Link tải luận văn miễn phí cho ae Kết Nối
CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG CỦA SỢI NANO ZnO (ZnO NANOWIRES)
GIỚI THIỆU Trang 1
TỔNG QUAN .......................................................................................................3
Chương 1. Giới thiệu vật liệu ZnO .........................................................................4
1.1 Cấu trúc ZnO ....................................................................................................4
1.1.1 Cấu trúc ZnO ..............................................................................................4
1.1.2 Sai hỏng trong ZnO .....................................................................................5
1.1.3 Các dạng hình học của ZnO cấu trúc nano ..................................................6
1.2 Tính chất và ứng dụng của ZnO cấu trúc nano .................................................7
1.2.1 Tính chất điện .............................................................................................8
1.2.2 Tính chất quang ..........................................................................................11
1.2.3 Tính áp điện ................................................................................................17
1.2.4 Tính nhạy hóa học ......................................................................................20
Chương 2: Các phương pháp chế tạo ZnO cấu trúc nano ........................................23
2.1 Phương pháp dung dịch ....................................................................................23
2.2 Phương pháp lắng đọng vận chuyển pha hơi .....................................................26
2.2.1 Tổng quan phương pháp CVD ....................................................................27
2.2.2 Phương pháp lắng đọng vận chuyển pha hơi ...............................................31
2.2.3 Tạo ZnO cấu trúc nano bằng phương pháp lắng đọng vận chuyển pha
hơi theo cơ chế VLS ...................................................................................33
2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành ZnO theo cơ chế VLS
....................................................................................................................36
2.2.4.1 Nhiệt độ ...............................................................................................36
2.2.4.2 Tốc độ dòng khí mang ..........................................................................36
2.2.4.3 Áp suất riêng phần ...............................................................................37
2.2.4.4 Vật liệu đế ............................................................................................37
THỰC NGHIỆM ....................................................................................................40
Mục đích của quá trình thực nghiệm ......................................................................41
Chương 3 Thực nghiệm tổng hợp ZnO cấu trúc nano bằng phương pháp
dung dịch ..............................................................................................42
3.1 Tiến trình thực nghiệm .....................................................................................43
3.1.1 Hóa chất và công cụ ...................................................................................43
3.1.2 Tiến trình thực nghiệm ..............................................................................43
3.2 Kết quả thực nghiệm ........................................................................................47
3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của lớp seed ZnO .......................................................49
3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ amin HMTA ..........................................52
3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng ...............................................56
3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng ................................................58
3.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của đơn lớp PS ...........................................................61
3.2.6 Khảo sát tính chất quang của thanh nano ZnO ...........................................64
3.3 Nhận xét chung ................................................................................................66
Chương 4: Thực nghiệm tổng hợp ZnO cấu trúc nano bằng phương pháp
lắng đọng vận chuyển pha hơi .............................................................68
4.1 Tiến trình thực nghiệm .....................................................................................68
4.1.1. Hóa chất và công cụ ..................................................................................68
4.1.2 ............................................................................................................ Tiến trình thực nghiệm .....................................................................................71
4.2 Kết quả thực nghiệm…………………………………………………………..72
4.2.1 Tạo ZnO cấu trúc nano bằng phương pháp AP-CVD, theo cơ chế VS…. 73
4.2.1.1 Khảo sát cơ chế phát triển của vật liệu nano ZnO tạo bằng
phương pháp AP-CVD ………………………………………….........73
4.2.2.2 Khảo sát cấu trúc nano ZnO tạo bằng phương pháp AP-CVD……...75
4.2.2 Tạo ZnO cấu trúc nano bằng phương pháp LP-CVD, theo cơ chế VLS
………………….. ....................................................................................77
4.2.2.1 Tạo lớp mầm nano Au bằng phương pháp bốc bay nhiệt ………….77
4.2.2.2 Khảo sát cơ chế phát triển của vật liệu nano ZnO tạo bằng
phương pháp LP-CVD……………………………………………...78
4.2.2.3 Khảo sát cấu trúc nano ZnO tạo bằng phương pháp LP-CVD……..82
4.3 Nhận xét chung..................................................................................................86
Chương 5: Khảo sát khả năng nhạy UV của thanh nano ZnO .................................88
KẾT LUẬN ………………………………………………………………………..98
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI…………………………………………....101
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Giới thiệu
Ngày nay, để đáp ứng những yêu cầu ngày càng cao của con người; ngành công nghệ vật liệu đã có những bước tiến lớn trong việc nghiên cứu và chế tạo những loại vật liệu có chức năng vượt trội. Trong những năm gần đây các vật liệu có cấu trúc và kích thước nano đã và đang được nghiên cứu rộng rãi, đặc biệt là các ứng dụng của chúng trong công nghệ bán dẫn đã và đang đạt được những thành tựu rất lớn, ví dụ như những siêu máy tính thế hệ mới. Vật liệu ở kích thước nano có những tính chất dị hướng đáng chú ý về độ bền, độ cứng, độ dẫn nhiệt, dẫn điện cũng như độ truyền qua… mà ở vật liệu khối (vật liệu 3 chiều) không có được. Ở cấp độ nano này, người ta lại chia vật liệu nano thành nhiều nhóm: vật liệu 0 chiều (hạt các nano), vật liệu 1 chiều (sợi nano, ống nano), vật liệu 2 chiều (màng mỏng). Mỗi loại vật liệu nêu trên đều có cấu trúc, tính chất khác nhau và phù hợp với những ứng dụng riêng đặc thù. Bên cạnh đó các nhà khoa học có thể kết hợp các vật liệu cấu trúc và kích thước nano khác nhau nhằm phục vụ cho các ứng dụng tinh vi. Khi đó, để có thể sản xuất ra sản phẩm, người ta phải tính đến nhiều yếu tố: chất lượng của sản phẩm, chi phí sản xuất, yếu tố thị trường….
Trong các nghiên cứu về vật liệu nano hiện nay, các nghiên cứu về nano bán dẫn đã và đang chiếm ưu thế ví dụ như như ZnO, SnO2, GaAs, InP, TiO2…. Trong đó, vật liệu oxít kẽm (ZnO) với nhiều tính chất đặc biệt về quang, điện, độ ổn định hóa học cao cộng thêm một số ưu điểm như dễ tìm và chi phí chế tạo tương đối thấp đang là một trong các loại vật liệu được tập trung nghiên cứu và ứng dụng phổ biến.
Vật liệu ZnO rất đa dạng về mặt hình thái học, từ cấu trúc 2 chiều (dạng màng),
1 chiều (dạng sợi) đến cấu trúc 0 chiều (hạt nano), trong đó cấu trúc nano 1 chiều của ZnO rất đa dạng từ dạng wire (sợi) đến rod (thanh), pencil (chóp nhọn) tetra-pod (tứ cạnh)… hay các cấu trúc lai 1 chiều và 2 chiều như dạng sheet (lá) …đã và đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu do các tính chất đặc biệt của các cấu trúc khác nhau ứng với các ứng dụng đặc thù của chúng.
Khi vật liệu bán dẫn ở cấu trúc 1 chiều sẽ xuất hiện hiệu ứng lượng tử [32]. Hiệu ứng này làm ZnO có tính chất quang như tính dẫn sóng hay tính chất điện như phát xạ trường vượt trội hơn hẳn khi vật liệu này tồn tại ở dạng khối hay dạng màng mỏng. Một tính chất quan trọng nữa của sợi hay hạt nano là cấu trúc này có diện tích bề mặt hiệu dụng lớn [33]. Đây là một trong những tính chất quan trọng và cần thiết của các loại vật liệu được sử dụng cho việc chế tạo cảm biến hay quang xúc tác….
Sợi nano ZnO đã và đang được nghiên cứu rộng rãi ở các phòng thí nghiệm trên thế giới, nhưng ở Việt Nam, sợi nano ZnO là hướng nghiên cứu mới được một số phòng thí nghiệm trong cả nước định hướng nghiên cứu. Qui trình chế tạo vật liệu ZnO dạng sợi nano hay thanh nano... không quá phức tạp nhưng để có được tính định hướng thẳng đứng và đều trên bề mặt đế vẫn còn là vấn đề kỹ thuật cần hoàn thiện đang được nhiều Phòng thí nghiệm (PTN) trên thế giới quan tâm và nghiên cứu. Trong một số công trình nghiên cứu của các tác giả ngoài nước[1],[2],[3],[5],[7],[8],[10],[12] sợi nano ZnO có thể được tổng hợp bằng nhiều cách như: phương pháp nhũ tương hóa, tổng hợp pha dung dịch (Solution-phase synthesis), CVD, lắng đọng xung laser (pulsed-laser deposition), phương pháp EBL (electron-beam lithography) kết hợp với CVD hay phương pháp dung dịch, phún xạ,…đang gặt hái được nhiều kết quả tốt có khả năng ứng dụng. Tuy nhiên, với điều kiện hạn hẹp ở nước ta hiện nay, chỉ một số phương pháp như CVD, phún xạ, phương pháp dung dịch là có thể khả thi khi triển khai nghiên cứu chế tạo sợi nano. Trong đề tài này, tác giả sẽ tìm hiểu và tổng hợp sợi nano ZnO bằng phương pháp hóa học và phương pháp vận chuyển pha hơi (một dạng của phương pháp CVD), do đây là 2 phương pháp phù hợp với điều kiện hiện tại của PTN. Từ đó tìm ra được điều kiện tổng hợp tối ưu để đạt được cấu trúc một chiều (1D) của ZnO có định hướng thẳng và đều trên bề mặt đế.
Quan sát ảnh SEM trình bày trên hình 3.8 chúng tui nhận thấy có sự khác biệt đáng kể khi thanh nano ZnO phát triển trên 2 loại đế khác nhau (có và không có phủ lớp seed ZnO). Thanh nano ZnO phát triển trên cả 2 loại đế, tuy nhiên với đế có phủ lớp seed ZnO, các thanh nano có xu hướng phát triển theo hướng trực giao với đế nền trong khi trên đế thạch anh thông thường, các thanh này phát triển từ nhiều hướng khác nhau. Kết quả này cho thấy ảnh hưởng của lớp seed ZnO đối với sự định hướng của các thanh nano ZnO là quan trọng, như đã nói đến trong phần tổng quan, ảnh hưởng của các loại đế khác nhau lên định hướng của thanh ZnO là khác nhau. Lớp seed ZnO có định hướng ưu tiên dọc theo trục c vuông góc với đế nền, do đó cấu trúc thanh nano ZnO phát triển trên đế thạch anh có phủ lớp seed ZnO cũng vì thế mà có được định hướng ưu tiên phát triển theo hướng vuông góc với đế nền.
Mẫu thanh nano ZnO trên đế thạch anh có phủ lớp seed ZnO cũng được tiến hành đo phổ XRD để kiểm chứng lại. Kết quả từ giản đồ nhiễu xạ XRD (hình 3.9) bên dưới đây cho thấy thanh nano ZnO cũng phát triển mạnh theo định hướng ưu tiên mặt
(002).
Hình 3.9: Phổ XRD của thanh nano ZnO phát triển trên đế seed ZnO/thạch anh
Nhận xét:
Khi sử dụng đế thạch anh có phủ lớp seed ZnO, thanh nano ZnO tổng hợp được có hướng phát triển vuông góc với bề mặt đế nền. Điều này có được là do sự hợp mạng giữa thanh nano và đế có phủ lớp seed ZnO. Từ kết quả này, trong các thí nghiệm về sau nhằm khảo sát các thông số khác, thanh nano ZnO đều được tổng hợp trên đế seed ZnO/thạch anh.
3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ amin HMTA
Như đã đề cập ở mục 2.1 trong phần tổng hợp thanh nano ZnO bằng phương pháp dung dịch, sự có mặt của các amin trong dung dịch với nồng độ thích hợp sẽ giúp tạo môi trường pH ổn định cho sự hình thành cấu trúc thanh nano. Trong đề tài này, cùng với môi trường nước cất, tiền chất Zn(NO3)2.2H2O thì amin hexamethylenetetramine (HMTA) được sử dụng để tạo môi trường bazơ nhẹ phát triển thanh nano ZnO. Tác giả sẽ khảo sát với các tỉ lệ Zn2+/HMTA lần lượt là 1:0, 1:1, 1:2. tương ứng với độ pH là 5.8, 6.2, 6.5. Các mẫu đều được ngâm trong dung dịch 5h ở
80oC. Các thông số thực nghiệm được cho trong bảng 3.2
F1V995sZEGQj7da
