ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
DDD
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------------------
NGUYỄN THANH BÌNH
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT
CỦA VẬT LIỆU SnO2 VÀ SnO2:Sb(Zn)
Chuyên ngành:
Mã số:
Vật lí chất rắn
62 44 07 01
LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS LÊ THỊ THANH BÌNH
2. PGS.TS NGUYỄN NGỌC LONG
Hà Nội, 2013
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết
quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ một
công trình nào.
Tác giả
Nguyễn Thanh Bình
1
LỜI CÁM ƠN
Tôi xin dành những lời cảm ơn đầu tiên và sâu sắc nhất của mình gửi
tới PGS.TS. Lê Thị Thanh Bình và PGS. TS. Nguyễn Ngọc Long, người Thầy
đã trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt từ ngày tôi còn là sinh viên cho đến lúc tôi
hoàn thành công trình nghiên cứu này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn của mình tới tất cả các thầy cô giáo, các
bạn đồng nghiệp của tôi ở bộ môn Vật lý Đại cương, bộ môn Vật lý chất rắn,
Trung tâm Khoa học Vật liệu – Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên – Đại học Quốc gia Hà nội, những người đã trực tiếp giúp đỡ tôi trong
khi thực hiện luận án và đã động viên tôi rất nhiều cả về vật chất lẫn tinh
thần khi tôi gặp khó khăn, giúp tôi hoàn thành công trình này.
Tôi xin gửi tới PGS.TS. Tạ Đình Cảnh, PGS.TS. Lê Văn Vũ, PGS. TS.
Lê Hồng Hà, PGS. TS. Nguyễn Thị Thục Hiền, GS. TS. Bạch Thành Công,
GS. TS. Nguyễn Quang Báu, PGS.TS. Ngô Thu Hương, TS. Ngạc An Bang,
TS. Phạm Nguyên Hải, ThS. Trần Vĩnh Thắng, ThS. Nguyễn Quang Hòa,,...
lòng biết ơn sâu sắc vì sự quan tâm, giúp đỡ, động viên cũng như những góp
ý, bàn luận khoa học quý giá của các Thầy, các bạn.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thành viên trong gia đình đã
luôn chăm sóc, động viên tôi, giúp tôi thêm nghị lực để hoàn thành bản luận
án này.
Hà Nội, tháng 10 năm 2013
Tác giả
Nguyễn Thanh Bình
2
MỤC LỤC
Danh mục các ký hiệu và viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ
Mở đầu
........................................................................................ ........................................................................................ ......................................................................................................
18
Chương 1: Tổng quan lý thuyết về vật liệu SnO2 và SnO2 pha tạp
......
23
1.1.
........................................................................................ ...................................................................
23
........................................................................................ ...............................................................................
23
Tổng quan về vật liệu SnO2
1.1.1. Cấu trúc tinh thể của SnO2
1.1.2. Cấu trúc vùng năng lượng của SnO2
.............................................................................................................................
1.1.3. Tính chất hấp thụ của vật liệu bán dẫn SnO2
1.1.4. Tính chất huỳnh quang của SnO2
1.2.
..........................................................................................
24
................................................................................................ .............................................
27
....................................................................................................................
29
........................................................................................ ......................................................................................................
29
........................................................................................ .......................................................................................................................
31
Tổng quan về vật liệu SnO2 pha tạp
1.2.1. Pha tạp antimon (Sb)
1.2.2. Pha tạp kẽm (Zn)
23
1.3.
Tổng quan về vật liệu nano SnO2
1.4.
Một số ứng dụng của vật liệu SnO2
1.5.
Một số phương pháp chế tạo vật liệu SnO2
1.5.1. Phương pháp bốc bay nhiệt
..................................................................................................................................
.........................................................................................................................
35
37
.....................................................................................
38
.......................................................................................................................................................................
38
1.5.2. Phương pháp phún xạ ca tốt
........................................................................................ ...........................................................................
39
1.5.3. Phương pháp phủ hơi hoá học
........................................................................................ ..................................................................
40
1.5.4. Phương pháp sol–gel
........................................................................ ..........................................................................................................................
40
1.5.5. Phương pháp thuỷ nhiệt
............................................................................................ ..........................................................................................
42
Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm
45
2.1. Chế tạo vật liệu SnO2
45
....................................................................................................................
........................................................................................ ...............................................................................
2.1.1. Quá trình chế tạo vật liệu bằng phương pháp bốc bay
3
nhiệt
........................................................................................ ............................................................................................. ........................................................................................ ........................
2.1.2. Quá trình chế tạo vật liệu bằng phương pháp sol-gel
.........................................................
45
46
2.1.3. Quá trình chế tạo vật liệu bằng phương pháp thuỷ nhiệt
47
2.2. Chế tạo vật liệu SnO2 pha tạp
48
2.2.1. Pha tạp Sb
48
........................................
.....................................................................................................................................
........................................................................................ .................................................................................................. .....................................................
2.2.2. Pha tạp Zn
........................................................................................ ............................................................................................. ...........................................................
48
2.3. Các phép đo khảo sát tính chất của vật liệu SnO2 và SnO2 pha
tạp
........................................................................................ ........................................................................................ .............................................................................................................................
49
2.3.1. Phân tích nhiễu xạ tia X
....................................................................................... ..............................................................................................
49
2.3.2. Phổ hấp thụ, truyền qua
................................................................................... ...................................................................................................
51
2.3.3. Phổ huỳnh quang và kích thích huỳnh quang
..........................................................................................
52
2.3.4. Chụp ảnh bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét và kính hiển
vi điện tử truyền qua
........................................................................................ ........................................................................................ ..................................
54
Chương 3: Nghiên cứu tính chất của vật liệu SnO2 được chế tạo
bằng phương pháp bốc bay nhiệt
56
3.1. Tính chất tinh thể
56
................................................................................................................................................................
........................................................................................ .....................................................................................................................
3.1.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X
........................................................................................ ...............................................................................................
56
3.1.2. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) và ảnh hiển vi điện tử truyền
qua (TEM)
.............................................................................................. ............................................................................................................................................................................
58
3.2. Phổ huỳnh quang của vật liệu SnO2
62
3.3. Kết luận chương 3
68
.......................................................................................................................
...................................................................................................... ...........................................................................................................
Chương 4: Nghiên cứu tính chất của vật liệu SnO2 và SnO2 pha
................................................................................................
70
........................................................................................ ........................................................................................................................
70
tạp Sb được chế tạo bằng phương pháp sol-gel
4.1. Tính chất tinh thể
4.1.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X
........................................................................................ ...................................................................................................
4.1.2. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
................................................................................. ...................................
4.2. Phổ truyền qua và phổ hấp thụ của vật liệu SnO2 và SnO2 pha
4
70
75
76
tạp Sb
........................................................................................ ........................................................................................ .......................................................................................... ...............
4.2.1. Phổ truyền qua
4.2.2. Phổ hấp thụ
........................................................................................ ........................................................................................ .........................................
76
........................................................................................ ................................................................................................ ...................................................
80
4.3. Phổ huỳnh quang của vật liệu SnO2 và SnO2:Sb
4.4. Kết luận chương 4
...........................................................
........................................................................................ ........................................................................................ ...............................
82
84
Chương 5: Nghiên cứu tính chất của vật liệu SnO2 và SnO2 pha
..................................
86
5.1. Tính chất của vật liệu SnO2
............................................... ......................................................................................................................
86
5.1.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X
.................................................................................... ........................................................................................ .............
86
tạp chất Sb, Zn được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt
5.1.2. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua
87
5.1.3. Phổ hấp thụ của vật liệu SnO2
88
........................................................................................................................................................
.................................................................... ........................................................................
5.1.4. Phổ huỳnh quang của vật liệu SnO2
................................................................................. ................................................
89
5.2. Tính chất của vật liệu SnO2 pha tạp chất Sb
.............................................................................. .........
94
5.2.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X
.................................................................................... ........................................................................................ .............
94
5.2.2. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua
........................................................................................................................................................
96
5.2.3. Phổ tán sắc năng lượng EDS
........................................................................................ ........................................................................
97
.................................................................................................................. ................................................
98
5.2.4. Phổ hấp thụ, phổ truyền qua
5.2.5. Phổ huỳnh quang của vật liệu SnO2 pha tạp Sb
100
5.3. Tính chất của vật liệu SnO2 pha tạp chất Zn
.............................................................................. .........
106
.................................................................................... ......................................................................................... .............
106
.....................................................................
5.3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X
5.3.2. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) và ảnh hiển vi điện tử truyền
qua (TEM)
............................................................................................................................................................................................................................................................................
5.3.3. Phổ tán sắc năng lượng EDS
........................................................................................ ........................................................................
5.3.4. Phổ huỳnh quang của vật liệu SnO2 pha tạp Zn
.....................................................................
108
109
111
........................................................................................ ........................................................................................ ...............................
114
.............................................................................................................................. ........................................................................................ ...........................
116
5.4. Kết luận chương 5
Kết luận chung
Danh mục các công trình khoa học của tác giả có liên quan đến
5
luận án
....................................................................................................................................................................................................................................................................
Tài liệu tham khảo
.............................................................................................................................. ..................................................................................................
6
118
120
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
Eg
Tên tiếng Anh
Tên tiếng Việt
Band gap energy
Năng lượng vùng cấm
%wt
Weight percent
Phần trăm trọng lượng
AFM
Atomic force microscope
Hiển vi lực nguyên tử
TEM
Transmission electron microscopy Hiển vi điện tử truyền qua
High-resolution Transmission
Hiển vi điện tử truyền qua
electron microscopy
phân giải cao
CVD
Chemical vapor deposition
Lắng đọng pha hơi hóa học
EDS
Energy dispersive spectroscopy
Phổ tán sắc năng lượng
Full width at half maximum
Độ rộng bán cực đại
Scanning electron microscopy
Hiển vi điện tử quét
HRTEM
FWHM
SEM
FESEM
XRD
SAED
PL
PLE
UV-VIS
VLS
VS
JCPDS
Field emission scanning electron Hiển vi điện tử quét phát xạ
microscopy
trường
X-ray diffraction
Nhiễu xạ tia X
Selective area electron diffraction
Nhiễu xạ điện tử vùng lựa
chọn
Photoluminescence
Huỳnh quang
Photoluminescence excitation
Kích thích huỳnh quang
Ultraviolet-Visible
Tử ngoại – khả kiến
Vapor – Liquid - Solid
Cơ chế hơi – lỏng – rắn
Vapor – Solid
Cơ chế hơi – rắn
Joint
committee
on
powder
diffraction standards
7
DANH MỤC CÁC BẢNG
STT
1.
Tên
Bảng 3.1
Nội dung
Sự phụ thuộc của hình thái học, kích thước
của SnO2 vào nhiệt độ chế tạo mẫu [61].
Trang
60
Hằng số mạng của bán dẫn SnO2 chế tạo
2.
Bảng 4.1.
bằng phương pháp sol-gel ứng với các số lần
71
nhúng khác nhau.
3.
Bảng 4.2.
4.
Bảng 4.3.
5.
Bảng 4.4.
6.
Bảng 5.1.
7.
Bảng 5.2.
8.
Bảng 5.3.
9.
Bảng 5.4.
Hằng số mạng của vật liệu bán dẫn SnO2:Sb
chế tạo bằng phương pháp sol-gel.
Kích thước của hạt tinh thể SnO2 chế tạo
bằng phương pháp sol-gel.
Kích thước hạt trung bình của bán dẫn
SnO2:Sb chế tạo bằng phương pháp sol-gel.
Kích thước của hạt tinh thể SnO2 chế tạo
bằng phương pháp thuỷ nhiệt.
Đỉnh huỳnh quang của SnO2 chế tạo bằng
phương pháp thủy nhiệt.
Tách phổ huỳnh quang của mẫu SnO2.
Hằng số mạng của bán dẫn SnO2:Sb chế tạo
bằng phương pháp thủy nhiệt.
73
74
75
87
90
92
95
Kích thước hạt tinh thể của mẫu vật liệu
10.
Bảng 5.5.
SnO2 khi pha tạp Sb chế tạo bằng phương
96
pháp thủy nhiệt .
11.
Bảng 5.6.
Kích thước trung bình của hạt xác định từ
giản đồ nhiễu xạ tia X và từ ảnh TEM.
8
97
Độ rộng vùng cấm của mẫu vật liệu SnO2 có
12.
Bảng 5.7.
nồng độ tạp chất Sb khác nhau được chế tạo
100
bằng phương pháp thủy nhiệt.
Kích thước trung bình của hạt xác định từ
13.
Bảng 5.8.
giản đồ nhiễu xạ tia X đối với pha SnO2 và
108
Zn2SnO4.
14.
Bảng 5.9.
Mức năng lượng giữa các đỉnh trong phổ
huỳnh quang của mẫu SnO2:Zn (1%).
9
112
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
STT
Tên
1.
Hình 1.1
2.
Hình 1.2
3.
Hình 1.3
4.
Hình 1.4
Chú giải
Mô hình cấu trúc tinh thể của SnO2
Giản đồ cấu trúc vùng năng lượng của bán
dẫn SnO2
Phổ truyền qua của mẫu SnO2 chế tạo bằng
phương pháp CVD [65].
Phổ truyền qua của màng SnO2 chế tạo bằng
phương pháp sol-gel [22]
Trang
23
24
26
26
Phổ huỳnh quang của màng SnO2 chế tạo
5.
Hình 1.5
bằng phương pháp CVD ở nhiệt độ đế 425
ºC(S1), 450 ºC(S2), 475 ºC(S3), 500 ºC(S4)
27
[38]
Phổ huỳnh quang của SnO2 ở các nhiệt độ
6.
Hình 1.6
đo khác nhau: nhiệt độ phòng (a) 100K (b)
28
10K (c) [54].
7.
Hình 1.7
8.
Hình 1.8
9.
Hình 1.9
Phổ truyền qua của màng SnO2 pha tạp Sb
với các nồng độ khác nhau [43]
Phổ huỳnh quang của SnO2 pha tạp Sb đo ở
nhiệt độ phòng [12]
Phổ huỳnh quang của SnO2 pha tạp Sb đo ở
nhiệt độ phòng [25]
29
30
31
Phổ hấp thụ của hạt nano SnO2 pha tạp chất
10.
Hình 1.10
Zn [27]
32
a- ủ ở 300 oC
10
b- ủ ở 600 oC
Phổ hấp thụ của thanh nano SnO2 pha tạp
11.
Hình 1.11
chất Zn [36]
33
a- Pha tạp Zn
b- không pha tạp
Phổ huỳnh quang của vật liệu SnO2 pha tạp
12.
Hình 1.12
13.
Hình 1.13
14.
Hình 1.14
15.
Hình 1.15
16.
Hình 1.16
17.
Hình 1.17
18.
Hình 1.18
19.
Hình 1.19
20.
Hình 2.1
21.
Hình 2.2
Sơ đồ phương pháp sol-gel phủ nhúng
46
22.
Hình 2.3
Hệ đo phổ nhiễu xạ tia X (DX 5005)
50
23.
Hình 2.4
Hệ đo phổ hấp thụ UV-VIS 2450
51
24.
Hình 2.5
Hệ đo phổ huỳnh quang FL 3-22
52
25.
Hình 2.6
chất Zn [36]
Phổ huỳnh quang của vật liệu SnO2 pha tạp
Zn [47]
Các dây nano, các băng nano SnO2 chế tạo
bằng phương pháp bốc bay nhiệt [74]
Hạt nano SnO2 chế tạo bằng phương pháp
thủy nhiệt [92]
Các đĩa nano SnO2 chế tạo bằng phương
pháp bốc bay nhiệt [21]
Sơ đồ hệ bốc bay nhiệt
Sơ đồ chế tạo vật liệu nano theo phương
pháp sol-gel
Hình ảnh và cấu tạo của một số nồi hấp, ống
Teflon trong hệ thủy nhiệt
Sơ đồ chế tạo mẫu bằng phương pháp bốc
bay nhiệt
Sơ đồ nguyên lý hệ đo phổ huỳnh quang FL
3-22
11
34
34
36
37
37
38
42
43
45
53
26.
Hình 2.7
Kính hiển vi điện tử quét JSM 5410 LV
54
27.
Hình 2.8
Kính hiển vi điện tử truyền qua JEM1010
55
Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng SnO2 chế
tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt với
28.
Hình 3.1
nguồn vật liệu ban đầu SnO2 có trộn cacbon
56
nung trong 3 h thổi khí Ar với lưu lượng 30
cm3/phút
Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu tại các
29.
Hình 3.2
vị trí khác nhau nung trong 3 h thổi khí Ar
57
với lưu lượng 30 cm3/phút
30.
Hình 3.3
Ảnh SEM của mẫu SnO2 chế tạo ở nhiệt độ
1360 oC
58
Ảnh SEM màng SnO2 chế tạo từ bột SnO2
31.
Hình 3.4
trộn với C nung ở nhiệt độ T =1120 ºC
58
trong 3 h, tốc độ thổi khí Ar 30 cm3/phút.
32.
Hình 3.5
33.
Hình 3.6
Ảnh TEM (a, b), HRTEM(c) và SAED (d)
của băng nano SnO2
Ảnh TEM (a, b), HRTEM(c) và SAED (d)
của dây nano SnO2
60
61
Phổ huỳnh quang của màng SnO2 chế tạo
bằng phương pháp bốc bay nhiệt được đo
34.
Hình 3.7
theo nhiệt độ.
1- Đo từ nhiệt độ 14 K tới 90 K
62
2- Đo từ nhiệt độ 110 K tới 300 K
3- Đo từ nhiệt độ 14 K đến 300 K
35.
Hình 3.8
Sự phụ thuộc của năng lượng đỉnh huỳnh
quang exiton liên kết (370 nm) vào nhiệt độ
12
64
đo
36.
Hình 3.9
37.
Hình 3.10
38.
Hình 3.11
Sự phụ thuộc của ln(I0 – I)/I vào 1000/T của
đỉnh a
Sự phụ thuộc của ln(I0 – I)/I vào 1000/T của
đỉnh b
Phổ kích thích huỳnh quang theo nhiệt độ
tại bước sóng phát xạ 414 nm
67
67
68
Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bán dẫn
39.
Hình 4.1
SnO2 với các số lớp khác nhau chế tạo bằng
phương pháp sol-gel
70
*- đỉnh nhiễu xạ của đế.
Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu vật liệu
40.
Hình 4.2
SnO2: 5% Sb chế tạo bằng phương pháp sol-
72
gel
Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu vật liệu
41.
Hình 4.3
SnO2: 25% Sb chế tạo bằng phương pháp
72
sol-gel
42.
Hình 4.4
43.
Hình 4.5
44.
Hình 4.6
45.
Hình 4.7
46.
Hình 4.8
Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu SnO2
pha tạp chất Sb với các nồng độ khác nhau
Ảnh TEM của màng chế tạo bằng phương
pháp sol-gel ủ tại 500 ºC
Phổ truyền qua của màng bán dẫn SnO2
nhiều lớp
Phổ truyền qua của SnO2 pha tạp chất Sb
với các nồng độ khác nhau
Phổ truyền qua của màng SnO2 pha tạp chất
13
73
76
77
77
78
10% Sb với số lớp nhúng khác nhau
47.
Hình 4.9
48.
Hình 4.10
Sự phụ thuộc của hệ số truyền qua vào số
lớp của màng SnO2 tại bước sóng 800 nm
Đồ thị sự phụ thuộc của độ truyền qua vào
nồng độ tạp chất Sb
79
79
Phổ hấp thụ của các mẫu có nồng độ tạp
49.
Hình 4.11
chất Sb khác nhau được chế tạo
bằng
80
phương pháp sol-gel
50.
51.
Hình 4.12.
Hình 4.13.
Phổ hấp thụ của mẫu SnO2 pha tạp chất
10% Sb 1 lớp và 6 lớp
Đồ thị sự phụ thuộc h 2 theo năng lượng
80
81
h của SnO2:Sb 5%
Phổ huỳnh quang kích thích tại bước sóng
52.
Hinh 4.14.
267 nm của mẫu SnO2 chế tạo bằng phương
82
pháp sol-gel
Phổ huỳnh quang của các mẫu SnO2 có
53.
Hình 4.15.
nồng độ tạp chất khác nhau được chế tạo
bằng phương pháp sol-gel, kích thích ở
83
bước sóng 267 nm
Phổ kích thích huỳnh quang của SnO2 với
54.
Hình 4.16.
nồng độ tạp chât khác nhau tại bước sóng
84
huỳnh quang 344 nm
55.
Hình 5.1.
56.
Hình 5.2.
Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu SnO2
chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt
Ảnh TEM của mẫu SnO2 chế tạo bằng
phương pháp thủy nhiệt có thời gian ủ khác
14
86
87
nhau
a- 48 giờ b- 24 giờ.
Đồ thị sự phụ thuộc (h ) 2 theo năng lượng
57.
Hình 5.3.
89
(hν) của SnO2 thủy nhiệt 12 h
Phổ huỳnh quang của các mẫu SnO2 với
58.
Hình 5.4.
thời gian ủ thủy nhiệt khác nhau (bước sóng
90
kích thích 267 nm
59.
Hình 5.5.
Tách phổ huỳnh quang mẫu SnO2 ủ thủy
nhiệt 18 h
91
Phổ kích thích huỳnh quang tại bước sóng
60.
Hình 5.6.
phát xạ 440 nm của mẫu SnO2 chế tạo với
92
thời gian thủy nhiệt khác nhau
Phổ kích thích huỳnh quang tại đỉnh phát xạ
61.
Hình 5.7.
466 nm và 440 nm của mẫu SnO2 chế tạo
93
với thời gian thủy nhiệt 18 h
Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu SnO2
pha tạp chất Sb với nồng độ khác nhau chế
62.
Hình 5.8.
tạo bằng phương pháp thủy nhiệt
a- 1%Sb
94
b- 2% Sb
c- 3% Sb.
Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu SnO2 và
63.
Hình 5.9.
SnO2 pha tạp chất 3% Sb chế tạo ở các nhiệt
95
độ khác nhau
64.
Hình 5.10.
Ảnh TEM của các mẫu vật liệu SnO2 pha
tạp chất Sb chế tạo bằng phương pháp thủy
15
97
nhiệt
a -1% Sb b- 3% Sb
Phổ tán sắc năng lượng EDS của mẫu vật
65.
Hình 5.11.
liệu SnO2 pha tạp chất Sb
a- 1% Sb
98
b- 3% Sb.
Phổ hấp thụ của SnO2 pha tạp chất Sb với
66.
Hình 5.12.
nồng độ khác nhau được chế tạo bằng
99
phương pháp thủy nhiệt
Đồ thị sự phụ thuộc (h ) 2 theo năng lượng
67.
Hình 5.13
99
(hν) của SnO2 pha tạp chất 2% Sb
Phổ huỳnh quang của SnO2 pha tạp Sb với
68.
Hình 5.14
nồng độ khác nhau được chế tạo bằng
101
phương pháp thủy nhiệt
Phổ huỳnh quang của các mẫu SnO2 và
69.
Hình 5.15
SnO2:Sb 3% được chế tạo ở các nhiệt độ
101
khác nhau với bước sóng kích thích 267 nm
Phổ huỳnh quang của các mẫu SnO2 và
70.
Hình 5.16
SnO2:Sb được chế tạo ở các nhiệt độ khác
102
nhau, bước sóng kích thích 314 nm
71.
Hình 5.17
72.
Hình 5.18
Phổ kích thích huỳnh quang của các mẫu
SnO2:Sb tại bước sóng bức xạ 421 nm
Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu SnO2 pha
Zn với các tỷ lệ pha tạp chất khác nhau
104
106
Ảnh SEM của mẫu SnO2 pha tạp chất Zn
73.
Hình 5.19
chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt
a-3% Zn
16
b- 5% Zn
108
Ảnh TEM của mẫu SnO2 pha tạp chất Zn
74.
Hình 5.20
chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt
a-3% Zn
109
b- 5% Zn.
Phổ tán sắc năng lượng EDS của mẫu vật
75.
Hình 5.21
liệu SnO2 pha tạp chất Zn
a- 1% Zn
76.
Hinh 5.22
77.
Hình 5.23
110
b- 3% Zn.
Phổ tán sắc năng lượng EDS của mẫu vật
liệu SnO2 pha tạp chất 5% Zn
Phổ huỳnh quang của các mẫu SnO2 pha tạp
chất Zn kích thích tại bước sóng 267 nm
110
111
Phổ huỳnh quang của các mẫu SnO2:Zn với
78.
Hình 5.24
các nồng độ tạp chất khác nhau với bước
113
sóng kích thích 383 nm
79.
Hình 5.25
Phổ kích thích huỳnh quang tại đỉnh phát xạ
440 nm đối với các mẫu pha tạp khác nhau
17
114
MỞ ĐẦU
Hiện nay trên thế giới đã và đang hình thành một ngành khoa học và
công nghệ mới, có nhiều triển vọng và dự đoán sẽ có những tác động mạnh
mẽ đến nhiều lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật cũng như đời sống kinh
tế xã hội. Đó là khoa học và công nghệ nano. Đây là một lĩnh vực, một hướng
nghiên cứu rất mới mẻ. Việc áp dụng khoa học và công nghệ nano vào chế
tạo và nghiên cứu các vật liệu có ý nghĩa vô cùng quan trọng và hấp dẫn do
vật liệu nano có tỷ số diện tích mặt ngoài trên thể tích rất cao nên chúng có
nhiều tính chất vật lý, hóa học, điện từ và cơ học mới, độc đáo mà vật liệu
khối không có; chúng là các vật liệu rất lý tưởng để dùng vào chức năng xúc
tác hoặc các hệ phản ứng hóa học, các linh kiện và thiết bị điện tử thế hệ mới;
do có kích thước cỡ phân tử sinh học nên các vật liệu này có nhiều ứng dụng
triển vọng trong sinh học, y dược học.
Các thành tựu của công nghệ nano đã có nhiều ứng dụng trong đời sống
cũng như sản xuất, giải quyết được các lĩnh vực đang được nhân loại quan
tâm hàng đầu như y - sinh học, bảo vệ môi trường và chế tạo các linh kiện
điện tử có kích thước tinh vi đáp ứng được nhu cầu các thiết bị ngày càng
phải nhỏ gọn. Các ứng dụng kỳ diệu của vật liệu nano như làm các vật liệu
ngăn cách, các loại cửa sổ thông minh hay ứng dụng trong các lĩnh vực chế
tạo máy, làm màn hình với năng suất phân giải cao hoặc là các vật liệu thích
nghi sinh học để cấy ghép vào cơ thể.......
Trong số các vật liệu có cấu trúc nano, ôxit thiếc (SnO2) đang thu hút
được rất nhiều các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và đã đạt được một
số kết quả khả quan.
Vật liệu bán dẫn SnO2 thuần và pha tạp chất đều có nhiều ứng dụng bởi
chúng có các tính chất như độ rộng vùng cấm lớn 3,6 eV ở nhiệt độ phòng,
18
tính dẫn điện cao, độ truyền qua tốt ở miền sóng dài, tính ổn định hoá và
nhiệt. Những tính chất đó làm cho vật liệu này có các ứng dụng như: làm điện
cực trong suốt trong các thiết bị hiển thị và pin mặt trời, làm lớp tiếp xúc
Schottky trong pin mặt trời, các sensor nhạy khí, độ ẩm… Khi pha tạp
antimon (Sb), pha tạp kẽm (Zn) vào vật liệu SnO2....các tính chất điện, tính
chất quang thay đổi và mở rộng thêm các khả năng ứng dụng của nó như nếu
pha tạp antimon (Sb) hoặc inđi (In) vào trong các hạt nano tinh thể SnO2 và
phủ lên tấm kính sẽ cho ánh sáng lọt qua dễ dàng nhưng tăng khả năng tán xạ
tia tử ngoại, ngăn chặn hồng ngoại tạo ra các cửa sổ thông minh. Khi pha tạp
kẽm (Zn) vào SnO2 với những tỷ lệ thích hợp sẽ tạo ra hợp chất ô xít 3 thành
phần là Zn2SnO4 (ZTO) với nhiều đặc tính ưu điểm đang được ứng dụng là
chất quang xúc tác giảm ô nhiễm môi trường của các chất hữu cơ. Đặc biệt,
những tính chất mới lạ của vật liệu SnO2 có cấu trúc nano đã làm tăng thêm
khả năng ứng dụng của loại vật liệu này. Các cấu trúc nano SnO2 nhận được
rất đa dạng. Đó là các loại hạt nano, thanh nano, băng nano, đĩa nano, màng
nano hoặc ống nano.
Trên thế giới, vật liệu có cấu trúc nano SnO2 đã được chế tạo bằng
nhiều các phương pháp hóa lý khác nhau như: phún xạ ca tốt [32, 33, 53], bốc
bay nhiệt [34, 73, 74], lắng đọng hóa học từ pha hơi [25, 38, 65], sol-gel [14,
16, 22, 29, 30, 75], thủy nhiệt [47, 92], phương pháp vi sóng …nhưng việc
nghiên cứu và công bố các tính chất, khả năng ứng dụng của vật liệu cũng chỉ
được một số nhóm nghiên cứu mạnh trên thế giới quan tâm.
Tại Việt Nam, các nhà khoa học trong nước cũng đã tiến hành nghiên
cứu chế tạo vật liệu có cấu trúc nano SnO2 và đã thu được một số kết quả khả
quan[79, 84, 85]. Tuy nhiên, để có thể chế tạo thành công vật liệu có cấu trúc
nano SnO2 pha tạp và không pha tạp, đồng thời đưa ra một quy trình công
nghệ ổn định trong điều kiện ở Việt Nam vẫn còn là một thách thức. Hơn nữa,
19
- Xem thêm -