Nghiên cứu tổng hợp hạt Nano ZnO pha tạp Al

- Giới thiệu về vật liệu nano.
- Phân loại vật liệu nano.
- Giới thiệu về vật liệu bán dẫn pha tạp.
- Cấu trúc vật liệu ZnO.
- Một số phương pháp chế tạo vật liệu nano.
- Một số ứng dụng của vật liệu AZO.
- Quy trình tổng hợp vật liệu AZO.
- Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng của vật liệu.
- Tổng hợp vật liệu AZO.
- Tính chất quang của vật liệu AZO.
- Nghiên cứu sự thay đổi nồng độ pha tạp Al đến tính chất quang của vật liệu AZO.
- Nghiên cứu sự thay đổi nhiệt độ tổng hợp đến tính chất quang của vật liệu AZO.
- Thiết bị Cary 5000 UV-Vis-NIR của Viện khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam 37 27 Hình 3.1.
- Trong số đó đang thu hút sự quan tâm nhất của các nhà khoa học trong và ngoài nước là vật liệu màng mỏng dẫn điện trong suốt ( transparent conducting oxide – TCO).
- Do đó vật liệu TCO được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới hiện nay, một số vật liệu điển hình đã được các nhà khoa học chế tạo thành công như Indium - Tin oxide ( ITO).
- hay vật liệu Antimony doped Tin oxide (ATO)… [5, 6, 8.
- Hiện nay ở việt nam cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu về vật liệu TCO của một số nhà khoa học như: Nhóm TS Nguyễn Duy Phương và cộng sự ở trường Đại Học KHTN Đại Học Quốc Gia Hà Nội [18].
- A và các cộng sự (Mỹ) [5]…Tuy nhiên ở Việt Nam thì công trình nghiên cứu tổng hợp vật liệu ZnO pha tạp Al ( AZO) còn rất ít.
- Vì vậy tôi chọn đề tài “ Nghiên cứu tổng hợp hạt nano ZnO pha tạp Al (AZO)” nhằm khảo sát, điều chế vật liệu AZO và ứng dụng các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại vào việc phân tích cấu trúc sản phẩm.
- Đồng thời đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu trong lĩnh vực quang điện.
- Hy vọng rằng, công trình nghiên cứu sẽ mang lại không chỉ cho chính tác giả mà các bạn học viên, sinh viên, các cán bộ nghiên cứu cái nhìn tổng quan về vật liệu AZO.
- Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo vật liệu AZO bằng phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method).
- Khảo sát các đặc trưng của vật liệu như hình dạng kích thước, thành phần, tính chất của vật liệu.
- Phổ truyền qua UV-Vis - IR để nghiên cứu hình thái, cấu trúc, thành phần và tính chất của vật liệu.
- CHƯƠNG II : THỰC NGHIỆM Trong chương này sẽ trình bày về quy trình tổng hợp vật liệu AZO bằng phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method).
- Các thiết bị, phương pháp nghiên cứu cấu trúc, tính chất vật liệu.
- CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Chương này sẽ trình bày về kết quả đạt được dựa trên các phép đo phân tích hóa lý, phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tổng hợp vật liệu, tính chất của vật liệu, từ đó rút ra được quy trình tổng hợp vật liệu có độ tin cậy cao.
- Giới thiệu về vật liệu nano Vật liệu nano (nano materials) là một trong những lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao, sôi động nhất trong thời gian gần đây.
- Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau, trong đó.
- Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp (manipulation) vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử.
- Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn.
- Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ bé, có thể so sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu.
- Vì vậy, vật liệu nano đã thu hút được sự chú ý, quan tâm nghiên cứu của rất nhiều nhà khoa học trong nước cũng như nước ngoài.
- Phân loại vật liệu nano Dựa vào hình dạng của vật liệu mà người ta phân chia vật liệu nano ra các loại như sau.
- Vật liệu nano 3 chiều (hay còn gọi là vật liệu nano không chiều): Là vật liệu cả ba chiều đều có kích thước nanomet.
- Ví dụ như: Dung dịch keo nano, hạt nano… Hình 1.1 : Mô tả hạt nano dạng đám và dạng hạt - Vật liệu nano hai chiều: Là vật liệu trong đó chỉ có hai chiều có kích thước nano met, ví dụ như : Màng nano..
- Màng mỏng nano - Vật liệu nano một chiều: Là vật liệu trong đó có một chiều có kích thước nano, ví dụ như: Nano dạng ống, nano dạng dây… Hình 1.3.
- Giới thiệu về vật liệu bán dẫn pha tạp Những vật liệu bán dẫn nguyên chất không có khả năng dẫn điện cao vì sự hạn chế trong một vài tính chất của chúng.
- Để làm tăng khả năng dẫn điện của chúng thì các nhà khoa học đã nghiên cứu ra công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn pha tạp (doped semiconductor).
- Bằng cách pha thêm các nguyên tố hóa học khác vào bán dẫn nguyên chất, họ đã tạo ra hai loại vật liệu bán dẫn pha tạp loại n và loại p, một phần không thể thiếu trong hầu hết những thiết bị điện tử hiện nay.
- Ví dụ như vật liệu: Lithium doped zinc oxide.
- Ví dụ như vật liệu: Indium Tin Oxide ( ITO).
- Cấu trúc vật liệu ZnO Kẽm oxit (ZnO) là loại vật liệu bán dẫn loại n, thuộc nhóm bán dẫn II-VI.
- Các điện tử này sẽ chiếm các mức năng lượng ở đáy vùng dẫn, làm cho nồng độ điện tử trong vật liệu sẽ tăng lên và dẫn đến làm tăng độ dẫn điện.
- Một số phương pháp chế tạo vật liệu nano Hiện nay có rất nhiều phương pháp chế tạo vật liệu nano điển hình như là những phương pháp.
- Phương pháp cơ học: Dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano.
- Các phương pháp này thì đều cho ra vật liệu có độ kết tinh cao, bền nhưng để chế tạo được phải sử dụng cách loại máy đắt tiền, phức tạp khi sử dụng.
- Phương pháp hóa học: 21 Là phương pháp tạo vật liệu từ các ion gồm các phương pháp như: Phương pháp sol-gel lắng đọng điện hóa, phương pháp đồng kết tủa [20], phương pháp hóa ướt, phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method.
- Một số ứng dụng của màng TCO để ngăn bức xạ hồng ngoại Với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và của công nghệ vật liệu nói riêng.
- Từ công thức (3) cho thấy tần số flasma phụ thuộc vào nồng độ hạt tải trong vật liệu, để thay đổi sự bức xạ vùng hồng ngoại có thể thay đổi nồng độ hạt tải bằng cách pha tạp vào vật liệu bằng các ion kim loại.
- Hình 1.11.
- Hình 1.13.
- Hình 1.15.
- Hóa chất Vật liệu AZO được chế tạo bằng phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method).
- Nghiên cứu chế tạo màng mỏng AZO Có rất nhiều phương pháp để chế tạo vật liệu AZO như đã trình bày ở trên, tuy nhiên trong khuôn khổ luận văn này chúng tôi đã chọn phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method) để chế tạo vật liệu.
- Quy trình tổng hợp vật liệu AZO Hình 2.7.
- Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng của vật liệu 2.3.1.
- Phương pháp SEM và TEM tương ứng được sử dụng để nghiên cứu bề mặt, hình dạng và tinh thể các vật liệu kích thước micromet hoặc nanomet.
- Phổ tán sắc năng lượng tia X ( EDX) Phương pháp phổ EDX được sử dụng để khảo sát thành phần nguyên tố cấu tạo nên vật liệu.
- Phương pháp này là một phương pháp rất hiệu quả để nghiên cứu cấu trúc tinh thể và kích thước của vật liệu.
- Hình 2.10.
- Phổ UV-Vis-NIR Hình 2.11 .Thiết bị Cary 5000 UV-Vis-NIR của Viện khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
- Tổng hợp vật liệu AZO Để tổng hợp ra được vật liệu AZO có kích thước cỡ nano, độ đồng đều cao, có tích chất điện và tích chất quang tốt.
- Chúng tôi đã khảo sát các điều kiện tổng hợp khác nhau như thay đổi dung môi tổng hợp, nhiệt độ tổng hợp, thay đổi nồng độ pha tạp, sau đó vật liệu được phân tích bằng các phương pháp phân tích hóa lý như: XRD, SEM, HR – TEM, UV-VIS -IR.
- và MN5 đều xuất hiện các đỉnh đặc trưng của vật liệu ZnO ở các vị trí góc : 2= 31.9.
- MN5 đã có sự dịch chuyển các đỉnh đặc trưng của vật liệu ZnO sang bên phải so với đỉnh đặc trưng của mẫu ZnO không pha tạp nguyên tử Al.
- 36.28o, so với vị trí đỉnh đặc trưng (101) của vật liệu ZnO ở vị trí góc 2= 36.28o cho thấy khi pha tạp nguyên tử Al thì vị trí đỉnh đặc trưng này đã tăng lên một góc 2.
- Ao, tùy thuộc vào lượng nguyên tử Al đã được pha tạp vào vật liệu mà góc A sẽ thay 42 đổi.
- Kết quả nhiễu xạ từ phổ XRD cũng đã cho thấy cấu trúc của vật liệu ZnO không bị phá vỡ khi ta pha tạp nguyên tử Al chứng tỏ vật liệu có cấu trúc khung mạng rất bền vững.
- Từ đây chúng tôi có thể đưa ra kết luận rằng đã pha tạp thành công nguyên tử Al vào khung mạng vật liệu ZnO hay nói cách khác là đã tổng hợp thành công vật liệu AZO.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hình thành hạt nano AZO Nhiệt độ là yếu tố quan trọng trong quá trình tổng hợp vật liệu bằng phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method).
- Kết quả cho thấy các mẫu đều xuất hiện đỉnh đặc trưng của vật liệu ZnO ở các vị trí góc: 2.
- 300 oC đã có sự dịch chuyển các đỉnh đặc 46 trưng của vật liệu ZnO sang bên phải.
- 36.28o, so với vị trí đỉnh đặc trưng (101) của vật liệu ZnO ở vị trí góc 2.
- Từ kết quả phân tích ảnh hưởng nồng độ pha tạp hàm lượng nguyên tử Al ở mục 3.1.2 phía trên và phổ nhiễu xạ tia X (XRD) trên Hình 3.6 có thể kết luận, để có sự dịch chuyển đỉnh đặc trưng của vật liệu thì phải có sự pha tạp nguyên tử Al vào không gian mạng nền ZnO, từ đó có cơ sở cho chúng tôi dự đoán rằng ở khoảng nhiệt độ oC đã có sự xuất hiện ion Al 3+ trong cấu trúc mạng ZnO hay nói cách khác đã tổng hợp thành công vật liệu AZO ở các nhiệt độ này, còn với nhiệt độ 200 oC thì đã chưa cho thấy có sự xuất hiện ion Al3+ trong cấu trúc mạng tinh thể ZnO, kết quả nhiễu xạ từ phổ XRD cũng cho thấy cấu trúc của vật liệu ZnO không bị phá vỡ khi chúng tôi thay đổi nhiệt độ tổng hợp.
- Cho thấy các nguyên tử Zn, O, Al là thành phần chính trong vật liệu AZO, chứng tỏ độ tinh khiết của vật liệu AZO được tổng hợp bằng phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method) là rất cao.
- Kết quả thu được rất khớp với phân tích phổ XRD, SEM ở trên, sở dĩ ở điều kiện tổng hợp 200 oC mẫu MT1 cho kết quả đo phổ XRD, SEM không có sự dịch chuyển phổ ở các đỉnh đặc trưng của vật liệu ZnO, các hạt đồng đều, kích thước nhỏ là vì chưa 49 có sự xuất hiện ion Al3+ trong cấu trúc mạng nền của mẫu, các kết quả thể hiện ở điều kiện nhiệt độ tổng hợp này cho thấy mới chỉ tổng hợp thành công vật liệu ZnO.
- Từ đây có thể kết luận nhiệt độ tổng hợp có ảnh hưởng rất lớn tới sự pha tạp hàm lượng nguyên tử Al, cũng như ảnh hưởng tới hình dạng cấu trúc của vật liệu.
- Từ kết quả phân tích phổ XRD, SEM, EDX cho thấy nhiệt độ thích hợp để tổng hợp ra vật liệu AZO là từ 220 - 300 oC.
- Tính chất quang của vật liệu AZO Sau khi nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới cấu trúc và hình thái vật liệu chúng tôi tiến hành nghiên cứu tính chất quang của màng vật liệu bằng cách phủ vật liệu lên lam kính đã được xử lý bằng phương pháp in gạt, sau đó đưa đi đo độ truyền qua, bức xạ, hấp phụ ánh sáng bằng phổ UV-Vis-NIR.
- Nghiên cứu sự thay đổi nồng độ pha tạp Al đến tính chất quang của vật liệu AZO Các mẫu MN1, MN2, MN3, MN4, MN5 tổng hợp bằng phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method) với các hàm lượng pha tạp nguyên tử Al khác nhau lần lượt là và 9.
- Để lý giải cho điều này chúng tôi đã dựa theo kết quả phân tích phổ FE –SEM, XRD, EDX về hình thái cấu trúc vật liệu ở các phần trước cho thấy sở dĩ mẫu MN1, MN2, MN5 với hàm lượng pha tạp 1, 3 và 9 % ngắt ánh sáng vùng hồng ngoại xa kém hơn các mẫu M3, M4 là do hàm lượng Al được pha tạp vào mạng nền của các mẫu MN1, MN3, MN5 ít hơn so với các mẫu M3, M4.
- Điều này rất phù hợp với thuyết điện tử tự do của Drude đã đưa 51 ra về sự ảnh hưởng của pha tạp tới tính chất quang hay tính phản xạ ánh sáng vùng hồng ngoại của vật liệu TCO.
- Kết quả phân tích tính chất quang của vật liệu AZO qua phổ UV-Vis-NIR trên hình 3.9 rất khớp các kết quả phân tích phổ XRD.
- FE – SEM về hình thái cấu trúc của vật liệu được phân tích các mục trên.
- Điều này chứng tỏ hàm lượng Al được pha tạp vào mạng nền ảnh hưởng đến tính chất quang của vật liệu AZO.
- Vậy với mong muốn tổng hợp được vật liệu AZO có độ truyền qua cao trong vùng ánh sáng khả kiến và vùng hồng ngoại gần, tính phản xạ vùng hồng ngoại xa tốt tại dải bước sóng > 2000 nm, thì chúng tôi lựa chọn điều kiện tổng hợp ứng với nồng độ pha tạp nguyên tử Al (Al3+/Zn2.
- Nghiên cứu sự thay đổi nhiệt độ tổng hợp đến tính chất quang của vật liệu AZO Trong nghiên cứu này chúng tôi cũng phủ vật liệu lên lam kính để tạo màng sau đó đo độ truyền qua của vật liệu, các bước phủ vật liệu lên lam kính thực hiện tương tự như ở mục 3.2.1 Nghiên cứu sự thay đổi nồng độ pha tạp tới tính chất quang của vật liệu AZO.
- Hình 3.10.
- Kết quả này cũng rất phù hợp với thuyết điện tử tự do của Drude đã đưa ra về sự ảnh hưởng của pha tạp tới tính chất quang hay tính phản xạ ánh sáng vùng hồng ngoại của vật liệu TCO.
- UV-Vis-NIR về sự ảnh hưởng của nhiệt độ tổng hợp tới hình thái, cấu trúc và tính chất vật liệu AZO thì có thể đưa ra được kết luận điều kiện tối ưu để tổng hợp được vật liệu AZO có tính truyền qua cao trong vùng ánh sáng khả kiến và vùng hồng ngoại gần, tính phản xạ vùng hồng ngoại xa tốt tại dải bước sóng > 2000 nm, chúng tối lựa chọn điều kiện tổng hợp ứng với nhiệt độ tổng hợp là 300 oC là điều kiện tối ưu.
- 53 Qua các kết quả khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến hình thái học, cấu trúc và tính chất của vật liệu AZO được chế tạo bằng phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method) chúng tôi nhận thấy rằng, để chế tạo được màng mỏng nano AZO có tính truyền qua và tính phản xạ vùng hồng ngoại tốt bằng phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method) thì điều kiện tối ưu là.
- Hình 3.11.
- Qua phân tích ảnh hiển vi điện tử quét trên hình 3.11 cho thấy, mẫu được tổng hợp theo các thông số được tối ưu cho kết quả mẫu tổng hợp được có độ lặp lại tốt, vật liệu có dạng lá (dẹt), kích thước nm.
- Hình 3.12.
- Kết quả cho thấy vật liệu AZO chế tạo được có kích thước nm, khoảng cách giữa các mặt mạng tinh thể là D = 2.4 Ao .
- Chúng tôi đã tổng hợp thành công vật liệu AZO và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tổng hợp, cụ thể.
- Hướng nghiên cứu tiếp theo : Trong quá trình nghiên cứu do thời gian có hạn nên các kết quả này mới chỉ là kết quả ban đầu về việc nghiên cứu vật liệu màng mỏng AZO trong suốt có khả năng dẫn điện và phản xạ bức xạ hồng ngoại.
- Để có sự nghiên cứu sâu hơn về việc chế tạo vật liệu này trong thời gian tới chúng tôi kiến nghị tiếp tục nghiên cứu về ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới quá trình kết tinh của vật liệu, khảo sát thêm sự ảnh hưởng của việc ủ màng trong môi trường chân không và môi trường cho khí Nito đi qua tới tính chất điện và tính chất quang của màng mỏng AZO.
- [6] Phung Ho,“Giáo trình Vật liệu bán dẫn,” NXB Khoa học và Kỹ thuật, pp

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt