- 1.1.5 Ứng dụng TiO 2 làm điện cực thu điện tử trong pin mặt trời DSSC. - 2 2 1 Phƣơn pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM. - 2 2 3 Đo phổ hấp thụ. - 2.3.3 Chế tạo tổ hợp nanô Au:TiO 2. - Điện tử. - Hình 1.16: Cấu trúc của pin mặt trời DSSC. - Hình 2.7: Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét. - Hình 2.8: Kính hiển vi điện tử quét FE-SEM. - Hình 2.19: Quá trình chế tạo tổ hợp nanô Au:TiO 2. - Hình 3.1: a) àn mỏn Ti và ) màn mỏn Ti 2. - nh 3 2: Ảnh -S của màn mỏn Ti sau xử l nhiệt tại: a) 400 o C, b) 450 o tron thời ian 2 giờ. - nh 3 3: Ảnh -S ề mặt của màn mỏn Ti phún xạ với c n suất: a)70W. - nh 3 4: Ảnh -S mặt cắt của màn mỏn Ti phún xạ với c n suất: a)70W. - nh 3 6: Phổ hấp thụ và độ rộn v n cấm t nh từ các đồ thị iểu iễn sự phụ thuộc của (dh) 1/2 th o hàm (h) của màn mỏn Ti 2 xử l nhiệt ở 500 o thời ian 2 iờ tron kh n kh. - nh 3 7: Phổ hập thụ và độ rộn v n cấm t nh từ các đồ thị iểu iễn sự phụ thuộc của (dh) 1/2 th o hàm (h) của màn mỏn Ti sau xử l nhiệt 500 o thời ian 2 iờ tron kh n kh. - Hình 3.9: Phổ hấp thụ và độ rộn v n cấm t nh từ các đồ thị iểu iễn sự phụ thuộc của (dh) 1/2 th o hàm (h) của màn mỏn Ti xử l nhiệt sau 2 iờ và 3 iờ. - nh 3 10: Đồ thị đặc trƣn -V sán của các màn mỏn Ti 2 đƣợc phún xạ với c n suất: a) 70W, b) 80W. - Hình 4.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của tổ hợp nanô Au:TiO 2. - Hình 4.2: Ảnh FE-SEM bề mặt của tổ hợp nanô Au:TiO 2. - nh 4 3: Phổ hấp thụ của: TiO 2 a) và tổ hợp nan u:TiO 2 (b. - nh 4 4: Phổ hấp thụ của tổ hợp nan u:TiO 2 xử l ở các nhiệt độ khác nhau. - nh 4 5: Đƣờn đặc trƣn -V của: a) màn mỏn Ti 2. - tổ hợp nan u:TiO 2. - Hình 4.8: Phổ hấp thụ của: a) màn mỏn Ti 2. - tổ hợp nan :TiO 2. - nh 4 9: Phổ hấp thụ của: a) màn mỏn trên đế T. - nh 4 10: Phổ hấp thụ của: a) tổ hợp nan u:TiO 2. - nh 4 11: Đƣơn đặc trun -V của: a) màn mỏn Ti 2. - ƣời ta nhận thấy rằn Ti 2 khi đƣợc chế tạo ƣới ạn màn mỏn có cấu trúc nanô ẫn tới sự h nh thành mạn lƣới các hạt liên kết với nhau cho phép quá tr nh ẫn điện tử có thể xảy ra ằn việc điền đầy khoản trốn iữa các hạt ởi các m i trƣờn ẫn điện nhƣ án ẫn loại p, các chất điện li ẫn tới sự h nh thành v n chuyển tiếp có iện t ch tiếp xúc lớn hi đó màn mỏn Ti 2 đƣợc đón vai tr nhƣ một điện cực thu điện tử Đ y đƣợc x m nhƣ là một đặc t nh hết sức quan tr n để n hiên cứu chế tạo các linh kiện quan điện tử đặc iệt là pin mặt trời. - Đại h c ách khoa à ội, Đại h c T Đại h c Q TP ) ác n hiên cứu đó liên quan đến pin mặt trời chế tạo trên các vật liệu án ẫn Ti 2 , Zn cấu trúc nanô ác kết quả thu đƣợc cho thấy các nhóm n hiên cứu tron nƣớc có khả năn triển khai ứn ụn pin mặt trời quan -điện-hóa Việc chế tạo màn mỏn Ti 2 có h nh thái cấu trúc, có độ ày, độ xốp và độ truyền qua mon muốn đã đƣợc n hiên cứu chế tạo ằn nhiều phƣơn pháp khác nhau nhƣ: phƣơn pháp vật l ốc ay tron ch n kh n , phún xạ,. - TiO 2 c n là vật liệu khá trơ về mặt hóa h c và sinh h c: kh n phản ứn với nƣớc, axit loãn trừ ) và kiềm ở nhiệt độ thƣờn , mà chỉ phản ứn với un ịch axit và kiềm ở nhiệt độ cao TiO 2 ền, kh n ị ăn m n quan h c và hóa h c, o đó việc sử ụn Ti 2 man lại hiệu quả cao oài ra Ti 2 c n có chiết suất cao o đó chún đƣợc sử ụn rộn rãi tron các màn chốn phản xạ tron pin mặt trời silic và các thiết ị quan màn mỏn khác ơn nữa, nhờ vào sự phụ thuộc độ ẫn điện và thành phần kh ao quanh mà TiO 2 c n đƣợc sử ụn để chế tạo các s nsor khí xác định nồn độ kh. - Độ linh động của điện tử µ (cm 2 /Vs) ~10 ~1. - ấu h nh điện tử:. - Hình 1.8 trình bày phổ quang dẫn của màn mỏn Ti 2 anatase và rutile. - Kết quả trên hình 1.8 cho thấy năng lƣợng ngƣỡng quang dẫn của màng mỏn Ti 2 anatase cao hơn màn mỏn Ti 2 rutile.. - T nh chất quan h c của từn pha là tƣơn đồn , tuy nhiên có một số khác biệt nhỏ, v ụ nhƣ ờ hấp thụ của chún khác nhau ằn phƣơn pháp thực n hiệm, n ƣời ta đã quan sát thấy rằn tron màn mỏn Ti 2 cấu trúc anatas có độ linh độn cao hơn so với màn mỏn Ti 2 rutile [14] h nh v vậy Ti 2 pha anatas đƣợc ứn ụn nhiều hơn so với pha rutil tron quang xúc tác đặc iệt là tron pin mặt trời. - hiết suất của Ti 2 ạn màn mỏn thƣờn thấp hơn của tinh thể Ti 2 anatas hoặc Ti 2 rutil , tron khi hệ số ập tắt của các các màn mỏn lắn đ n ) cao hơn so với ở vật liệu khối ả pha anatas và rutil đều là tinh thể lƣỡn chiết nên phải t nh chiết suất trun nh đối với một màn mỏn đa tinh thể định hƣớn n ẫu nhiên th o phƣơn tr nh . - m e : là khối lƣợn điện tử. - là điện t ch điện tử. - của màn tăn lên th độ phản xạ của màn tăn và độ truyền qua của màn iảm Điều này iải th ch khi màn chuyển từ v định h nh san pha anatas rồi đến pha rutil làm mật độ khối lƣợn tăn lên, và chiết suất màn mỏn tăn , hệ số phản xạ tăn và hệ số truyền qua iảm Qua đ y kết luận màn mỏn Ti 2 ứn ụn tron pin mặt trời th pha anatas là tốt hơn so với pha rutil. - ết quả này có đƣợc là o sự khác nhau về iện t ch ề mặt màn mỏn [8].. - ẫy điện tử: M n+1 + e cb. - Hình 1.13: Sự tru ền điện tử t ạt nanô Au sang TiO 2. - iện nay, hiệu suất của pin mặt trời loại đơn lớp a s màn mỏn đã đạt đƣợc tới 24,7% Pin mặt trời sử ụn Si đơn tinh thể đạt đƣợc khoản 27,5%, loại đa tinh thể là 20,3%, màn mỏn Si đạt 16,5%, pin hữu cơ đạt ƣới 5,4% ác loại pin quan điện hóa P ) Photo-Electroch mical ll) ao ồm pin mặt trời chất màu nhạy quan SS y -Sensitized Solar Cell) và pin SSSC (Semiconductor- S nsitiz Solar ll) ác loại pin SS đạt ƣới 11%, các loại pin SSS mới chỉ đạt 2,8% [13] Tuy đạt đƣợc hiệu suất thấp hơn so với pin quan điện từ màn mỏn a s và Si, nhƣn o cấu trúc linh kiện đơn iản, ễ chế tạo và iá thành rẻ nên pin quan điện hóa ạn SS vẫn đƣợc các nhà khoa h c quan t m n hiên cứu. - a) Phiến thủy tinh ẫn: loại thủy tinh ẫn ở đ y đƣợc sử ụn là thủy tinh T ) Điện cực Ti 2 : tạo ởi một lớp màn mỏn xốp Ti 2 ạn antas ) phủ lên phiến thủy tinh ẫn T hƣ vậy điện cực đối là một lớp xit mao quản trun nh h nh thành từ các hạt k ch cỡ nanô đã đƣợc thiêu kết lại với nhau để có thể ẫn điện đƣợc ặt khác màn Ti 2 cần phải có độ xốp cao tức là tạo ra các lỗ xốp để cho các chất nhạy quan thấm vào và tạo ra các liên kết cơ h c Ở đ y Ti 2 là chất nhận điện tử acc ptor). - đƣợc chế tạo ằn cách phủ một lớp màn mỏn platin lên ề mặt T Pt đƣợc ết tới là chất xúc tác hoạt t nh mạnh ẫn điện trên điện cực đối. - phản ứn nhƣờn điện tử ( quá trình khử ) 6. - iện nay có nhiều phƣơn pháp để chế tạo các vật liệu ở ạn màn mỏn với chiều ày từ một vài lớp n uyên tử đến vài microm t ác phƣơn pháp chế tạo màn mỏn đƣợc sử ụn phổ iến hiện nay là:. - 2.1.1.1 y ý q á ế ậ bằ ƣơ á Phún xạ catốt là kỹ thuật chế tạo màn mỏn ựa trên n uyên l truyền độn năn sử ụn các ion kh hiếm đƣợc tăn tốc tron điện trƣờn ắn phá ề mặt ia vật liệu, tách óc và truyền độn năn cho các n uyên tử vật liệu chuyển độn về ph a đế và lắn đ n trên đế tạo thành màn mỏn x m h nh 2 1). - Phún xạ cao tần có nhiều ƣu điểm hơn phún xạ cao áp một chiều, th ụ nhƣ điện áp thấp hơn, áp suất kh thấp hơn, tốc độ phún xạ lớn hơn và đặc iệt phún xạ ở tất cả các vật liệu từ kim loại đến oxit hay chất cách điện Tron khóa luận này thiết ị đƣợc sử ụn phún xạ các màn mỏn là hệ phún xạ cao tần mini - sputt r của U V , Viện hoa h c vật liệu, Viện Hàn lâm KH&CN VN h nh 2.3).. - Phƣơn pháp quy phủ li t m là phƣơn pháp đơn iản chế tạo màn mỏn ựa trên cơ sở là các lực li t m sinh ra tron quá tr nh quay đế có phủ một lớp un ịch chứa chất tạo màn Tron suốt quá tr nh quay phủ li t m, lực li t m có tác ụn kéo căn , àn trải và tán mỏn un ịch chốn lại lực kết nh của un ịch và tạo thành màn mỏn o vậy tốc độ quay có ảnh hƣớn rất lớn tới độ ày của màn mỏn oài ra độ ày của màn mỏn cũn phụ thuộc vào độ nhớt, nồn độ un ịch và un m i [18].. - iai đoạn 4 ay hơi): Đ y là ia đoạn đế đƣợc quay với tốc độ kh n đổi và ay hơi của un m i trở thành quá tr nh chủ yếu chi phối sự tán mỏn chiều ày của màn mỏn tron quá tr nh phủ. - Phƣơn pháp oxy hóa nhiệt là phƣơn pháp tạo ra hợp chất của một chất với oxy tron m i trƣờn kh n kh iàu oxy ƣới tác ụn của nhiệt độ Đ y là phƣơn pháp chủ yếu n để chế tạo màn mỏn Ti 2 từ màn mỏn Ti đƣợc chế tạo từ phƣơn pháp phún xạ Tất cả các mẫu đều đƣợc thực hiện xử l nhiệt trên hệ l in r lu M STF55666C, Viện Khoa h c vật liệu Đ y là thiết ị với 3 v n nhiệt có thể ảo n nhiệt cao o vậy có thể ph hợp với việc điều chỉnh ch nh xác nhiệt độ cần thiết.. - Hình 2.8: Kính hiển vi điện tử quét FE-SEM 2.2.2 P ƣơ á. - Phổ UV - VIS là loại phổ l ctron, ứn với mỗi lectron chuyển mức năn lƣợn ta thu đƣợc một v n phổ rộn Phƣơn pháp đo phổ UV - VIS phƣơn pháp trắc quan ) là một phƣơn pháp định lƣợn xác định nồn độ của các chất th n qua độ hấp thu của màn mỏn hay un ịch áy quan phổ UV - VIS vận hành trên cơ sở đo độ hấp thụ ánh sán đặc trƣn cũn nhƣ độ truyền quan ở các ƣớc són khác nhau, nhờ đó kết quả thu đƣợc nhanh và ch nh xác. - Tia sán từ n uồn sán đơn sắc đƣợc tách làm hai tia 1 và 2 có cƣờn độ 0 nhƣ nhau nhờ ƣơn án mạ 1 , tia 1 truyền thẳn tới vật nền tron trƣờn hợp mẫu un ịch th là l n để đựn un ịch, với mẫu màn mỏn đƣợc phủ trên đế thủy tinh th là miến thủy tinh n để phủ màn. - Đế n để phún xạ màn mỏn Ti kim loại là T k ch thƣớc 6cm x 6cm có điện trở ~50Ω/vu n , độ truyền qua >85% uồn vật liệu là Ti n uyên chất, độ tinh khiết 99,99% Việc làm sạch các đế T trƣớc khi ốc màn mỏn Ti là rất quan tr n ếu ề mặt của T có nhiều tạp chất th có thể chún sẽ là các t m ắt điện tử của màn mỏn TiO 2 chế tạo đƣợc sau này, từ đó làm iảm hiệu suất của linh kiện ác ƣớc làm sạch đế đƣợc thực hiện nhƣ sau:. - Sau khi chế tạo đƣợc màn mỏn Ti 2 trên đế T , ằn phƣơn pháp phún xạ m đã chế tạo màn mỏn u lên trên đế có màn mỏn Ti 2 ằn phƣơn pháp quay phủ li tâm (spincoating).. - sau khi nhỏ sol- l lên mặt đế để tạo màn mỏn. - Sau quá tr nh tạo màn mỏn u trên đế Ti 2 , th iốn nhƣ chế tạo màn mỏn Ti 2 tổ hợp nanô Au:TiO 2 cũn đƣợc chế tạo ằn cách xử l nhiệt tron kh n kh với nhiệt độ từ 400 o C 500 o C tron thời ian 2 iời, tốc độ ia nhiệt là 5 o /phút.. - Màng TiO 2 đƣợc chế tạo bằn phƣơn pháp phún xạ màn Ti trên đế T kết hợp xử lý nhiệt ở nhiệt độ khoảng 450 o C500 o với thời gian 2 giờ (trong không khí) nhƣ đã m tả ở phần trên ƣới đ y là h nh ảnh màn mỏn Ti 2 thu đƣợc sau khi chế tạo.. - àn mỏn Ti h nh 3 1a) có màu n u mịn, ón nhƣ ƣơn , có độ phản xạ ần nhƣ hoàn toàn ánh sán v n khả kiến n màn mỏn Ti 2 h nh 3 1 ) chế tạo từ việc xử l nhiệt màn mỏn Ti ở nhiệt độ 450 o C500 o thời ian 2 iời tron kh n kh có độ tron suốt cho ần nhƣ hoàn toàn ánh sán v n nh n thấy truyền qua ác kết quả n hiên cứu về h nh thái h c và cấu trúc đƣợc àn luận ở ƣới đ y.. - ết quả của phép ph n t ch k nh hiển vi điện tử quét S ) cho chún ta iết đƣợc h nh thái h c ề mặt của vật liệu Thiết ị đƣợc sử ụn để ph n t ch là ụn k nh hiển vi điện tử quét -S S4800 itachi, hật ản) Viện hoa h c vật liệu ƣới đ y là một số kết quả ảnh S của các màn mỏn Ti phún xạ với c n suất 80W, áp suất phún xạ 0,5Pa tron thời ian 10 phút đƣợc xử l nhiệt độ khác nhau mà chún t i khảo sát đƣợc. - nh 3 2 là kết quả ph n t ch ảnh hiển vi điện tử quét -S ề mặt của màn mỏn Ti phún xạ với c n suất 80W, áp suất phún xạ 0,5Pa, thời ian 10 phút) đƣợc xử l nhiệt ở 400 o h nh 3.2a) và 450 o h nh 3.2 ) tron thời ian 2 iờ ết quả cho thấy khi xử l ở nhiệt độ thấp 400 o mẫu có ề mặt khá mịn, chứn tỏ các hạt Ti 2 kết tinh ở k ch thƣớc rất nhỏ n đối với mẫu xử l tại nhiệt độ 450 o có sự ph n hạt r ràn , hay nói cách khác màn mỏn có các hạt Ti 2 đã kết tinh ở k ch thƣớc lớn hơn 25nm Điều này đƣợc l iải là o màn mỏn Ti sau phún xạ có các n uyên tử Ti xếp chặt hi xử l ở nhiệt độ thấp ẫn tới các hạt TiO 2 h nh thành trên ề mặt trƣớc y nên sự cản trở sự hoạt độn và kết hợp của các n uyên tử Ti ên tron màn với 2 có tron kh n kh n đối với mẫu đƣợc xử l ở nhiệt độ cao hơn là 450 o các n uyên tử có năn lƣợn ao độn nhiệt lớn hơn o vậy có thể kết hợp với ph n tử 2 tron kh n kh tốt hơn, o vậy mà các n uyên tử Ti ên tron màn có thể kết hợp với 2 và tạo thành Ti 2 kết tinh hạt lớn hơn.. - nh 3 3 là ảnh -S ề mặt của màn mỏn Ti phún xạ với các c n suất 70W h nh 3 3a), 80W h nh 3 3 ) sau xử l nhiệt ở 450 o , thời ian 2 iờ tron kh n kh ết hợp với ảnh -S mặt cắt của màn mỏn Ti sau xử l nhiệt h nh 3.4, mẫu màn mỏn Ti phún xạ c n suất 70W có năn lƣợn thấp hơn, các n uyên tử Ti lắn đ n nhỏ, xếp chặt hơn và màn tƣơn đối mỏn 80nm h nh 3 4a) o vậy tron quá tr nh xử l nhiệt các n uyên tử Ti có thể kết hợp đƣợc với O 2 tron kh n kh tạo thành Ti 2 hoàn toàn và kết tinh ở ạnh hạt nhỏ với k ch thƣớc 10nm n đối với mẫu đƣợc phún xạ với c n suất cao hơn là 80W th kết tinh ở ạn hạt có k ch thƣớc lớn hơn, đồn đều hơn với k ch thƣớc 25nm h nh 3 3 ) và có độ ày 220nm h nh 3 4 ) oài ra trên ề mặt của màn mỏn c n có sự tác iệt iữa các iên hạt y ra các lỗ trốn điều này có n h a rất lớn khi n màn mỏn Ti 2 để làm điện cực cho pin mặt trời quan điện V các kh hở này có thể làm cho các ph n tử của chất màu nhạy quan hay n uyên tố kim loại pha tạp có thể thấm s u vào ên tron màn mỏn Ti 2 iúp tăn cƣờn khả năn hấp thụ ánh sán của màn mỏn Ti 2 Để đánh iá về vật liệu chế tạo đƣợc chún t i tiếp tục n hiên cứu cấu trúc và t nh chất quan , điện.. - 204) đối chiếu với thẻ chuẩn 21-1272 th đ y ch nh là Ti 2 pha anatas ác đỉnh c n lại thể hiện đế T ầu hết các đỉnh nhiễu xạ có cƣờn độ thấp nhƣn có độ án rộn khá lớn Điều này chứn tỏ màn Ti 2 đƣợc h nh thành ƣới ạn các nan tinh thể ch thƣớc hạt nan tinh thể vào khoản 25nm oài ra c n mẫu màn mỏn Ti xử l nhiệt 400 o thời ian 2 iờ tron kh n kh th đỉnh phổ có cƣờn độ rất thấp, không r ràn . - ết quả này hoàn toàn ph hợp với kết quả ph n t ch ảnh hiên vi điện tử quét ở trên hƣ vậy ằn phƣơn pháp phún xạ kết hợp với quá tr nh xử l nhiệt, chún t i đã chế tạo đƣợc màn mỏn Ti 2 đơn pha anatas cấu trúc nan có độ ày cỡ ~220nm ph hợp với ứn ụn làm điện cực cho pin mặt trời.. - Để đánh iá t nh chất quan của màn mỏn Ti 2 chế tạo đƣợc chún t i sử ụn phƣơn pháp ph n t ch phổ hấp thụ UV-VIS Thiết ị đƣợc sử ụn là hệ đo UV-VIS- R RY-5000) của Viện hoa h c vật liệu ƣới đ y là một số kết quả mà chún t i đã thực hiện đƣợc.. - nh 3 6 là phổ hấp thụ của màn mỏn Ti phún xạ tại áp suất phún xạ 0 5Pa, thời ian phún xạ 10 phút và các c n suất phún xạ khác nhau từ 50W100W sau xử l nhiệt 500 o , thời ian hai iờ tron kh n kh ết quả phổ hấp thụ của các màn mỏn phún xạ c n suất thấp cho ờ hấp thụ tại ƣớc són ~350nm tƣơn ứn với độ rộn v n cấm là 3,5 V n đối với các màn mỏn phún xạ với c n suất cao hơn 80W100W có ờ hấp thụ ịch chuyển về ƣớc són ài hơn 380nm h nh 3 6a) tƣơn ứn với độ rộn v n cấm là 3,27eV h nh 3 6. - iá trị này ph hợp với các c n tr nh c n ố của các nhóm n hiên cứu khác về Ti 2 anatas ) ết quả này là o khi phún xạ ở c n suất cao hơn ph n tử Ti lắn đ n lớn hơn, màn ày và xốp hơn, o vậy khi xử l nhiệt màn mỏn kết tinh hạt có k ch thƣớc lớn hơn kết quả này đã đƣợc chỉ ra ởi phép ph n t ch hiển vi điện tử quét -S h nh 3 3 và h nh 3 4) Tuy nhiên khi phún xạ ở c n suất lớn màn mỏn có độ ày lớn hơn ẫn tới hiện tƣợn tron quá tr nh xử l nhiệt các ph n tử ở s u ên tron màn kh n thể kết hợp với 2 n oài kh n kh để tạo hợp thức hoàn toàn thành TiO 2 ẫn tới các màn mỏn phún xạ với c n cuất cao có nền hấp thụ cao hơn hay là độ truyền qua của màn lại kém đi.. - hƣ chún ta đã thấy ở trên th độ ày mỏn của màn mỏn Ti sau phún xạ có ảnh hƣởn rất lớn tới t nh chất quan của màn mỏn o vậy m tiếp tục khảo sát thời ian phún xạ ảnh hƣởn tới t nh chất quan của màn mỏn Ti 2 ác màn mỏn Ti đều đƣợc phún xạ với c n suất phún xạ 80W, áp suất phún xạ 0 5Pa kết quả đã tr nh ày ở trên) th o các thời ian khác nhau.. - Hình 3 7 là phổ hấp thụ của màn mỏn Ti phún xạ tron thời ian khác nhau sau xử l nhiệt 500 o thời ian 2 iờ tron kh n kh ết quả thu đƣợc là các màn mỏn có ờ hấp thụ tại ~367nm với màn phún xạ 5 phút và 380nm h nh 3.7) với màn phún xạ 10 phút và 15 phút tƣơn ứn là độ rộn v n cấm 3,34 V đối với màn phún xạ tron thời ian 5 phút và 3,2 V đối với màn phún xạ 10 phút h nh 3.7) Điều này đƣợc iải th ch là o khi phún xạ tron thời ian ài th màn mỏn Ti h nh thành đƣợc ày hơn, o vậy tron quá tr nh xử l nhiệt các hạt TiO 2 tron màn mỏn kết tinh có k ch thƣớc lớn hơn làm cho ờ hấp thụ ịch chuyển về ƣớc són ài hợn. - Tuy nhiên khi màn mỏn đƣợc phún xạ quá l u ẫn tới h nh thành lớp màn quá ày ẫn tới tr n quá tr nh xử l nhiệt các n uyên tử Ti ở s u ên tron màn mỏn có t khả năn kết hợp đƣợc với 2 tron kh n kh để tạo thành hợp thức TiO 2 hơn ẫn tới màn có nhiều sai hỏn y ra cƣờn độ nền hấp thụ cao hơn hay là độ truyền quà của màn ị thấp đi Từ kết quả ph n t ch phổ UV-VIS h nh 3.7, em ch n thời ian phún xạ là 10 phút để chế tạo màn mỏn Ti làm tiền đề để chế tạo màn mỏn Ti 2. - 3.3.3 Ả ƣở đ ử ý ớ ấ q ỏ T 2 hƣ chún ta đã iết, nhiệt độ xử l ảnh hƣởn rất nhiều tới sự h nh thành cấu trúc của màn mỏn Ti 2 , o vậy tron phần này, em xin tr nh ày sự ảnh hƣởn của nhiệt độ ủ tới t nh chất quan của màn mỏn Ti 2 chế tạo đƣợc.. - ết quả phổ hấp thụ h nh 3 8 cho thấy các màn mỏn đều có ờ hấp thụ tƣờn ứn ần 380nm Tuy nhiên khi xử l nhiệt ở nhiệt độ thấp 400 o h nh 3 8a) th cho cƣờn độ nền hấp thụ khá cao ết quả này ph hợp với kết quả ph n t ch S và iản đồ X-ray, o khi xử l ở nhiệt độ thấp Ti trên ề mặt màn mỏn h nh thành trƣớc và ao độn với năn lƣợn nhiệt kh n đủ cao ẫn tới n ăn cản 2 tron kh n kh thấm s u vào tron màn mỏn để phản ứn với Ti ƣới đáy màn tạo thành hợp thức Ti 2 ết quả làm cho sự h nh thành cấu trúc của màn mỏn kh n phải là TiO 2 pha anatas mà là ở một ạn khác hứn thực là iản đồ nhiễu xạ X- ray cƣờn độ đỉnh phổ Ti 2 là kh n r ràn Từ kết quả ph n t ch này m xin ch n nhiệt độ xử l là 500 o để chế tạo màn mỏn Ti 2. - oài cấu trúc của màn mỏn Ti và nhiệt độ n để xử l ảnh hƣởn lớn tới t nh chất quan của màn mỏn Ti 2 chế tạo đƣợc, c n có một yếu tố ảnh hƣớn kh n t tới t nh chất quan của màn mỏn là thời ian xử l nhiệt ết quả phân t ch phổ hấp thụ h nh 3.9 sẽ chỉ ra sự khác iệt này.. - nh 3 9 là kết quả phổ hấp thụ của màn mỏn Ti phún xạ c n suất 80W, áp suất 0 5Pa, thời ian 10 phút sau xử l nhiệt 500 o C trong kh n kh sau 2 iờ h nh 3.9a) và 3 iờ h nh 3.9b) ết quả ờ hấp thụ của màn mỏn có sự sai iệt kh n đán kể cỡ 380nm ứn với độ rộn v n cấm là 3,27 V hƣn khi ủ nhiệt với thời ian ài hơn th cƣờn độ hấp thụ cũn cao hơn Tuy nhiên sự thay đổi này là kh n đán kể o vậy để tiết kiệm thời ian và iá thành cho sản phẩm, m ch n thời ian xử l nhiệt để tạo màn mỏn Ti 2 là 2 iờ.. - ằn vào các phép ph n t ch h nh thái h c, cấu trúc vật liệu và t nh chất quan của vật liệu chún ta có thể thấy đã chế tạo thành c n màn mỏn Ti 2 ằn phƣơn pháp phún xạ kết hợp ủ nhiệt àn mỏn có độ rộn v n cấm cỡ 3,27 V, với ph n t ch iản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy đ y hoàn toàn là Ti 2 đơn pha anatas và có độ ày ~220nm Với điều kiện màn mỏn Ti 2 nhƣ trên chún ta có thể ứn. - Để đánh iá khả năn ứn ụn này m đã sử ụn đo độ đặc trƣn -V của màn mỏn Ti 2 chế tạo đƣợc ằn hệ thiết ị uto- a Pot ntionstat P S-30 của ph n Vật liệu và inh kiện ăn lƣợn , Viện hoa h c vật liệu h nh 2 11) ƣới đ y là kết quả ph n t ch mà m đã tiến hành.. - T nh chất quan điện của màn mỏn Ti 2 đƣợc n hiên cứu làm điện cực hấp thụ ánh sán tron tế ào quan điện với chất điện iải chứa a 2 S 0,1 và l 1 , điện cực đối là lƣới Pt uồn ánh sán là đ n cực t m Đồ thị đặc trƣn -V và các thế mạch hở và n n ắn mạch đƣợc thể hiện trên h nh 3 10 và ản 3.1.. - nh 3 10 là đồ thị đặc trƣn -V sán của màn mỏn Ti 2 đƣợc phún xạ với c n suất 70W và 80W ết quả là V oc và sc của mẫu phún xạ với c n suất 70W mẫu a) đều thấp hơn so với mẫu phún xạ với c n suất 80W mẫu ) Điều này đƣợc l iải là o tốc độ lắn đ n của mẫu 70W chậm hơn và v thế mật độ sắp xếp các ph n tử chặt hơn tron khi đó mẫu phún xạ với c n suất 80W th tốc độ lắn đ n cao hơn, o vậy sau khi xử l nhiệt màn mỏn Ti 2 kết tinh ở k ch thƣớc lớn hơn và có độ xốp cao hơn thể hiện ảnh S h nh 3 3) nên các chất điện iải có thể thấm vào s u vào tron màn mỏn hơn ặt khác o phổ ập tắt của màn mỏn Ti 2 phún xạ ở c n suất 80W ịch chuyển về ph a ƣớc són ài hơn h nh 3 7), nên óp phần làm tăn khả năn hấp thụ ánh sáng.. - ết luận: ằn phƣơn pháp phún xạ catốt từ ia kim loại Ti kết hợp với xử l nhiệt, m đã chế tạo thành c n màn mỏn ôx t titan (TiO 2 ) cấu trúc nano. - ấu trúc và các t nh chất của màn mỏn đƣợc ph n t ch th n qua các phƣơn pháp ph n t ch hiển vi điện tử quét -S , nhiễu xạ tia X, phổ hấp thụ UV-Vis và đƣờn đặc trƣn -V ết cho thấy màn mỏn chế tạo đƣợc là màn mỏn Ti 2 đơn pha anatas kết tinh ạn hạt có k ch thƣớc 25nm Với c n suất phún xạ 80W, áp suất phún xạ 0,5Pa, thời ian phún xạ 10 phút là điều kiện tối ƣu để phún xạ màn mỏn Ti ph hợp cho việc chế tạo màn mỏn Ti 2 àn mỏn Ti 2. - đƣợc chế tạo th n qua việc xử l nhiệt màn mỏn Ti chế tạo đƣợc ở trên với điều kiện là 500 o , thời ian xử l nhiệt 2 iờ tron kh n kh , tốc độ tăn nhiệt là 5 o /phút ết quả thu đƣợc màn mỏn Ti 2 có độ ày 220nm, ờ hấp thụ tƣơn ứn 380nm hay độ rộn v n cấm g = 3,27eV).. - hằm n n cao khả năn hấp thụ ánh sán của màn mỏn Ti 2 ứn ụn tron điện cực pin mặt trời, nhiều nhà khoa h c tron và n oài nƣớc đã t m nhiều hƣớn n hiên cứu khác nhau nhƣ n m, tẩm màn mỏn Ti 2 với chất màu nhạy sán , chấm lƣợn tử oài ra ựa vào hiệu ứn plasmonic của các hạt nanô kim loại (Au,Ag) óp phần tăn khả năn hấp thụ ánh sán của màn mỏn Ti 2 Tron khóa luận này m xin tr nh ày một số n hiên cứu về hiệu ứn quan điện của tổ hợp nanô Au:TiO 2 và tổ hợp nanô Ag:TiO 2 chế tạo ằn phƣơn pháp quay phủ li tâm (spincoating), phƣơn pháp chế tạo đã đƣợc tr nh ày tron chƣơn 2.. - Tổ hợp nanô Au:TiO 2 đƣợc chế tạo ằn phƣơn pháp quay phủ màn u lên trên màn mỏn Ti 2 , sau đó là quá tr nh xử l nhiệt ở nhiệt độ 450 o với thời ian 2 iờ tron kh n kh ) nhƣ đã m tả ở phần trên ác kết quả n hiên cứu cấu trúc tổ hợp u:TiO 2 ằn iản đồ nhiễu xạ tia X đƣợc chỉ ra ở h nh 4 1.. - hƣ vậy ằn phƣơn pháp quay phủ li tâm kết hợp với quá tr nh xử l nhiệt, chún t i đã chế tạo đƣợc tổ hợp nanô Au:TiO 2 nh 4 2 là ảnh -S ề mặt của tổ hợp nan u:Ti 2 Từ ảnh -S ề mặt, cho iết màn mỏn u sau xử l nhiệt đã h nh thành nên các hạt nan u có k ch thƣớc ~35nm.. - Hình 4.2: nh FE-SEM bề mặt của tổ hợp nanô Au:TiO 2. - Hình 4.3: ổ ấ t ụ của: TiO 2 (a) v tổ ợ nanô Au:TiO 2 (b). - 380nm Phổ hấp thụ của tổ hợp nanô Au:TiO 2 tại v n ƣớc són 545nm có đỉnh tăn cƣờn hấp thụ ết quả này cho chún ta iết rằn sau khi có mặt của hạt nanô kim loại u ảnh -S h nh 4 2) làm cho màn mỏn Ti 2 tăn cƣờn khả năn hấp thụ v n ánh sán khả kiến Điều này có n h a rất quan tr n khi ứn ụn tổ hợp nanô Au:TiO 2 vào làm điện cực cho pin mặt trời và các ứn ụn quan hóa khác.. - 545nm) Điều này có n h a là khi xử l nhiệt ở nhiệt độ thấp ƣới 300 o th màn mỏn u chƣa tạo thành các hạt nanô u mà vẫn tồn tại ở ạn màn mỏn trên nên vật liệu TiO 2 hƣn khi xử l ở nhiệt độ cao hơn 400 o th với nhiệt năn lớn và kéo ài làm cho màn mỏn u ị nứt nẻ co cụm lại tạo thành các đảo, hạt nanô u trên nền vật liệu Ti 2 ẫn tới sự h nh thành tổ hợp nanô Au:TiO 2 . - Tuy nhiên khi xử l ở nhiệt độ cao năn lƣợn nhiệt lớn làm cho màn mỏn u ị co cụm càn mạnh và h nh thành nên các đảo, hạt nanô u có k ch thƣớc nhỏ hơn và đồn đều hơn ẫn tới đỉnh tăn cƣờn hấp thụ có xu hƣớn ịch chuyển về v n ƣớc són n ắn hơn khi tăn nhiệt độ xử l , thể hiện là đỉnh phổ hấp thụ của mẫu xử l ở nhệt độ 500 o là 520 nm h nh 4 4 ) c n mẫu xử l ở 400 o là 550nm h nh 4 4c) Ở đ y m kh n khảo sát nhiệt độ xử l cao hơn 500 o v khi ở nhiệt độ trên 500 o th Ti 2 h nh thành nên pha rutil kh n mon muốn o vậy, nhiệt độ 400 o C500 o đƣợc cho là khoản nhiệt độ tối ứu để chế tạo tổ hợp nanô Au:TiO 2. - nh 4 5 là đƣờn đặc trƣn -V của tổ hợp nanô Au:TiO 2 ết quả là thế mạch hở và n n ắn mạch của tổ hợp nanô Au:TiO 2 lần lƣợt là 93,5mV và 6,072μ /cm 2 ản 4 1) So với kết quả từ ản 3 1 ta thấy thế mạch hở và n n ắn mạch của tổ hợp nanô Au:TiO 2 đều lớn hơn rất nhiều so với thế hở mạch và n ắn mạch của màn mỏn Ti 2 ản 4 1) Điều này có đƣợc là o khi có các hạt u trên nền màn mỏn Ti 2 đã làm tăn khả năn hấp thụ ánh sán đặc iệt là v n ánh sán khả kiến nhƣ đã chỉ ra từ phổ hấp thụ của tổ hợp nanô Au:TiO 2 h nh 4 3) o vậy khi đƣợc chiếu sán k ch th ch tổ hợp nanô Au:TiO 2 hấp thụ đƣợc nhiều ánh sán hơn, làm tăn các chuyển độn tham ia vào quá tr nh ẫn điện.. - hƣ đã chỉ ra ở trên khi có xuất hiện các hạt nanô u trên nền vật liệu Ti 2 đã làm tăn khả năn hấp thụ ánh sán của màn mỏn Ti 2 . - Hình 4.6: n F -S của tổ ợ nanô Ag:TiO 2. - Hình 4.8: ổ ấ t ụ của: a) ng ỏng i 2 , b) tổ ợ nanô Ag:TiO 2 nh 4 8 là phổ hấp thụ của màn mỏn Ti 2 và tổ hợp nanô Ag:TiO 2 Qua ph n t ch phổ hấp thụ UV-Vis h nh 48) chún ta thấy tổ hợp nanô Ag:TiO 2 có ạn phổ iốn với ạn phổ hấp thụ của màn mỏn Ti 2 Đặc iệt là tại v n ánh sán từ 400nm600nm có xuất hiện phổ tăn cƣờn hấp thụ ánh sán với đỉnh phổ hấp thụ là 458,3nm Điều này có n h a là khi có mặt của các hạt nanô cũn là tăn khả năn hấp thụ ánh sán của màn mỏn Ti 2 tron v n ánh sán khả kiến iện tƣợn này có đƣợc là o các hạt nanô ạc có ƣớc són cộn hƣởn plasmonic tron v n ánh sán từ 400nm 530nm.. - Để thấy đƣợc sự khác iệt hiệu ứn plasmonic của màn mỏn và plasmonic của tổ hợp nanô Ag:TiO 2 m cũn thực hiện chế tạo màn mỏn trên đế T và khảo sát t nh chất quan ết quả phổ hấp thụ của màn mỏn và của tổ hơp nanô Ag:TiO 2 đƣợc chỉ r tron h nh 4.9.. - Phổ hấp thụ của màn mỏn h nh 4 9a) cho iết tại v n ƣớc són 473nm có đỉnh phổ tăn cƣờn hấp thụ Đ y ch nh là đỉnh hấp thụ cộn hƣởn Plasmon đặc trƣn cho hạt nanô ạc hƣn đỉnh phổ hấp thụ tăn cƣờn của tổ hợp nanô Ag:TiO 2 là 458nm h nh 4 9 ) o vậy ta có thể thấy rằn đỉnh phổ hấp thụ của tổ hợp nanô Ag:TiO 2 ịch chuyển về ph a ƣớc són n ắn hơn iện tƣợn này là o có sự chuyển tiếp iữa hạt nanô và vật liệu án ẫn Ti 2. - Tron luận văn này m tr nh ày các nội un liên quan đến việc n hiên cứu và chế tạo màn mỏn Ti 2 cấu trúc nan ứn ụn làm điện cực tron pin mặt trời hiên cứu và chế các hạt nano kim loại qu (vàng, ạc) đƣợc ph n ố đồn đều trên ề mặt màn mỏn Ti 2 Tổ hợp chế tạo đƣợc có cấu trúc nano và có khả năn tăn cƣờn hấp thụ ở v n ánh sán khả kiến.. - ằn phƣơn pháp phún xạ catốt và xử l nhiệt em đã chế tạo thành c n màn mỏn Ti 2 anatas ) từ ia Ti n uyên chất àn Ti 2 chế tạo đƣợc ở pha anatas cấu trúc nano k ch thƣớc hạt ~25nm) và độ ày ~220nm