Hình thái, pha và phổ huỳnh quang của các đai micro ZnS chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt ở các nhiệt độ đặt đế khác nhau

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:3

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Kẽm sunfua (ZnS) là vật liệu bán dẫn đã và đang được nghiên cứu sâu rộng do tiềm năng ứng dụng lớn của nó trong quang điện tử. Bài viết trình bày hình thái, pha và phổ huỳnh quang của các đai micro ZnS chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt ở các nhiệt độ đặt đế khác nhau.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Hình thái, pha và phổ huỳnh quang của các đai micro ZnS chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt ở các nhiệt độ đặt đế khác nhau

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2017. ISBN: 978-604-82-2274-1 HÌNH THÁI, PHA VÀ PHỔ HUỲNH QUANG CỦA CÁC ĐAI MICRO ZnS CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY NHIỆT Ở CÁC NHIỆT ĐỘ ĐẶT ĐẾ KHÁC NHAU Nguyễn Văn Nghĩa1, Nguyễn Duy Hùng2 1 Trường Đại học Thủy lợi, email: nghiangvan@tlu.edu.vn 2 Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 1. GIỚI THIỆU CHUNG Ar, đầu còn lại (phía các phiến Si) ban đầu nối với bơm chân không, ống thạch anh để Kẽm sunfua (ZnS) là vật liệu bán dẫn đã sao cho thuyền đựng bột ZnS ban đầu ở ngay và đang được nghiên cứu sâu rộng do tiềm bên ngoài mép lò. Thoạt tiên, khóa van cấp năng ứng dụng lớn của nó trong quang điện khí Ar và hút chân không trong quá trình gia tử [1]. Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để chế nhiệt với tốc độ 10C/phút, đến 300C thì tắt tạo các cấu trúc một chiều kích thước nano và bơm chân không và cấp khí Ar với lưu lượng micro có dạng dây, đai, ống... bằng các 160 ml/phút. Nhiệt độ cao nhất được đặt ở phương pháp khác nhau như thủy nhiệt, rung 1100C (nhiệt độ bốc bay) và thời gian giữ ở nhiệt, lắng đọng hơi hóa học, bốc bay nhiệt... nhiệt độ này là 45 phút. Khi đến 900C, ống [1–3]... Với phương pháp bốc bay nhiệt, có thạch anh được đẩy vào sâu trong lò sao cho nhiều tham số ảnh hưởng đến hình thái và thuyền đựng bột ZnS ở tâm lò. Sau khi bốc các tính chất hóa lý của vật liệu như nhiệt độ bay xong, hệ được làm nguội tự nhiên về bốc bay, thời gian bốc bay, tốc độ khí mang, nhiệt độ phòng. loại đế sử dụng hay kim loại xúc tác [4,5]. Tuy nhiên, rất ít công bố đề cập đến ảnh 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ hưởng của nhiệt độ đặt đế lên hình thái, pha THẢO LUẬN và tính chất huỳnh quang của các cấu trúc ZnS. Vấn đề này sẽ được chúng tôi trình bày Hình thái của các cấu trúc thu được nhờ chi tiết trong bài báo. ảnh chụp từ kính hiển vi điện tử quét (SEM) và được thể hiện trên hình 1a. Hình 1b mô tả 2. TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM giản đồ phân bố nhiệt độ trong lò ống nằm ngang theo khoảng cách tính từ tâm lò. Các Tấm Silic được ôxi hóa rồi đem đi phủ một mẫu S1, S2, S3, S4 đặt cách tâm lò lần lượt lớp vàng mỏng cỡ 10nm. Tấm Si sau đó được 10, 13, 16 và 19 cm tương ứng với nhiệt độ cắt thành các phiến nhỏ kích thước 0,5cm x 1060, 1040, 1010 và 980 oC. 0,5cm. Tiền chất là 0,5g bột ZnS nguyên chất Từ hình 1a, có thể thấy rằng tại vùng nhiệt để trong một thuyền sứ chịu nhiệt rồi đặt vào độ đặt đế cao nhất (Mẫu S1), xuất hiện các giữa một ống thạch anh dài 1,2m, các phiến cấu trúc dạng phiến với chiều dài vài chục Si được đặt sau thuyền, phiến đầu tiên cách μm và chiều rộng vài μm. Xa hơn một chút, ở tâm thuyền 10cm, các phiến còn lại đặt cách vùng nhiệt độ đặt đế cỡ 1040 oC (Mẫu S2), nhau đều đặn 3cm. Ống thạch anh sau đó các đai micro được hình thành với chiều rộng được đưa vào trong một lò ống nằm ngang từ một đến vài μm và chiều dài lên đến hàng dài 70cm. Một đầu ống thạch anh, phía chục μm. Ở vùng nhiệt độ đặt đế tiếp theo thuyền đựng bột ZnS, nối với bình cấp khí (1010 oC, mẫu S3), các đai và dây kích thước 439
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2017. ISBN: 978-604-82-2274-1 micro xuất hiện đồng thời. Các đai micro có chỉ duy nhất pha ZnS xuất hiện. Đỉnh ứng với chiều rộng dưới 2μm, trong khi đó các dây mặt tinh thể (100) có cường độ mạnh nhất. micro có đường kính vài trăm nm. Chiều dài Tuy nhiên, ở vùng nhiệt độ đặt đế thấp hơn của chúng lên đến vài chục μm. Tại vùng (mẫu S3), ngoài pha ZnS còn xuất hiện các nhiệt độ đặt đế thấp nhất (980 oC, mẫu S4), đỉnh có cường độ yếu ứng với pha ZnO (phù vật liệu bị kết đám và xuất hiện một số dây hợp với thẻ chuẩn JCPDS số 36-1451). Ở micro khá thẳng phân bố thưa thớt. Như vậy, vùng nhiệt độ đặt đế thấp nhất (mẫu S4), các ở cùng điều kiện thí nghiệm, tại các vùng đỉnh ứng với pha ZnO có cường độ vượt trội nhiệt độ đặt đế khác nhau sẽ xuất hiện các so với pha ZnS. Đỉnh ứng với mặt (002) của cấu trúc khác nhau. Nguyên nhân là do ở pha ZnO có cường độ lớn nhất. Từ phổ XRD, vùng nhiệt độ đặt đế cao, hơi ZnS trở nên có thể thấy rằng ở vùng nhiệt độ đặt đế càng linh động và vật liệu có xu hướng mọc theo cao thì pha ZnS càng chiếm ưu thế, ở vùng cả hai chiều ưu tiên, trong khi ở vùng nhiệt nhiệt độ đặt đế càng thấp thì pha ZnO càng độ thấp hơn, độ linh động của hơi ZnS kém chiếm ưu thế. hơn nên vật liệu có xu hướng mọc theo một chiều ưu tiên với năng lượng cực tiểu. Hình 2. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của các mẫu ở nhiệt độ đặt đế khác nhau Tính chất quang của vật liệu được tìm hiểu nhờ phổ huỳnh quang. Hình 1. (a) Ảnh SEM và (b) phân bố nhiệt độ trong lò ống nằm ngang Để tìm hiểu pha của các cấu trúc chế tạo được, chúng tôi tiến hành đo phổ nhiễu xạ tia X (Hình 2). Từ hình 2, có thể thấy rằng tất cả các mẫu đều xuất hiện các đỉnh ứng với pha Hình 3. Phổ huỳnh quang của các mẫu ZnS cấu trúc lục giác, phù hợp với thẻ chuẩn JCPDS số 36-1450. Cụ thể, tại các vùng nhiệt Hình 3 là phổ huỳnh quang của tất cả các độ đặt đế cao (ứng với các mẫu S1 và S2), mẫu được đo ở nhiệt độ phòng, sử dụng bước 440
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2017. ISBN: 978-604-82-2274-1 sóng kích thích 275nm. Từ hình vẽ này, có ZnOS [6]. Kết quả này củng cố thêm nhận thể chia vùng phát xạ thành hai dải: Một dải định của chúng tôi về nguồn gốc của các đỉnh thuộc vùng tử ngoại (UV), một dải trong trong phổ huỳnh quang PL. miền ánh sáng nhìn thấy. Mẫu S1 ở vùng nhiệt độ đặt đế cao nhất xuất hiện đồng thời 4. KẾT LUẬN hai dải phát xạ với cường độ yếu, trong đó Các cấu trúc kích thước μm đã được chế dải tử ngoại có cường độ mạnh hơn. Khi tạo thành công nhờ phương pháp bốc bay nhiệt độ đặt đế giảm đi (mẫu S2), dải phát xạ nhiệt với tiền chất là bột ZnS. Theo đó, tại trong vùng nhìn thấy bị dập tắt và chỉ tồn tại các vùng nhiệt độ đặt đế khác nhau sẽ xuất duy nhất dải phát xạ tử ngoại. Tuy nhiên, ở hiện các cấu trúc có hình dạng khác nhau, tại vùng nhiệt độ đặt đế thấp hơn (mẫu S3), dải vùng nhiệt độ đặt đế càng cao pha ZnS và dải phát xạ xanh lam có tâm ở 492nm xuất hiện phát xạ tử ngoại càng chiếm ưu thế, tại vùng với cường độ vượt trội so với dải phát xạ tử nhiệt độ đặt đế càng thấp, pha ZnO và dải ngoại. Hơn nữa, ở vùng nhiệt độ đặt đế thấp phát xạ xanh lam càng chiếm ưu thế. Các cấu nhất trong thí nghiệm (mẫu S4), dải phát xạ trúc này có tiềm năng ứng dụng trong quang xanh lam ở bước sóng xung quanh 490nm điện tử như chế tạo các đi ốt tử ngoại, đi ốt hoàn toàn chiếm ưu thế với cường độ rất phát ánh sáng lam hay các linh kiện phát ánh mạnh so với dải UV. Dải phát xạ UV có tâm sáng lục. ở 356nm được giải thích là do chuyển mức gần bờ vùng của các cấu trúc ZnS, ZnO hay 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO ZnOS [6], và dải phát xạ này chỉ xuất hiện ở [1] G. H. Yue et al. 2006. Hydrothermal các tinh thể có chất lượng rất tốt [5]. Dải phát synthesis of single-crystal ZnS nanowires. xạ xanh lam với tâm ở 490nm và 493nm có Appl. Phys. A Mater. Sci. Process. thể đến từ các tâm phát xạ của ZnS và ZnO [2] J. S. McCloy and B. G. Potter. 2013. chẳng hạn như các nút khuyết S [1,6]. Photoluminescence in Chemical Vapor Deposited ZnS: Insight into electronic defects. Opt. Mater. Express. [3] Q. Li and C. Wang. 2003. Fabrication of Zn/ZnS nanocable heterostructures by thermal reduction/sulfidation. Appl. Phys. Lett. [4] X. Y. Zhang et al. 2007. Low-temperature synthesis of wurtzite ZnS single-crystal nanowire arrays. Nanotechnology. [5] X. Fang et al. 2011. ZnS nanostructures: From synthesis to applications. Prog. Mater. Sci. [6] P. T. Huy et al. 2016. Probing the origin of green emission in 1D ZnS nanostructures. J. Lumin. Hình 4. Phổ kích thích huỳnh quang (PLE) của các mẫu Để xác nhận nguồn gốc của dải xanh lục trong phổ PL, chúng tôi tiến hành đo phổ kích thích huỳnh quang (PLE) ở bước sóng 490nm. Phổ PLE trên hình 4 cho thấy rằng các cấu trúc micro bị kích thích mạnh trong dải từ 343nm đến 400nm, dải kích thích này tương ứng của các cấu trúc ZnS, ZnO hay 441