chưa được khai thác triệt để. Mặt trời liên tục cung cấp cho trái đất
lượng năng lượng khổng lồ, khoảng 120000 TW (terawatts) mỗi ngày trong khi đó
nhu cầu năng lượng của nhân loại chỉ 13TW/ngày (năm 2000) (dự kiến đến năm
2050 là 30 TW/ngày). Điều này có nghĩa là chỉ cần 0.1% năng lượng mặt trời chiếu
xuống trái đất và hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời (PMT) đạt 10% sẽ đáp ứng
đủ nhu cầu năng lượng của chúng ta. Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quí
giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày cạn kiệt, giảm phát khí
thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, năng lượng sản xuất được từ mặt trời
vẫn còn ít hơn 0.1% nhu cầu năng lượng toàn cầu [1]. Rào cản lớn nhất cho việc sử
dụng năng lượng mặt trời trên phạm vi rộng là giá thành cao và hiệu suất của PMT
chưa tương xứng.
Khái niệm vật liệu nano chỉ mới xuất hiện trong thời gian gần đây nhưng đã
thu hút sự chú ý rất lớn của cả thế giới. Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và
công nghệ nano cuối thế kỷ 20 là một bước ngoặc lớn. Việc cho ra đời vật liệu (đặc
biệt là vật liệu bán dẫn vô cơ) có cấu trúc nano (vật liệu nano) thay thế cho các loại
vật liệu truyền thống đắt tiền và khó chế tạo đã giúp cải thiện đáng kể tính chất và
giá thành của PMT. Từ đó có thể đưa PMT vào sử dụng với qui mô lớn và thay thế
các nguồn năng lượng truyền thống khác trong một tương lai không xa.
5
Trong các vật liệu nano, vật liệu bán dẫn vô cơ ZnO có cấu trúc một chiều
(ZnO 1D) đang được nghiên cứu sôi động nhất trong những năm gần đây. ZnO có
các đặc tính rất đặc biệt và được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực khoa học kỹ
thuật. Với sự kết hợp những tính chất nổi bật của vật liệu ZnO và những đặc trưng
độc đáo của cấu trúc 1D, ZnO 1D sẽ là vật liệu đầy hứa hẹn và có ý nghĩa quan
trọng trong nghiên cứu khoa học cũng như trong các ứng dụng kỹ thuật cao, đặc
biệt ứng dụng trong PMT dị thể vô cơ/hữu cơ (PMT thế hệ 4). Trong cấu trúc PMT
này, ZnO 1D đóng vai trò là các đường truyền dẫn điện tích trực tiếp đến các điện
cực. Đồng thời, với cấu trúc 1D sẽ làm tăng diện tích tiếp xúc của ZnO với vật liệu
Nguyên tắc hoạt động chung của PMT có thể khác nhau tùy loại ứng dụng,
tuy nhiên phải đảm bảo thực hiện hai giai đoạn chính:
- Hấp thụ photon ánh sáng kích thích và chuyển thành cặp điện tử - lỗ
trống liên kết (hay exciton).
- Phân tách cặp điện tử - lỗ trống và chuyển các điện tích này về các điện
cực tương ứng và dẫn ra mạch ngoài.
1.1.1. Nguyên lý hoạt động của PMT truyền thống tiếp xúc p-n:
Các loại PMT dựa trên mối nối p-n hoạt động chung theo một nguyên lý hoạt
động:
Điện trường tiếp xúc này được hình thành khi cho 2 bán dẫn loại n và loại p
tiếp xúc nhau. Lớp tiếp giáp giữa hai loại bán dẫn p và n gọi là lớp chuyển tiếp p-n.
Do sự chênh lệch mức fermi nên sẽ có dòng khuếch tán các hạt dẫn điện tử từ bên n
sang bên p và lỗ trống từ bên p sang bên n để lại các điện tích dương ở lớp chuyển
tiếp của bán dẫn n và các điện tích âm ở lớp chuyển tiếp của bán dẫn p. Sự tạo ra
các điện tích cố định này sinh ra một điện trường tiếp xúc (điện trường nội) trong
vùng chuyển tiếp có chiều chống lại sự gia tăng dòng khuếch tán của điện tử, lỗ
trống.
Điện trường tiếp xúc này kéo các hạt tải không cơ bản mang điện tích trái
dấu theo 2 hướng ngược nhau, đây là bản chất của hiện tượng tách hạt tải của lớp
chuyển tiếp p-n. Ở trạng thái cân bằng, có sự cân bằng của dòng khuyếch tán và
7
dòng trôi do tác dụng của điện trường tiếp xúc. Do vậy dòng chuyển tiếp xem như
bằng 0 ở điều kiện lý tưởng.
Khi chiếu chùm sáng lên PMT theo lý thuyết lượng tử ánh sáng, các hạt
photon mang năng lượng
hc
E
. Trong những photon tới chỉ có những photon có
tiếp xúc lớn hơn nhiều.
Hình 1.3. Nguyên lý cấu tạo PMT c-Si.
Ưu điểm:
- Yêu cầu kỹ thuật tinh vi.
- Phạm vi quang phổ hấp thụ rộng.
- Độ linh động hạt tải cao.
- Hiệu suất PMT cao (PMT c-Si thương mại hiệu suất khoảng 11%-14%).
Nhược điểm:
- Yêu cầu công nghệ sản xuất đắt tiền.
- Vật liệu phải có độ dày thích hợp và tinh khiết để hấp thụ hầu hết photon
tới.
- Vật liệu phải có chiều dài khuếch tán hạt tải thiểu số lớn để đạt hiệu quả
trong việc vận chuyển hạt tải quang sinh.
9
1.2.2. Thế hệ 2:
Bao gồm SC silic vô định hình (a-Si), SC Silic đa tinh thể, SC CdTe, SC
CIGS. Chế tạo trên nền mối nối p-n hoặc p-i-n.
Ưu điểm:
- Diện tích phơ sáng lớn.
- Gọn nhẹ.
- Có thể tích hợp nhiều chức năng.
- SC a-Si cho hiệu quả lượng tử cao hơn với đa nối (trong phòng thí
nghiệm, hiệu suất SC đơn nối đạt 8%, đa nối lên đến 20%).
- Đối với SC CdTe, hiệu suất chuyển đổi ở phòng thí nghiệm là 16,5% ,
quy mô công nghiệp là 8-10%, ưu thế là chi phí sản xuất thấp và ổn định lâu dài.
- Đối với SC CIGS, hiệu suất chuyển đổi là hơn 10% và chi phí sản xuất
thấp do đó nhanh chóng đi vào sản xuất công nghiệp.
- Kích thước và hình dạng của hệ rất phong phú và có thể tùy chỉnh theo
nhu cầu sử dụng,
Nhược điểm:
- Hiệu suất thường không cao, PMT bán dẫn oxit 10%, PMT hữu cơ 2-5%
1.2.4. Thế hệ 4:
Trong PMT hữu cơ chỉ có polymer liên hợp, độ linh động của điện tử rất
thấp, nên exciton (cặp điện tử và lỗ trống) mới sinh ra có thời gian sống rất ngắn,
chúng nhanh chóng tái hợp trong quá trình khuếch tán. Hơn nữa, điều kiện lý tưởng
là tất cả exciton được kích thích phải tới được địa điểm phân tách – bề mặt tiếp xúc
11
giữa chất nhận và cho điện tử. Vì những vị trí phân tách có thể nằm tại điểm cuối
của vật liệu bán dẫn và khoảng khuếch tán exciton trong vật liệu polymer thường
vào khoảng 10 nm do vậy cần giảm độ dày của lớp vật liệu polymer đến cỡ độ dài
khuếch tán (10 nm) – nếu không thì chúng tái hợp với nhau và như vậy photon tới
sẽ bị lãng phí. Tuy nhiên, với kích thước quá mỏng này, hiệu suất hấp thụ ánh sáng
của lớp polymer bị giới hạn dẫn đến hiệu suất chuyển đổi thấp (khoảng 2,5%). Để
khắc phục hiệu suất hấp thụ ánh sáng độ dày của lớp polymer phải lớn hơn 100 nm
để hấp thụ hết ánh sáng trong vùng UV-VIS. Với độ dày trên 100 nm, để vẫn đảm
bảo các exciton đến mặt tiếp xúc cao (quá trình phân tách các exciton sẽ cao) chất
cho và nhận điện tử sẽ được pha trộn với nhau trong cấu trúc dị thể khối (hình 1.7).
Sự phát triển gần đây cho thấy, các cấu trúc dị thể khối giữa chất nhận và cho điện
tử (electron acceptor – donor): polymer – fullerene, polymer – polymer và polymer
– các tinh thể nano, có thể tạo được PMT hữu cơ có hiệu suất chuyển đổi cao hơn.
Bởi vì, trong cấu trúc này, quá trình phân tách điện tích bởi quang năng được tăng
cường do diện tích mặt tiếp xúc giữa 2 chất donor và acceptor lớn. Tuy vậy, cấu
trúc này có khuyết điểm trong cơ chế truyền dẫn điện tích bởi vì cơ chế truyền dẫn
điện tích dựa trên mạng lưới các đường dẫn của 2 chất thành phần trong lớp hỗn
hợp, việc tạo ra các đường dẫn này là yêu cầu khó đối với quá trình tổng hợp vật
liệu hữu cơ (polymer dẫn) [4].
13
Chương 2: Khái quát về vật liệu ZnO
2.1. Giới thiệu về vật liệu ZnO:
Vật liệu ZnO được nghiên cứu rất sớm năm 1912 và cho đến ngày nay ZnO
vẫn còn thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học. ZnO đóng vai trò quan trọng với
nhiều ứng dụng trong cuộc sống như lĩnh vực y tế, bán dẫn, sinh học
Trong lĩnh vực y tế, vật liệu ZnO, đặc biệt là ZnO có cấu trúc nano, được
ứng dụng rộng rãi nhờ có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm, xúc tác và có tính
tương hợp.
Trong lĩnh vực bán dẫn, vật liệu bán dẫn ZnO được đặc biệt chú ý nhờ vào
tính áp điện và tính chất quang của nó. Đầu tiên, ZnO là một vật liệu bán dẫn có độ
rộng vùng cấm lớn (Eg = 3.37 eV) có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các thiết bị
quang điện tử, chẳng hạn như laser bước sóng ngắn, diode phát quang…Chúng còn
phát xạ ở vùng hồng ngoại gần và trong suốt đối với ánh sáng khả kiến. Thứ hai,
ZnO có năng lượng liên kết exiton lớn (60 meV) cao hơn nhiều so với các vật liệu
thông thường khác được dùng trong các thiết bị phát quang màu xanh lục như ZnSe
(22 meV) và GaN (25 meV). Thứ ba, với cấu trúc không đối xứng tâm, ZnO là một
vật liệu áp điện, được ứng dụng trong các sensor cảm biến điện hóa và bộ cảm biến.
ZnO còn được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, sản xuất sơn, chế tạo
các thiết bị chống ăn mòn, chất xúc tác và ứng dụng trong mỹ phẩm (kem chống
nắng) do khả năng ngăn chặn tia cực tím.
2.2. Cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu ZnO: [9]
ZnO thuộc họ bán dẫn hợp chất II - VI. ZnO kết tinh theo ba dạng cấu trúc:
hexagonal wurtzite, zince blende và rocksalt. Trong đó cấu trúc Hexagonal wurtzite
là cấu trúc phổ biến nhất. Dạng liên kết của cấu trúc Hexagonal wurtzite của ZnO
dựa trên liên kết đồng hóa trị của một nguyên tử với bốn nguyên tử lân cận (sắp xếp
(216). Khoang tứ diện chứa
kẽm định hướng song song nhau, ngược với hướng của khoang trống. Như vậy, tinh
thể ZnO có thể được mô tả bằng hai mạng lập phương tâm mặt dịch chuyển đối với
nhau theo phương đường chéo chính một đoạn bằng
3
4
a
(với a = 0.458 nm là
hằng số mạng). Trong đó, các nguyên tử Zn nằm ở các nút của một trong hai mạng
lập phương tâm mặt và các nguyên tử O nằm ở các nút của mạng kia.
2.2.3. Cấu trúc hexagonal wurtzite
Cấu trúc hexagonal wurtzite: là cấu trúc phổ biến nhất của ZnO trong tự
nhiên. Cấu trúc wurtzite thuộc lớp đối xứng điểm 6mm và nhóm đối xứng không
gian tương ứng là P6
3
mc (186). Trong một ô cơ sở có 2 nguyên từ O và 2 nguyên
tử Zn, tọa độ các nguyên tử như sau:
2O : (0,0,0) ; (
2
1
,
3
2
,
2
1
)
2Zn : (0,0,u) ; (
2
1
được xác định a= 0.3296 nm ; c=0.52660 nm và tỉ số c/a =1.60 rất gần với tỉ số c/a
của mạng lục lăng lý tưởng (1.63). Có thể mô tả mạng lục giác wurzite cấu tạo từ
hai mạng lục giác xếp chặt lồng vào nhau: một mạng lục giác chứa các nguyên tử
Zn và một mạng lục giác chứa các nguyên tử O, tịnh tiến theo trục z một đoạn bằng
3/8c. Xung quanh mỗi nguyên tử có mười hai nguyên tử lân cận bậc hai: sáu nguyên
tử ở đỉnh lục giác nằm trong cùng mặt phẳng với nguyên tử ban đầu và cách nguyên
tử ban đầu một khoảng a; sáu nguyên tử còn lại tạo thành một lăng trụ tam giác gồm
ba nguyên tử ở mặt cao hơn, ba nguyên tử nằm ở mặt phẳng thấp hơn mặt phẳng kể
trên, sáu nguyên tử này cách nguyên tử ban đầu một khoảng
22
11
24
acHình 2.4. Sự sắp xếp các nguyên tử trong tinh thể wurzite ZnO.
2.3. Dạng liên kết trong tinh thể:
Cấu trúc Wurzite gồm những nguyên tử có liên kết cộng hóa trị với nhau.
Khi nằm tại những vị trí ổn định trong mạng tinh thể, các nguyên tử phải có lớp vỏ
ngoài cùng bão hoà điện tử. Hai nguyên tử Zn và O có khả năng đạt tới lớp vỏ ổn
định trên bằng cách “dùng chung” một hay nhiều đôi điện tử. Khi đó, liên kết cộng
hóa trị được hình thành. Để tạo thành liên kết cộng hóa trị, các nguyên tử thành
phần của phân tử phải có những điện tử chưa kết đôi ở lớp ngoài.
Đối với Zn không còn điện tử độc thân nào do phân lớp 4s
2
đã lấp đầy. Vì
thế, trước khi hóa hợp, nguyên tử phân bố lại điện tử, chuyển chúng vào trạng thái
17
kích thích. Một trong hai điện tử của phân lớp 4s
nhau của một khối tứ diện gần đều với kẽm là tâm của khối tứ diện đó.
Hình 2.5. Đường cong phụ thuộc của tỉ lệ phần trăm (%) liên kết ion vào hiệu giá trị điện âm của
anion và cation trong cấu trúc
Tuy nhiên, tùy độ lớn của hiệu giá trị điện âm, hai nguyên tử A và X có thể
cho một hợp chất A
m
X
n
bằng dạng liên kết với bản chất trội của một trong hai dạng
18
là ion hay cộng hóa trị. Nhiều tác giả như Pauling, Povarennykh v.v…, đã mô tả
tương quan trên bằng đồ thị (hình 2.5).
Thực chất, liên kết trong ZnO là liên kết trung gian giữa liên kết ion và liên
kết cộng hóa trị hay còn gọi là liên kết lai. Khảo sát trạng thái liên kết hóa học của
hợp chất ZnO trong tự nhiên cho thấy liên kết ion trội hơn chiếm khoảng 62%.
Lực tương tác tĩnh điện của các ion mang điện trái dấu làm nên liên kết ion.
Theo quy tắc hóa trị tĩnh điện của Pauling L., năm 1929, trong cấu trúc tinh thể bền
vững, tổng năng lượng của các mối liên kết nối một cation với các anion gần kề
đúng bằng điện tích của cation ấy. Lực liên kết tĩnh điện (đo bằng giá trị tuyệt đối)
là điện tích hóa trị của ion (z) chia cho số phối trí (n) của nó, tức là z : n. Giá trị
nhận được gọi là hóa trị tĩnh điện, là số đo lực liên kết mà các ion liền kề nhận được
từ nó. Trong ZnO, ion kẽm có 4 ion oxi vây quanh trong đa diện phối trí tứ diện và
lực liên kết mỗi ion oxi nhận được từ nó, hóa trị tĩnh điện, là 2/4 = 1/2. Như vậy, 4
mối liên kết nối ion Zn
2+
trung tâm với 4 ion O
2+
gần nhất quanh nó hoàn toàn trung
Hình 2.7. a) Hai mặt phân cực chủ yếu trong cấu trúc wurzite; b) Các mặt phân cực ±(0001), ±(10
1), ±(10 )
Ở hình 2.7b, bên cạnh hai mặt phân cực đặc trưng nhất ±(0001), ±(10
1
1),
±(10
11
) cũng là những mặt phân cực. Trong đó, kiểu mặt (10
1
1) thường không phổ
biến trong tinh thể ZnO, chúng chỉ được quan sát trong cấu trúc nano xoắn
(nanohelical). Sự tích điện trên các mặt phân cực là sự tích điện của ion, nghĩa là
không di chuyển và không thay đổi. Bởi vì năng lượng tương tác giữa các hạt mang
20
điện phụ thuộc vào sự phân bố của chúng trong không gian. Cấu trúc tinh thể được
sắp xếp sao cho cấu hình đạt đến mức năng lượng tĩnh điện là cực tiểu. Đây là lý do
chính thúc đẩy chính cho sự phát triển mặt phân cực làm chi phối cấu trúc nano. Về
mặt cấu trúc, ZnO có ba hướng phát triển nhanh: <2
11
0> (±[2
11
0] , ±[
1
2
1
0]
,±[
11
khỏi vị trí cân bằng (vị trí nút mạng) và đi vào xen kẽ giữa các nút mạng hoặc dời
khỏi mạng tinh thể, để lại một vị trí trống (nút khuyết) ở nút mạng cân bằng cũ.
Có 2 dạng sai hỏng điểm:
- Sai hỏng Schottky: gây ra do thăng giáng nhiệt hoặc va chạm, một
nguyên tử ở bề mặt có thể bứt ra khỏi tinh thể để lại một vị trí trống, các nguyên tử
bên trong có thể nhảy vào vị trí trống đó và tạo ra một nút khuyết. Năng lượng để
tạo ra một nút khuyết là nhỏ, cỡ vài eV nên mật dộ nút khuyết này khá lớn. Xảy ra ở
mặt phân giới.
- Sai hỏng Frenkel: do thăng giáng nhiệt, một nguyên tử có thể bứt ra khỏi
vị trí cân bằng và dời đến xen giữa vào các vị trí nguyên tử khác. Như vậy đồng thời
hình thành một nút khuyết và một nguyên tử xen kẽ .Năng lượng để hình thành sai
hỏng này là rất lớn nên mật độ sai hỏng này thường nhỏ. Xảy ra trong long vật liệu.
Trong tinh thể ZnO tồn tại các vị trí trống Oxi và các nguyên tử Zn xen kẽ
trong tinh thể. Các khuyết tật này là nguồn gốc ảnh hưởng đến các tính chất điện và
quang của ZnO.
2.5.2. Sai hỏng điện tử:
Sai hỏng điện tử là sự sai biệt cấu trúc lớp vỏ điện tử ngoài cùng (thừa hoặc
thiếu electron) so với lớp vỏ liên kết bền vững, xảy ra khi các electron hóa trị bị
kích thích lên mức năng lượng cao hơn. Sự kích thích này có thể tạo ra một electron
trong vùng dẫn hoặc một lỗ trống trong vùng hóa trị .
Hình 2.9. Các mức năng lượng sai hỏng trong tinh thể Zn.
22
2.6. Các tính chất cơ bản của ZnO:
2.6.1. Tính chất điện:
ZnO là bán dẫn loại n độ rộng vùng cấm E
g
=3.37eV ở nhiệt độ phòng. ZnO
tinh khiết là chất cách điện ở nhiệt độ phòng nhưng thực chất luôn tồn tại sai hỏng.
2
). Hai phát xạ này được tạo ra bởi những sai hỏng điểm như khuyết O
2
hoặc vật liệu không tinh khiết (phát xạ xanh lục) và những sai hỏng bên trong cấu
trúc vật liệu ZnO như các khe hở O
2
do sự thừa O
2
trong mẫu (phát xạ vàng cam).
2.6.3. Tính áp điện:
Tính áp điện là tính chất của vật liệu khi tác dụng vào nó một lực cơ học theo
phương thích hợp thì nó tạo ra dòng điện, ngược lại khi áp vào nó một điện trường
thì hình dạng vật liệu bị thay đổi. Đặc tính này thường xuất hiện trong những cấu
trúc tinh thể có sự phân cực bề mặt và không có đối xứng tâm.
Đặc trưng quan trọng nhất của cấu trúc wurzite là không đối xứng tâm.
Chính vì vậy, ZnO có tính áp điện: tâm của điện tích dương và tâm của điện tích
âm có thể đổi chỗ cho nhau do sự biến dạng mạng tinh thể được tạo bởi áp lực
ngoài. Kết quả của sự đổi chỗ cho nhau này tạo ra những moment lưỡng cực địa
phương khắp tinh thể. Trong số các chất bán dẫn có liên kết tứ diện thì ZnO có
tensor áp điện cao nhất.
Với cấu trúc không đối xứng tâm thì tinh thể ZnO còn có khả năng phân cực
tự phát và bề mặt phân cực đã chi phối cấu trúc nano. Các khối tứ diện xếp chồng
lên nhau theo hướng [0001]. Do các nguyên tử oxi và các nguyên tử kẽm có thể đổi
chỗ cho nhau theo hướng [0001]. Kết quả là bề mặt (0001) của ZnO được tích điện.
Tính áp điện của ZnO cũng được nghiên cứu cho các ứng dụng trong các hệ
thống đo lực.
Hình 2.10. Hiệu ứng áp điện trong mô hình phối vị tứ diện cation-anion
24
cấu trúc nano 1D (ZnO 1D) là sự kết hợp những đặc tính nổi bật của vật liệu bán
25
dẫn ZnO và những đặc trưng độc đáo của cấu trúc 1D sẽ tạo ra vật liệu đầy hứa hẹn
và có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu khoa học cũng như trong các ứng dụng
kỹ thuật cao đặc biệt ứng dụng trong pin mặt trời khối dị thể vô cơ/hữu cơ. Ngoài
ra, vật liệu ZnO có cấu trúc nano 1D phong phú về cấu trúc ( nanorod, nanowire,
nano pencil, nanobelt, nanosaw…) nên dễ dàng lựa chọn cấu trúc phù hợp với mỗi
ứng dụng khác nhau.
Trong cấu trúc một chiều dòng điện tử chỉ di chuyển một chiều theo chiều
mở rộng của ZnO. Đối với vật liệu một chiều thì điện tử tự do được sinh trong quá
trình hấp thu ánh sáng sẽ di chuyển một chiều theo chiều mở rộng nên mất mát năng
lượng của điện tử bị hạn chế, điều này sẽ làm cho vật liệu ZnO có hiệu suất lượng
tử cao so với vật liệu hai hay ba chiều. Vì thế, ZnO 1D (nanorod, nanowire) thường
được làm hiệu ứng dẫn trong pin mặt trời lai hóa hay trong LED lai hóa dị thể. Các
thanh ZnO sẽ đan xen tạo thành ma trận truyền dẫn trong hổn hợp hữu cơ.
Trong cấu trúc nano của ZnO, mặt phân cực là một đặc trưng nổi bật nhất.
Từ việc điều khiển kích thước và sự định hướng của các mặt phân cực, một dải cấu
trúc nano 1D với nhiều hình dạng mới lạ được tổng hợp như: thanh (rod), dây
(wire), hình lược, hình nhẫn, cung, xoắn lò xo, cánh quạt…(hình 2.11). Trong đó,
ZnO nanorod và ZnO nanowire đang được quan tâm nghiên cứu do chúng thích hợp
ứng dụng trong nhiều thiết bị điện tử.
Copyright: Tài liệu đại học ©