ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------
NÔNG NGỌC HỒI
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU
NANO ZnO PHA TẠP Eu3+
Chuyên ngành: Vật lí chất rắn
Mã số: 60440104
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. PHẠM NGUYÊN HẢI
HÀ NỘI - 2015
Luận văn Thạc sĩ khoa học
Nông Ngọc Hồi
LỜI MỞ ĐẦU
Khoa học công nghệ nano là một trong những lĩnh vực hiện đại và liên ngành
giữa vật lý, hóa học và sinh học. Các vật liệu cấu trúc nano, có kích thước từ 1nm
đến 100 nm, có vai trò hàng đầu trong các ứng dụng thực tiễn như: công nghiệp linh
kiện điện tử, công nghệ LED, công nghiệp sơn, thuốc, y dược học, công nghệ sinh
học, … Cho đến nay, rất nhiều nghiên cứu về vật liệu nano nói chung và vật liệu
nano phát quang nói riêng đã được triển khai trên thế giới và ở Việt Nam. Ưu điểm
nổi trội của vật liệu phát quang kích thước nano là có độ mịn cao, có cường độ
huỳnh quang mạnh với độ sắc nét lớn. Trong đó, các ion đất hiếm pha tạp trên nền
trên thế giới nhằm tìm ra các tính chất mới.
Quá trình phát quang của các vật liệu chứa ion đất hiếm là sự chuyển dời nội
tại của lớp điện tử 4f, được che chắn của lớp điện tử bên ngoài nên ít phụ thuộc vào
môi trường và vì vậy tính chất phát quang ổn định. Nhiệt độ tiến hành tổng hợp các
vật liệu nano phát quang này có thể khá thấp, chỉ khoảng từ 60°C cho đến 200°C.
Gần đây, các công bố chế tạo vật liệu phát quang nano trên nền điện môi có khả
năng phát huỳnh quang ngay khi chưa làm sạch sản phẩm phản ứng đã được công
bố với kết quả nghiên cứu thu được các tinh thể kích thước nano pha tạp các ion đất
hiếm với nồng độ cao ngay ở vùng nhiệt độ thấp.
Do có nhiều tiń h chấ t và kh ả năng ứng dụng rộng rãi của vật liệu ZnO, bản
luận văn này tập trung nghiên cứu vật liệu ZnO pha tạp ion đất hiếm Eu3+ với đề tài:
“Nghiên cứu tính chất vật liệu nano ZnO pha tạp Eu3+”.
Bản luận văn này sẽ trình bày phương pháp sol-gel chế tạo bô ̣t tinh thể nano
ZnO và ZnO pha tạp Eu3+. Các tính chất cấu trúc, tính chất hình thái và tính chất
quang của vật liệu được làm rõ bằng việc sử dụng phép đo nhiễu xạ tia X, kính hiển
vi điện tử quét, đo phổ huỳnh quang, kích thích huỳnh quang và phép đo phổ tán xạ
Raman.
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phần phụ lục nội dung
luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan lý thuyết.
Chương 2: Các phương pháp chế tạo mẫu và nghiên cứu tính chất vật liệu.
Chương 3: Kết quả và thảo luận.
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẬT LIỆU ZnO PHA TẠP Eu3+
3
Luận văn Thạc sĩ khoa học
Luận văn Thạc sĩ khoa học
Nông Ngọc Hồi
Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể ZnO trong một ô cơ sở.
Mỗi ô cơ sở có hai phân tử ZnO, trong đó hai nguyên tử Zn nằm ở vị trí
(0,0,0); (1/3,2/3,1/3) và hai nguyên tử O nằm ở vị trí (0,0,u); (1/3,2/3,1/3+u) với
u~3/8. Mỗi nguyên tử Zn liên kết với 4 nguyên tử O nằm trên 4 đỉnh của một hình
tứ diện gần đều. Khoảng cách từ Zn đến 1 trong 4 nguyên tử bằng u.c, còn ba
khoảng cách khác bằng [1/3a3 + c2(u – ½)2]1/2 [17].
Tinh thể ZnO dạng lục giác Wurtzite không có tâm đối xứng nên trong tinh
thể tồn tại trục phân cực song song với mặt (001). Khoảng cách giữa các mặt có chỉ
số Miller (hkl) trong hệ lục giác tuân theo công thức (1.1):
d hkl
1
4 2
(h hk k 2 )
l2
3
a2
c2
(1.1)
Trong đó: h, k, l là các chỉ số mặt Miller và a, c là hằng số mạng Wurtzite.
Hằng số mạngtrong cấu trúc lục giác Wurtzite (JPCDS 36-1451) là a=b=3,249
60 meV
Khối lượng hiệu dụng điện tử
0.24 m0
Khối lượng hiệu dụng lỗ trống
0.59 m0
Độ linh động electron
Khoảng 200 cm2/V.s
Bảng 1.1. Một số thông số vật lý của tinh thể ZnO ở 300K [20].
Cấu trúc tinh thể kiểu lập phương giả kẽm (Hình 1.1 b) là một trạng thái cấu
trúc giả bền của ZnO xuất hiện ở nhiệt độ cao, dạng tinh thể ZnO được hình thành
trên cơ sở mạng lập phương tâm mặt của cation Zn2+ trong đó anion O2- nằm ở 4 vị
trí của tứ diện tại các tọa độ (1/4, 1/4. 1/4), (3/4. 3/4. 1/4). (3/4. 1/4. 3/4). (1/4. 3/4.
3/4) [17].Cấu trúc mạng kiểu NaCl (Hình 1.1 a) xuất hiện ở áp suất thủy tĩnh cao
khoảng 9.7 GPa.
1.1.2. Cấu trúc vùng năng lƣợng của tinh thể ZnO
Tinh thể ZnO có cấu trúc năng lượng là vùng cấm thẳng, cực đại vùng hóa trị
và cực tiểu vùng dẫn cùng nằm tại tâm vùng Brillouin k = 0 (Hình 1.3).
Vùng Brillouin của mạng tinh thể ZnO lục giác Wurzite có hình khối bát
diện. Bằng phương pháp nhiễu loạn có thể tính được vùng năng lượng của mạng lục
giác từ vùng năng lượng của mạng lập phương. Sơ đồ vùng dẫn và vùng hoá trị của
hợp chất nhóm AIIBVI với mạng tinh thể lục giác (Hình 1.4). Trạng thái 2s, 2p và
mức suy biến bội ba trong trạng thái 3d của Zn tạo nên vùng hóa trị. Trạng thái 4s
và suy biến bội hai của trạng thái 3d trong Zn tạo nên vùng dẫn. Từ cấu hình điện tử
cường độ kích thích thì đỉnh phổ sẽ dịch chuyển về phía bước sóng dài [2].
Vùng xanh: Đỉnh phổ huỳnh quang tại ~500 nm nằm trong dải này xuất hiện
là do sự chuyển mức của điện tử xuống donor. Đây chính là tâm sai hỏng của mạng
7
Luận văn Thạc sĩ khoa học
Nông Ngọc Hồi
tạo ra bởi nút khuyết Oxy hoặc do sự thay thế nguyên tử Zn bằng các nguyên tố tạp
chất trong mạng tinh thể ZnO [2].
Vùng vàng cam: Bản chất của dải phổ lân cận 620 nm này là do trong mạng
tinh thể ZnO tồn tại các nút khuyết tại vị trí của Zn hay các ion O ở vị trí điền kẽ,
tạo thành cặp donor-acceptor. Nếu trong ZnO tồn tại tạp chất là các kim loại kiềm
(Li, Na) thì dải sẽ tách ra thành vùng vàng và cam [2].
1.2. Ion đất hiếm và ion Eu3+
Các nguyên tố đất hiếm (RE) bao gồm các nguyên tố hóa học thuộc họ
Lanthan và Actini trong bản tuần hoàn các nguyên tố hóa học, có cấu hình dạng:
1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p64fn5dm6s2 và được đặc trưng bởi lớp điện tử
chưa được lấp đầy 4f. Quỹ đạo 4f của các ion RE được che chắn bởi các quỹ đạo đã
được lấp đầy bên ngoài là 5s2 và 5p6, do đó ảnh hưởng của trường tinh thể mạng chủ
lên các dịch chuyển quang trong cấu hình 4fn là nhỏ.
Trong các oxit kim loại đất hiếm RE2O3, các dịch chuyển hấp thụ bị cấm rất
mạnh theo quy tắc chọn lọc chẵn-lẻ. Do đó, các oxit kim loại đất hiếm thường
không màu. Khi ở trong trường tinh thể, do ảnh hưởng yếu của trường tinh thể mà
đặc biệt là các thành phần lẻ của trường tinh thể, các thành phần này xuất hiện khi
các ion RE chiếm các vị trí không có tính đối xứng đảo. Các thành phần lẻ này trộn
một phần nhỏ các hàm sóng có tính chẵn-lẻ ngược lại với các hàm sóng 4f. Các quy
+ 1 = 1). Trường tinh thể địa phương ảnh hưởng tuy yếu nhưng cũng có thể tạo ra sự
tách các mức năng lượng của trạng thái 7Fj cho các dịch chuyển phát xạ 5D0 → 7Fj.
Ion Eu3+ phát xạ huỳnh quang chủ yếu trong vùng ánh sáng đỏ, có các chuyển dời
bức xạ mạnh nhất từ mức 5D0 → 7F2 trong lớp 4f ở bước sóng khoảng 610 - 620 nm.
Vạch này có ứng dụng quan trọng trong chiếu sáng và hiển thị hình ảnh.
Sự kích thích các ion Eu3+ có thể gián tiếp thông qua mạng chủ hoặc trực tiếp
tới các trạng thái của điện tử 4f. Trong trường hợp kích thích gián tiếp, mạng nền sẽ
truyền
9
Luận văn Thạc sĩ khoa học
Nông Ngọc Hồi
Hình 1.5. Giản đồ năng lượng của các ion RE3+ - Giản đồ Dieke [20].
Hình 1.6. Giản đồ chuyển mức năng lượng của ion Eu3+ [3].
năng lượng cho tâm phát quang để sau đó các chuyển dời nội bộ 4f sẽ phát huỳnh
quang ở vùng phổ mong muốn. Thông thường, quá trình hấp thụ ánh sáng xảy ra
10
Luận văn Thạc sĩ khoa học
Nông Ngọc Hồi
trong vùng bước sóng 270 - 530 nm. Sự phát xạ trong khoảng 570 - 720 nm được
Luận văn Thạc sĩ khoa học
Nông Ngọc Hồi
ZnO khi trộn lẫn với EuCl3 và nung ở 1100C, và chứng minh được rằng ion Eu3+
tồn tại trong mạng tinh thể nền dưới dạng Eu-O-Cl.
1.4. Ứng dụng của ZnO pha tạp Eu3+
Chất bán dẫn ZnO được ứng dụng làm vật liệu dẫn điện, các lớp cửa sổ trong
suốt dẫn điện trong pin mặt trời, các chuyển tiếp dị thể, các thiết bị hiển thị hay bộ
lọc sóng âm và các sensơ nhạy khí; chế tạo các nguồn phát quang, các đầu thu
quang làm việc ở trong các vùng phổ trải rộng từ hồng ngoại đến vùng khả kiến
[25]. Màn hiển thị dải bức xạ (FED- field emission display) là một trong những ứng
dụng đầy hứa hẹn đối với thiết bị hiển thị bảng đồng màu, ứng dụng cho đèn thuỷ
ngân được sử dụng làm nguồn phát cho máy đo phổ huỳnh quang, trong huỳnh
quang cathode từ ZnO:Eu3+ ở chân không10-7 Torr cho CIE ( the Commission
Internationale de l’Eclarage) để đo độ màu trong máy đo màu (Minolta CS-100), ...
Do vậy, việc nghiên cứu tìm hiểu các tính chất vật lý và làm chủ công nghệ chế tạo
vật liệu nano ZnO:Eu3+ có ý nghĩa hết sức quan trọng trong nghiên cứu cơ bản và
định hướng ứng dụng trong công nghiệp điện tử.
1.5. Một số phƣơng pháp chế tạo vật liệu ZnO:Eu3+
1.5.1. Phƣơng pháp gốm
Nguyên liệu ban đầu là các oxit, các muối cacbonate, acetate chứa Eu3+,...được
đem trộn lẫn, sau đó thực hiện nhiều lần các quá trình ép – nung – nghiền đến khi
sản phẩm đạt được độ đồng nhất và độ tinh khiết có thể. Phản ứng pha rắn xảy ra
khi nung hỗn hợp bột các oxit ở nhiệt độ cao (khoảng 2/3 nhiệt độ nóng chảy của
oxit) và diện tích tiếp xúc giữa các chất đem trộn là có giới hạn vĩ mô, nên sản
phẩm đạt được độ đồng nhất không cao. Nguyên nhân là do tại nhiệt độ này, các
chất vẫn ở trạng thái rắn, khi hai hạt rắn tiếp xúc với nhau, ban đầu phản ứng xảy ra
rất nhanh nhưng sau đó do lượng sản phẩm tăng lên sẽ ngăn cản sự tiếp xúc giữa
trong khoảng 400nm đến 850nm. So sánh phổ phát quang do ma sát và phổ phát
quang điện của cùng một dạng mẫu có cùng thành phần và cùng chế độ nung, cho
thấy phổ phát quang ma sát và phổ phát quang điện xuất hiện duy nhất một đỉnh của
sự chuyển dời giữa các mức năng lượng 4f của các ion RE3+ trong khi phổ huỳnh
quang lại chỉ xuất hiện duy nhất đỉnh bức xạ của ZnO. Điều đó kết luận rằng sự
phát quang do ma sát của các ion RE3+ là liên quan tới sự kích thích thích điện, kết
quả của sự phân tích vật liệu giàu RE3+ giữa các hạt tinh thể. Ưu điểm của phương
pháp này là có thể chế tạo được các mẫu bột khác nhau từ pha rắn và dễ thực hiện.
13
Luận văn Thạc sĩ khoa học
Nông Ngọc Hồi
Tuy nhiên, phương pháp có nhược điểm là tốn rất nhiều năng lượng cho quá trình
nung sản phẩm. Đồng thời do quá trình là trộn lẫn ở dạng rắn, sản phẩm thu được có
độ đồng nhất và độ tinh khiết không cao.
1.5.2. Phƣơng pháp đồng kết tủa
Trong phương pháp đồng kết tủa, vật liệu được điều chế bằng cách kết tủa
đồng thời từ các hợp chất chứa nguyên tố kim loại dưới dạng như hydroxide, các
muối cacbonate, oxalate, citrate, ... Sau đó rửa kết tủa, sấy khô, nung và nghiền.
Phản ứng tạo kết tủa phụ thuộc vào tích số tan, khả năng tạo phức giữa ion kim loại
và ion tạo kết tủa. Tính đồng nhất hoá học của vật liệu tuỳ thuộc vào tính đồng nhất
của kết tủa từ dung dịch. Việc chọn điều kiện để các ion kim loại cùng kết tủa là
một việc rất khó khăn và phức tạp. Vì vậy người ta dùng biện pháp tối ưu để kết tủa
hoàn toàn, như thay thế một phần nước bằng một phần dung môi hữu cơ, làm sạch
sâu để tách nước ra khỏi hệ,... Trong phương pháp đồng kết tủa, nếu khống chế tốt
các điều kiện tạo kết tủa thì có thể làm giảm quãng đường khuếch tán khi xảy ra
pháp thủy nhiệt, một gradient nhiệt độ được duy trì giữa hai điểm đầu và cuối của
bình thủy nhiệt. Ở đầu nhiệt độ cao hơn các tiền chất được hòa tan, trong khi đó ở
đầu lạnh hơn hình thành các mầm tinh thể.
Ưu điểm của phương pháp thủy nhiệt hơn các phương pháp khác là khả năng
hình thành pha tinh thể không bền ở điểm nóng chảy (melting point). Do đó, các vật
liệu có áp suất hơi cao gần với điểm nóng chảy cũng có thể được tổng hợp bằng
phương pháp thủy nhiệt. Tuy nhiên, phương pháp này cho sản phẩm có độ đồng
nhất kém và độ sạch không cao.
1.5.4. Phƣơng pháp sol - gel
Phương pháp sol–gel do R.Roy đề xuất năm 1956 [13] cho phép trộn lẫn các
chất ở qui mô nguyên tử do đó sản phẩm thu được có độ đồng nhất và độ tinh khiết
rất cao, bề mặt riêng lớn, dải phân bố kích thích hạt hẹp. Cho đến nay phương pháp
này đã được nhiều nhóm nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Phương pháp Sol-gel
cho phép tạo ra vật liệu bột, khối hoặc màng mỏng. So với các kỹ thuật chế tạo mẫu
15
Luận văn Thạc sĩ khoa học
Nông Ngọc Hồi
theo các phương pháp hóa lý khác, phương pháp Sol-gel không đòi hỏi thiết bị phức
tạp và chi phí cao.
Nung
Dung dịch
ban đầu
cho vào những hỗn hợp lỏng để tạo thành những hợp chất composite. Nhờ khả năng
trộn các chất ở quy mô phân tử, phương pháp Sol-gel không những tổng hợp được
vật liệu siêu mịn có tính đồng nhất và độ tinh khiết cao mà còn có thể tổng hợp
được các tinh thể có kích thước nano, các pha thuỷ tinh, thuỷ tinh – gốm, mà bằng
các phương pháp cũ không tổng hợp được.
Sol là hệ phân tán vi dị thể rắn (hạt keo) phân tán trong chất lỏng. Kích thước
hạt keo từ 10-9 m đến 10-7 m, mỗi hạt keo chứa từ 103 đến 109 nguyên tử. Khi độ
nhớt của Sol tăng lên đáng kể thì những hạt này mất đi pha lỏng đồng thời xảy ra sự
polyme hóa các hạt tạo thành một khối rắn đồng nhất gọi là Gel.
Gel là hệ phân tán vi dị thể lỏng phân tán trong rắn và rắn phân tán trong lỏng.
Trong đó rắn tạo thành khung ba chiều chứa lỏng trong các lỗ hổng của khung.
Xerogel là gel được sấy khô ở khoảng 100C, hoặc để bay hơi tự nhiên một
phần dung môi. Ngoài ra có thể thêm chất làm khô vào dung dịch ban đầu. Chất
16
Luận văn Thạc sĩ khoa học
Nông Ngọc Hồi
thêm làm cho gel khô nhanh mà không tạo nút gãy giống như công nghệ chế tạo
sơn.
Aerogel là gel đã bị mất phần lớn dung môi và chỉ còn lại khung ba chiều.
Tại điểm chuyển pha, dung dịch trở nên rắn lại và độ xốp tăng lên do sự bất ổn
định, sự lắng đọng hoặc siêu bão hòa trong hệ. Chuyển pha sol-gel đạt được khi
dung dịch từ trạng thái ban đầu chỉ có một pha lỏng trở thành dang gel ướt gổm cả
hai pha rắn và lỏng. Quá trình chuyển pha này là bất thuận nghịch.
Thực chất quá trình sol-gel là quá trình polyme hóa vô cơ, bao gồm bốn giai
đoạn liên tiếp:
Luận văn Thạc sĩ khoa học
Nông Ngọc Hồi
Phương pháp phun tĩnh điện là phương pháp tạo màng mỏng vật liệu tương
đố i đơn giản , thuận tiện dễ sử dụng, hao phí dung dịch ít, có thể điều chỉnh tốc độ
dày của màng bằng việc điều chỉnh thời gian phun. Việc khống chế tốt các điều kiện
(như môi trường, điện áp gia tốc các hạt, nhiệt độ đế, …) trong quá trình chế tạo sẽ
có thể tạo ra các màng mỏng có chất lượng tốt.
Trong phương pháp này, hỗn hợp các tiền chất 0,2M/l Zn(CH2COO)2.2H2O
và Eu(NO3)3 (tỷ lệ 2% và 4% khối lượng giữa ZnO Eu3+) được hòa tan trong dung
môi Propan-2-ol (C3H8O) và nước theo tỉ lệ khác nhau để tạo thành một dung dịch,
sau đó khuấy dung dịch. Một lượng dung dịch được bơm vào xi lanh đặt thẳng đứng
trong hệ tạo mẫu. Dưới tác dụng của áp lực bên ngoài và của trọng lực chất lỏng này
sẽ chảy xuống đầu kim phun và tạo thành giọt dung dịch ở đầu kim phun. Các giọt
dung dịch này chịu tác dụng của ba lực là lực điện trường, lực căng mặt ngoài và
trọng lực. Kim phun được nối với nguồn điện áp cao giọt dung dịch được tích một
lượng điện tích lớn. Sự chệnh lệch điện thế rất lớn giữa kim phun và đế kết tinh (cỡ
~17 kV), tạo ra một điện trường rất mạnh, điện trường này phân tách các giọt dung
dịch thành vô số các hạt nhỏ li ti dạng sương mù. Dưới tác dụng của điện trường
chúng chuyển động có hướng tới đế tạo thành màng. Các đế khác nhau thủy tinh,
silic có thể được sử dụng để lắng đọng các mẫu màng trong khoảng thời gian khác
nhau. Nhiệt độ đế có thể được thay đổi để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đế lên
quá trình hình thành cấu trúc tinh thể trên các màng mỏng [5].
1.5.6. Phƣơng pháp phún xạ (Sputtering)
Phương pháp phún xạ (Sputtering) là phương pháp chế tạo màng mỏng hiện
đại có thể chế tạo nhiều hệ vật liệu khác nhau: kim loại, bán dẫn, điện môi, ...[19].
Cơ sở vật lý của các phương pháp phún xạ dựa trên hiện tượng va chạm của các hạt
Chương này chúng tôi trình bày phương pháp mà vật liệu nano ZnO và ZnO
pha tạp Eu3+ có nồng độ khác nhau, chưng cất tại một số nhiệt độ được chế tạo
bằng phương pháp sol-gel đã được chế tạo và các phương pháp thực nghiệm nghiên
cứu tính chất vật lý của vật liệu chế tạo.
2.1. Phƣơng pháp sol-gel tổng hợp vật liệu
Các mẫu ZnO và ZnO:Eu3+ đã được chế tạo tại Phòng thí nghiệm Khoa Hóa
học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội bằng phương pháp sol-gel.
2.1.1. Hoá chất
- Dung dịch Eu3+: Eu2O3 hoà tan trong dung dịch acid nitric HNO3 để thu được
dung dịch có nồng độ khoảng 0,1 M.
- Dung dịch PVA-GL: PVA-GL là một aminoacid có mạch carbon thấp, hoà tan
PVA-GL vào nước đề ion để thu được dung dịch có nồng độ khoảng 2 M.
- Toluen.
- Dung dịch Zn2+: muối Zn(CH3COO)2.2H2O (PA) hoà tan vào trong nước đề
ion có pha thêm một lượng nhỏ acid acetic (để quá trình hoà tan dễ xay ra). Sau đó
đem chuẩn độ nồng độ ion Zn2+ bằng complexon, chỉ thị là ETOO.
2.1.2. Quy trình tổng hợp vật liệu
Dung dịch Zn2+ và dung dịch PVA-GL được trộn lẫn với tỉ lệ mole:
PVA GL 1
Zn
2
1
và khuấy đều trên máy khuấy từ. Đồng thời đun nóng hỗn hợp dung dịch ở
7080C. Trong suốt quá trình khuấy và đun nóng pH của dung dịch được điều
chỉnh từ 45. Việc điều chỉnh pH đảm bảo cho dung dịch không bị kết tủa để có
thể diễn ra quá trình tạo phức giữa ion Zn2+, PVA-GL và quá trình trộn lẫn các cấu
Aerogel
Xerogel
Nung
Nung
ZnO
Hình 2.1. Quy trình tổng hợp vật liệu theo phương pháp Sol-gel.
Đối với vật liệu oxit kẽm pha tạp đất hiếm cũng được tiến hành tương tự. Sau
đó cho bán sản phẩm vào tủ sấy ở 100C,rồi đem nung chúng ở các điều kiện nhiệt
độ.Vật liệu được tạo ZnO và ZnO pha tạp Eu3+ theo tỉ lệ % mole:
x
Eu 3
100%
Zn 2
21
Luận văn Thạc sĩ khoa học
Nông Ngọc Hồi
Với x=0,05%; 0,1%; 0,2%; 0,4%; 1%; 2%;4% 8%;
Các mẫu được nung ở một số nhiệt độ khác: 450C, 500C, 600C và 650C
trong 4 giờ. Các gel tạo thành đều được đem chưng cất đẳng phí. Sản phẩm sau khi
nung được để nguội tự nhiên ở nhiệt độ phòng dược nghiền vật liệu thành bột mịn
Luận văn Thạc sĩ khoa học
Nông Ngọc Hồi
tinh thể. Tinh thể được cấu tạo bởi các nguyên tử sắp xếp tuần hoàn, liên tục có thể
xem là cách tử nhiễu xạ tự nhiên ba chiều, có khoảng cách giữa các khe cùng bậc
với bước sóng tia X. Khi chùm tia đập vào nút mạng tinh thể, mỗi nút mạng trở
thành một tâm tán xạ. Các tia X bị tán xạ giao thoa với nhau tạo nên các vân giao
thoa có cường độ thay đổi theo . Điều kiện để có cực đại giao thoa được xác định
theo định luật phản xạ Bragg:
(2.1)
Trong đó:
-
dhkl là khoảng cách giữa các mặt phẳng phản xạ liên tiếp (mặt phẳng tinh thể) có
các chỉ số Miller (hkl).
Hình 2.2. Nguyên lý hiệu tượng nhiễu xạ tia X
-
là góc tới của chùm tia X.
-
λ là bước sóng tia X.
n = 1, 2, 3… được gọi là bậc phản xạ.
Căn cứ vào vị trí góc nhiễu xạ và dạng tinh thể của vật liệu, ta có thể tính
được các hằng số mạng tinh thể. Bên cạnh đó, cũng có thể xác định được kích thước
hạt tinh thể trung bình bằng công thức Debye – Scherrer:
phẳng nguyên tử) với dữ liệu nhiễu xạ chuẩn có thể xác định được cấu trúc tinh thể
(kiểu ô mạng, hằng số mạng, …) và thành phần pha của loại vật liệu đó.
Trong luận văn này, các kết quả đo phổ nhiễu xạ tia X (XRD) được thực hiện
trên hệ máy nhiễu xạ D5005 (Bruker) – tại Khoa Vật Lý, trường Đại học Khoa học
Tự nhiên với điều kiện: Bức xạ tia X từ anode Cu-Kα có bước sóng 𝛌 = 1,54056 Å,
cường độ dòng điện 30 mA, điện áp 40 kV.
2.2.2. Kính hiển vi điện tử quét
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là thiết bị dùng để chụp ảnh hình thái bề mặt
của vật chất với độ phân giải lớn bằng cách quét một chùm điện tử hẹp lên bề mặt
của mẫu cần nghiên cứu. Các hình ảnh nhận được là kết quả hiển thị tín hiệu nhận
được từ chùm tia thứ cấp, chùm điện tử tán xạ ngược, dòng điện truyền qua.
Chùm điện tử trong SEM được phát ra từ súng phóng điện tử. Điện tử được
phát ra, tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài nm đến vài trăm nm)
nhờ hệ thống thấu kính điện từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh
điện. Khi các điện tử tới quét vào một điểm nào đó trên bề mặt mẫu, các detector thu
24
Luận văn Thạc sĩ khoa học
Nông Ngọc Hồi
nhận các bức xạ phát ra và chuyển thành tín hiệu điểm ảnh tương ứng trên màn hiển
thị có độ sáng phụ thuộc vào cường độ của bức xạ. Chùm điện tử quét trên bề mặt
mẫu được quét đồng bộ với chùm điện tử trong ống phóng hiển thị. Độ phóng đại
của kính được xác định bằng tỉ số kích thước của màn hiển thị với kích thước của
miền quét trên bề mặt mẫu. Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước
chùm điện tử hội tụ quét trên bề mặt mẫu. Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn phụ
Copyright: Tài liệu đại học ©