- Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO. - Giới thiệu chung về vật liệu nano. - Phân loại vật liệu. - Phân loại theo hình dáng của vật liệu [1. - Phân loại theo tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thước nano. - Các hiệu ứng xảy ra khi vật liệu ở kích thước nano. - Vật liệu nhóm A II B VI. - Cấu trúc của vật liệu. - Ứng dụng của vật liệu nano. - Ứng dụng của vật liệu nano ZnS. - Ứng dụng của vật liệu nano CdS. - Một số phương pháp chế tạo vật liệu. - Phương pháp gốm. - Phương pháp đồng kết tủa. - 12 Bảng 2.1: Nồng độ, thể tích dung môi và khối lượng Zn(CH 3 COO) 2 .2H 2 O, Na 2 S cần dùng cho mỗi mẫu vật liệu. - 35 Bảng 2.3: Thể tích các dung dịch A, B theo nồng độ Mn ...35 Bảng 2.4: Nồng độ, thể tích dung môi và khối lượng Cd(CH 3 COO) 2 .2H 2 O, Na 2 S cần dùng cho mỗi mẫu vật liệu. - Hình 1.3: Mô tả vật liệu nano một chiều. - Hình 1.9 : Cấu trúc sphalerit của tinh thể ZnS. - Hình 1.10 : Cấu trúc sphalerit của tinh thể CdS. - Hình 1.13. - Hình 1.16: Quy trình chế tạo bột phát quang bằng phương pháp gốm. - Hình 2.4: Quy trình chế tạo các hạt nano ZnS:Mn. - Hình 3.1: Phổ X-Ray của bột nano ZnS ...38. - Hình 3.2: Phổ X-Ray của bột nano ZnS:Mn (C Mn = 8% mol. - Hình 3.3: Phổ X-Ray của bột nano ZnS:Mn. - Hình 3.4: Phổ X-Ray của bột nano CdS...41. - Hình 3.5: Phổ X-Ray của bột nano CdS:Mn (C Mn = 12% mol)...41. - Hình 3.6: Phổ X-Ray của bột nano CdS:Mn. - Hình 3.7: Phổ tán sắc năng lượng của ZnS: Mn. - Hình 3.8: Phổ tán sắc năng lượng của CdS: Mn. - Hình 3.9: Ảnh TEM của ZnS:Mn. - Hình 3.10: Ảnh TEM của CdS:Mn. - Hình 3.13: Phổ phát quang của bột nano ZnS:Mn. - Hình 3.15: Phổ phát quang của bột nano CdS:Mn. - Vật liệu nano với những ứng dụng rộng rãi của nó trong khoa học cũng như trong đời sống đang được quan tâm nghiên cứu chế tạo của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước hàng thập kỷ nay, trong đó vật liệu nano bán dẫn giữ một vị trí quan trọng. - Các vật liệu nano dựa trên hợp chất A II B VI được nghiên cứu nhiều hơn cả. - Trong khi đó, bán dẫn, hợp chất ZnS (E g ≈ 3,68eV ở 300K) được biết đến như một loại vật liệu điện-huỳnh quang truyền thống. - Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ZnS, ZnS:Mn, CdS, CdS:Mn có kích thước nano.. - Khảo sát hình thái và cấu trúc vật liệu tổng hợp được.. - Chương 1: Tổng quan về vật liệu nano. - Giới thiệu chung về vật liệu nano 1.1.1. - Phân loại theo hình dáng của vật liệu [1]. - Vật liệu bán dẫn được phân ra thành vật liệu khối (hệ ba chiều) và vật liệu nano, trong đó vật liệu nano lại được chia nhỏ hơn thành : vật liệu nano hai chiều như màng nano, vật liệu nano một chiều như thanh nano, dây nano, vật liệu nano không chiều như đám nano, hạt nano (hay là chấm lượng tử).. - Để đặc trưng cho vật liệu bán dẫn người ta dùng đại lượng vật lý mật độ trạng thái lượng tử, đó là số trạng thái lượng tử có trong một đơn vị năng lượng của một thể tích tinh thể. - Với vật liệu bán dẫn khối 3D. - Với vật liệu nano hai chiều 2D. - Vật liệu nano hai chiều là vật liệu có kích thước nano theo một chiều và hai chiều tự do, ví dụ: màng mỏng.. - Vật liệu nano một chiều 1D. - Là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều thường thấy ở dây nano, ống nano.. - a/Dây nano kẽm oxit lớn trên đế silic b/ Ống nano cacbon Hình 1.3: Mô tả vật liệu nano một chiều. - Với vật liệu nano không chiều 0D. - Là vật liệu trog đó cả ba chiều đều là có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử, ví dụ: đám nano, hạt nano.. - Mật độ trạng thái lượng tử của vật liệu nano không chiều 0D được biểu diễn: D 0 D ( E. - Bức tranh tổng quát về vật liệu bán dẫn khối (hệ ba chiều) và vật liệu nano (hệ hai chiều, một chiều, không chiều hoặc chấm lượng tử) và phổ mật độ trạng thái lượng tử của chúng được dẫn ra ở hình 1.7.. - Phân loại theo tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thƣớc nano. - được phân loại theo tính chất hoặc "vật liệu nano từ tính sinh học". - Các hiệu ứng xảy ra khi vật liệu ở kích thước nano 1.1.2.1. - Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng. - Ví dụ, xét vật liệu tạo thành từ các hạt nano hình cầu. - Như vậy, nếu kích thước của vật liệu giảm (r giảm) thì tỉ số f tăng lên. - Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng. - Khi kích thước của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f này tăng lên đáng kể. - Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa cho tất cả các nguyên tử. - Nhưng đối với cấu trúc nano, do kích thước vật liệu rất bé, hệ có rất ít nguyên tử nên các tính chất lượng tử được thể hiện rõ hơn và không thể bỏ qua. - Điều này làm xuất hiện ở vật liệu nano các hiệu ứng lượng tử như những thay đổi trong tính chất điện và tính chất quang [6].. - Hình 1.8: Mô tả sự mở rộng vùng cấm, liên quan chặt chẽ tới đặc tính quang và điện của vật liệu.. - Bán dẫn hợp chất II-VI được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là lĩnh vực chế tạo tế bào năng lượng mặt trời, vật liệu quang dẫn, đầu dò quang, tế bào quang hóa. - từ lâu đã được quan tâm nghiên cứu để chế tạo các vật liệu quang dẫn trong vùng ánh sáng nhìn thấy[3].. - Bốc bay nhiệt trong chân không là kỹ thuật tạo màng mỏng bằng cách bay hơi các vật liệu cần tạo trong môi trường chân không cao và ngưng tụ trên đế (được đốt nóng hoặc không đốt nóng). - đốt nóng chảy các vật liệu nguồn, và sau đó tiếp tục đốt sao cho vật liệu bay hơi đốt.. - Vật liệu bay hơi sẽ ngưng đọng lên các đế được gắn vào giá phía trên. - để điều khiển các quá trình lắng đọng của vật liệu trên màng. - Hình 1.16: Quy trình chế tạo bột phát quang bằng phương pháp gốm 1.3.3. - Cơ sở của phương pháp này là dựa vào hiện tượng bắn phá của các hạt có năng lượng cao vào bề mặt của vật rắn làm bia (được gần với catot) làm bật ra các nguyên tử của vật liệu làm bia. - Cơ sở của phương pháp này là dựa vào sự lắng đọng của các vật liệu trong phản ứng hóa học, thường là sự lắng đọng của các halogenua hoặc các muối hữu cơ của các hợp chất bán dẫn 16.. - Sơ đồ tổng quát cho quá trình chế tạo vật liệu vô cơ được trình bày trong hình 1.18. - [15] Phương pháp thủy nhiệt là phương pháp trong ngành hóa vật liệu dùng để thu các vật liệu vô cơ có cấu trúc nano tinh thể. - Trong phương pháp này người ta sử dụng khả năng hòa tan trong nước của hầu hết các chất vô cơ ở nhiệt độ cao, áp suất lớn và sự tinh thể hóa của chất lỏng vật liệu hòa tan.. - Có khả năng điều chỉnh hình dạng các hạt bằng các vật liệu ban đầu.. - Thu được sản phẩm chất lượng cao từ các vật liệu không tinh khiết ban đầu.. - Hình 1.19. - Vỏ lò: Vật liệu dùng làm vỏ lò là thép dày 2 mm. - Hiện tượng huỳnh quang có nguồn gốc từ các chuyển dời bức xạ giữa các mức năng lượng của điện tử khi vật liệu bị kích thích. - Trong trường hợp vật liệu bị kích thích bằng ánh sáng ta có phổ quang huỳnh quang. - Hệ thu phổ phát quang Fluorolog FL3 - 22 của Trung tâm Khoa học Vật liệu – Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên được dẫn ra ở hình 3.10. - Để được lượng mẫu thích hợp, chúng tôi cố định thể tích dung dịch là 50 ml, từ đó tính được khối lượng tiền chất Zn(CH 3 COO) 2 .2H 2 O và Na 2 S cần dùng cho mỗi mẫu vật liệu như sau (bảng 2.1):. - Bảng 2.1: Nồng độ, thể tích dung môi và khối lượng Zn(CH 3 COO) 2 .2H 2 O, Na 2 S cần dùng cho mỗi mẫu vật liệu. - Ở đây, các vật liệu ZnS:Mn được chế tạo với các nồng độ Mn: 0% mol, 1%. - Khối lượng, nồng độ dung dịch và thể tích dung dịch B theo nồng độ Mn trong mỗi mẫu vật liệu được cho trong bảng 2.2:. - Hình 2.4: Quy trình chế tạo các hạt nano ZnS:Mn Zn(CH 3 COO) 2 0.1M (A). - Bảng 2.4: Nồng độ, thể tích dung môi và khối lượng Cd(CH 3 COO) 2 .2H 2 O, Na 2 S cần dùng cho mỗi mẫu vật liệu. - Hình 3.1: Phổ X-Ray của bột nano ZnS. - Hình 3.2: Phổ X-Ray của bột nano ZnS:Mn ( C Mn = 8% mol). - Hình 3.4: Phổ X-Ray của bột nano CdS. - Hình 3.5: Phổ X-Ray của bột nano CdS:Mn (C Mn = 12% mol). - Hình 3.8: Phổ tán sắc năng lượng của CdS: Mn 3.1.3. - Hình 3.10: Ảnh TEM của CdS:Mn 3.1.4. - Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ sấy và nhiệt độ ủ đến hình thái và cấu trúc của vật liệu.. - Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian sấy và thời gian ủ đến hình thái, cấu trúc vật liệu.. - Nguyễn Đức Nghĩa (2007), Hóa học Nano - Công nghệ nền và vật liệu nguồn, NXB Khoa học Việt Nam, Hà Nội.