Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu tổng hợp hạt nano ZnO pha tạp Al (AZO)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:61

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu tổng hợp hạt nano ZnO pha tạp Al (AZO)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- NGUYỄN VĂN TOẢN NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HẠT NANO ZnO PHA TẠP Al LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội – 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- Nguyễn Văn Toản NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HẠT NANO ZnO PHA TẠP Al Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : 1. TS. Trịnh Xuân Anh 2. TS. Nguyễn Duy Cường Hà Nội – 2017
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của hai thầy là TS. Trịnh xuân Anh và TS. Nguyễn Duy Cường. Các kết quả khoa học được trình bày trong luận văn này là thành tựu nghiên cứu của tôi và chưa được công bố dưới tên tác giả khác, các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. Hà Nội, ngày tháng năm Người cam đoan Nguyễn Văn Toản 1
LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè. Trước hết, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đến TS. Trịnh Xuân Anh và TS. Nguyễn Duy Cường đã tận tình hướng dẫn, định hướng khoa học, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu trong thời gian qua. Cảm ơn hai thầy đã dành thời gian, tâm huyết để giúp tôi hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ, Viện Kỹ thuật Hóa học - Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Viện kỹ thuật vật liệu Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia Hà Nội, các anh chị thuộc Viện vật liệu viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ, đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tôi về các phép đo phân tích trong quá trình làm thực nghiệm và nghiên cứu trong thời gian qua. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị nghiên cứu sinh viện AIST đã nhiều lần giúp đỡ tôi trong thời gian làm nghiên cứu tại viện. Cuối cùng tôi muốn gửi lời cảm ơn tới Bố mẹ, anh chị, em gái, bạn bè đã luôn bên cạnh tôi, động viên giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành bản luận văn tốt nghiệp này. Tác giả luận văn Nguyễn Văn Toản 2
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... 1 LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. 2 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT .......................................................... 6 DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU .................................................................................. 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ......................................................................... 8 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 12 1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................................... 12 2. Mục tiêu của đề tài .................................................................................................... 13 3. Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................................ 13 4. Đối tượng nghiên cứu................................................................................................ 14 5. Phương pháp nghiên cứu........................................................................................... 14 6. Cấu trúc luận văn ...................................................................................................... 14 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ......................................................................................... 15 1.1. Giới thiệu về vật liệu nano...................................................................................... 15 1.2. Phân loại vật liệu nano............................................................................................ 16 1.3. Giới thiệu về vật liệu bán dẫn pha tạp .................................................................... 17 1.4. Giới thiệu màng mỏng dẫn điện , ngăn bức xạ hồng ngoại AZO........................... 18 1.4.1. Cấu trúc vật liệu ZnO ...................................................................................... 18 1.4.2. Nguyên lý dẫn điện của AZO ......................................................................... 19 1.5. Một số phương pháp chế tạo vật liệu nano............................................................. 20 1.6. Một số ứng dụng của vật liệu AZO ........................................................................ 21 1.6.1. Ứng dụng của AZO trong ngăn bức xạ hồng ngoại ........................................ 21 3
1.6.2. Nguyên lý phản xạ vùng hồng ngoại của màng AZO..................................... 23 1.7. Các phương pháp tạo màng mỏng .......................................................................... 25 1.7.1. Phương pháp phủ quay ................................................................................... 25 1.7.2. Phương pháp phủ nhúng ( dip coating) .......................................................... 26 1.7.3. Phương pháp phún xạ...................................................................................... 26 1.7.4. Phương pháp lắng đọng chùm xung điện tử ( PED ) ...................................... 27 1.7.5. Phương pháp In Gạt ........................................................................................ 28 CHƯƠNG II. THỰC NGHIỆM .................................................................................... 29 2.1. Hóa chất và thiết bị sử dụng ................................................................................... 29 2.1.1. Hóa chất .......................................................................................................... 29 2.1.2. Thiết bị sử dụng .............................................................................................. 29 2.2. Nghiên cứu chế tạo màng mỏng AZO .................................................................... 31 2.2.1. Xử lý đế phủ màng ( Lam kính glass size) ..................................................... 31 2.2.2. Quy trình tổng hợp vật liệu AZO.................................................................... 32 2.3. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng của vật liệu ............................................. 33 2.3.1. Kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM) và hiển vi điện tử truyền qua (TEM). .. 34 2.3.2. Phổ tán sắc năng lượng tia X ( EDX) ............................................................. 35 2.3.3. Phổ nhiễu xạ điện tử XRD. ............................................................................. 36 2.3.4. Phổ UV-Vis-NIR ............................................................................................ 37 CHƯƠNG III : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 39 3.1. Tổng hợp vật liệu AZO .......................................................................................... 39 3.1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của dung môi đến quá trình hình thành các hạt nano AZO .......................................................................................................................... 39 4
3.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ pha tạp Al. ............................................ 40 3.1.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hình thành các hạt nano AZO .......................................................................................................................... 44 3.2. Tính chất quang của vật liệu AZO ......................................................................... 49 3.2.1. Nghiên cứu sự thay đổi nồng độ pha tạp Al đến tính chất quang của vật liệu AZO .......................................................................................................................... 49 3.2.2. Nghiên cứu sự thay đổi nhiệt độ tổng hợp đến tính chất quang của vật liệu AZO .......................................................................................................................... 51 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 56 CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ .................................................................................. 59 5
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Viết tắt 1 PED Pulsed Electron Deposition ( Lắng đọng xung điện tử ) 2 EDX Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (Phổ tán sắc năng lượng tia X) 4 XRD X Ray Diffraction ( Nhiễu xạ tia X) 5 ALD Atomic Layer Deposition ( Lắng đọng hóa học) 6 SEM Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét) 7 SPM Scanning Probe Microscopy (Kính hiển vi quét đầu dò) 8 STM Scanning Tunneling Microscopy (Kính hiển vi quét chui hầm) 9 TCO Transparent Conductive Oxide (Màng mỏng ôxít dẫn trong suốt) 6
DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU STT Tên Bảng, Biểu Trang 1 Bảng 2.1. Danh mục hóa chất 29 3 Bảng 2.2. Mẫu tổng hợp ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau 33 4 Bảng 2.3. Mẫu tổng hợp ở các nồng độ pha tạp khác nhau 34 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ STT Tên Hình Trang 1 Hình 1.1. Mô tả hạt nano dạng đám và dạng hạt 16 2 Hình 1.2. Màng mỏng nano 17 3 Hình 1.3. Mô tả nano dạng ống và dạng dây 17 4 Hình 1.4. Các dạng cấu trúc ZnO 19 5 Hình 1.5. Cấu trúc Wurtzite của ZnO 19 6 Hình 1.6. Một số ứng dụng của TCO để ngăn bức xạ hồng 22 ngoại 7 Hình 1.7. Mô tả nguyên lý ngăn bức xạ hồng ngoại của TCO 23 8 Hình 1.8. Phổ truyển qua T, phản xạ R và hấp thụ A của 24 màng trên đế thủy tinh 9 Hình 1.9. Phương pháp quay phủ ( spin coating) 25 10 Hình 1.10. Mô tả các giai đoạn phủ quay 25 11 Hình 1.11. Quá trình phủ nhúng 26 12 Hình 1.12. Hệ phún xạ tại viện AIST Đại Học Bách Khoa Hà 26 Nội 13 Hình 1.13. Cấu tạo và nguyên lý của phún xạ 27 14 Hình 1.14. Sơ đồ buồng tạo mẫu của thiết bị PED 27 15 Hình 1.15. Mô tả quá trình lăn phủ tạo màng 28 16 Hình 2.1. Máy khuấy từ gia nhiệt 30 17 Hình 2.2. Cân phân tích 30 8
18 Hình 2.3. Máy li tâm 30 19 Hình 2.4. Máy rung siêu âm 30 20 Hình 2.5. Bếp amiang 31 21 Hình 2.6. Máy tạo khí Nito 31 22 Hình 2.7. Quy trình tổng hợp AZO 32 23 Hình 2.8. Thiết bị kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM-7600F 34 (Mỹ) tại phòng thí nghiệm Hiển vi điện tử (BKEMMA), viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST), đại học Bách khoa Hà Nội (HUST) 24 Hình 2.9. Mô tả nguyên lý SEM, TEM 35 25 Hình 2.10. Nguyên lý phổ nhiễu xạ điện tử XRD 36 26 Hình 2.11. Thiết bị Cary 5000 UV-Vis-NIR của Viện khoa 37 học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam 27 Hình 3.1. Ảnh FE - SEM của mẫu Md1(a) và mẫu Md2(b) 39 được tổng hợp bằng phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method) trong môi trường dung môi khác nhau. 28 Hình 3.2. Biểu diễn phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) của 40 Md1 tổng hợp bằng phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method) trong dung môi Oleyamine 29 Hình 3.3. Phổ nhiễu xạ X-ray (XRD) của mẫu MN1; MN2; 41 MN3; MN4; và MN5 tổng hợp bằng phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method) với các hàm lượng pha tạp nguyên tử Al khác nhau lần lượt là 1, 3, 5, 7 và 9 % 30 Hình 3.4. Ảnh FE - SEM của mẫu MN1(a); MN2(b); 42 9
MN3(c); MN4(d); và MN5(e) tổng hợp bằng phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method) với các hàm lượng pha tạp nguyên tử Al khác nhau lần lượt là 1, 3, 5, 7 và 9 % 31 Hình 3.5. Biểu diễn phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) của 43 mẫu MN1(a); MN2(b); MN3(c); MN4(d); MN5(e) tổng hợp bằng phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method) với các hàm lượng pha tạp nguyên tử Al khác nhau lần lượt là 1, 3, 5, 7 và 9 % 32 Hình 3.6. Phổ XRD của các mẫu MT1; MT2; MT3; MT4; 45 MT5; MT6 tổng hợp bằng phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method) ở các nhiệt độ khác nhau lần lượt là 200 ; 220 ; 240 ; 260; 280 ; và 300 oC 33 Hình 3.7. Ảnh SEM của các mẫu MT1(a); MT2(b); MT3(c); 47 MT4(d); MT5(e); MT6(f) tổng hợp bằng phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method) ở các nhiệt độ khác nhau lần lượt là 200; 220; 240; 260; 280 và 300 oC 34 Hình 3.8. Biểu diễn phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) của 48 các mẫu MT1(a); MT2(b); MT3(c); MT4(d); MT5(e); MT6(f) tổng hợp bằng phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method) ở các nhiệt độ khác nhau lần lượt là 200; 220; 240; 260; 280 và 300 oC 35 Hình 3.9. Phổ UV-Vis-NIR mẫu MN1(a); MN2(b); MN3(c); 50 MN4(d); và MN5(e) tổng bằng phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method) với các hàm lượng pha tạp nguyên tử Al khác nhau lần lượt là 1,3,5,7 và 9 % 36 Hình 3.10. Phổ UV-Vis-NIR các mẫu MT1(a); MT2(b); 51 10
MT3(c); MT4(d); MT5(e); MT6(f) tổng hợp bằng phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method) ở các nhiệt độ khác nhau lần lượt là 200; 220; 240; 260; 280 và 300 oC 37 Hình 3.11. Ảnh FE-SEM của mẫu AZO được chế tạo bằng 53 phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method) tổng hợp trong dung môi Oleyamine, ở điều kiện nhiệt độ tổng hợp là 300 oC, nồng độ pha tạp hàm lượng Al(Al3+/Zn2+ ) = 5%, tổng hợp trong thời gian 1h 38 Hình 3.12. Ảnh HR – TEM của mẫu AZO được chế bằng 54 phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method) tổng hợp trong dung môi Oleyamine, ở điều kiện nhiệt độ tổng hợp là 300 oC, nồng độ pha tạp hàm lượng Al(Al3+/Zn2+ ) = 5%, tổng hợp trong thời gian 1h 11
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong những năm gần đây việc khoa học công nghệ đang phát triển như vũ bão thì các nhà khoa học đang phải tìm tòi và nghiên cứu ra các vật liệu mang lại nhiều ứng dụng trong khoa học hiện đại cũng như đời sống con người. 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). Với tính chất nổi trội của vật liệu là tính chất quang và tính chất điện, vật liệu này có khả năng dẫn điện gần như kim loại và trong suốt trong vùng khả kiến nên vật liệu có nhiều ứng dụng như làm điện cực trong suốt, hay làm kính ngăn bức xạ hồng ngoại, ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật quang điện, một số thiết bị dạng màng mỏng được tạo thành từ vật liệu như : Chống ngưng tụ hơi nước cho cửa sổ máy bay; Màng chắn tĩnh điện; Màng chắn nhiễu điện từ; Gương phản xạ nhiệt cho cửa sổ; Điện cực trong suốt trong màn tinh thể lỏng LCD; Màn điện sắc; Điot phát quang hữu cơ OLED; Điện cực cho pin mặt trời dựa trên Si vô định hình… Để có độ truyền quang cao ( > 80%) trong vùng khả kiến và độ dẫn điện cao ( > 103 S.cm-1) ở TCO thì các nhà nghiên cứu đã đưa vào các tạp chất thích hợp để tạo sự suy biến trong vùng cấm rộng của một số Ôxít. 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); ZnO pha tạp Ga ( GZO); 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]; Nhóm Trần Hữu Nghị và cộng sự của trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh [17]; Nhóm của TS. Trịnh Xuân Anh và TS. Nguyễn Duy Cường và các cộng sự ở viện nghiên cứu AIST Đại Học Bách Khoa Hà Nội và một số tập thể khoa học trên thế giới như nhóm của K. J. Chen và các cộng sự (Taiwan) [1]; Nhóm của Jung Y. S (Hàn 12
Quốc) [9]; Nhóm Hirata G. 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. Và đây sẽ là nguồn tài liệu học tập, tham khảo cho những ai yêu thích khoa học đặc biệt là yêu thích khoa học vật liệu. Với những hạn chế khách quan và chủ quan nên công trình nghiên cứu sẽ không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Vì vậy, kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, các cán bộ nghiên cứu và các học viên, sinh viên Đại Học Bách Khoa Hà Nội .. để giúp cho việc nghiên cứu đề tài này được hoàn thiện hơn. 2. Mục tiêu của đề tài - Nghiên cứu và tổng hợp thành công hạt nano ZnO pha tạp Al. - Chế tạo thành công các màng ZnO pha tạp Al từ hạt nano đã tổng hợp được với độ dẫn điện và độ truyền qua ở vùng khả kiến cao. - Chế tạo thành công màng ZnO pha tạp Al phản xạ các bước sóng hồng ngoại. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo vật liệu AZO bằng phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method). Khảo sát tìm ra quy trình tổng hợp tối ưu có tính ổn định và độ lặp lại cao. - Khảo sát các đặc trưng của vật liệu như hình dạng kích thước, thành phần, tính chất của vật liệu. - Nghiên cứu tính chất quang của vật liệu, cụ thể là khả năng ngăn cản bức xạ hồng ngoại. 13
4. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là hạt nano AZO và màng mỏng AZO. 5. Phương pháp nghiên cứu Trong luận văn này chúng tôi sử dụng một số phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu như: Sử dụng phương pháp dung nhiệt (Solvothermal method) để chế tạo vật liệu, sử dụng các phương pháp phân tích : Hiển vi điện tử quét FE - SEM, HR - TEM; Phổ nhiễu xạ tia X (XRD); Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX); Phổ truyền qua UV-Vis - IR để nghiên cứu hình thái, cấu trúc, thành phần và tính chất của vật liệu. 6. Cấu trúc của luận văn Luận văn được chia làm ba chương bao gồm: CHƯƠNG I: TỔNG QUAN Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về vật liệu nano nói chung và vật liệu AZO nói riêng, giới thiệu màng ôxít dẫn trong suốt (TCO) tính chất quang, điện của chúng và ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học công nghệ và đời sống. 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. 14
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. 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. Điều đó được thể hiện bằng số các công trình khoa học, số các bằng phát minh sáng chế, số các công ty có liên quan đến khoa học, công nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ. 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. - Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy mô nano mét. Khái niệm về công nghệ nano được xuất hiện từ những năm 1959, khi nhà vật lý người Mỹ Richard Feynman đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thước siêu nhỏ đi từ quá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử. Những năm 1980, nhờ sự ra đời của hàng loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM) có khả năng quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử, con người có thể quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano. Từ đó, công nghệ nano bắt đầu được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ [6]. 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. 15
1.2. 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.. 16
Hình 1.2. 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. Mô tả nano dạng ống và dạng dây 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. Đó là sự giới hạn của các điện tử tự do tại vùng dẫn (conduction band) và lỗ trống tại vùng hóa trị (valence band). 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. 17
- Chất bán dẫn pha tạp loại p ( Bán dẫn dương): Dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống (Ion dương), để tạo ra bán dẫn loại p thì tạp chất thường là các nguyên tố có hóa trị nhỏ hơn so với hóa trị của nguyên tố tạo liên kết trong vật liệu bán dẫn, khi đó phần tử liên kết sẽ thiếu electron, trở thành ion dương do đó hạt dẫn chủ yếu là các lỗ trống, hạt dẫn thiểu số là điện tử. Ví dụ như vật liệu: Lithium doped zinc oxide; Nito doped zinc oxide… - Chất bán dẫn pha tạp loại n ( Bán dẫn âm): Dẫn điện chủ yếu bằng điện tử, để tạo ra bán dẫn pha tạp loại n thì tạp chất đưa vào thường là các nguyên tố có hóa trị lớn hơn so với hóa trị của nguyên tố tạo liên kết trong mạng nền vật liệu bán dẫn. Điều này khiến phần tử liên kết thừa electron, nên trong bán dẫn loại này hạt dẫn chủ yếu là điện tử, hạt dẫn thiểu số là lỗ trống. Ví dụ như vật liệu: Indium Tin Oxide ( ITO); Aluminum Zinc Oxide ( AZO); Gallium Zinc Oxide ( GZO)… 1.4. Giới thiệu màng mỏng dẫn điện , ngăn bức xạ hồng ngoại AZO Màng ZnO pha tạp Al ( AZO) hiện nay đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới do có ưu điểm chi phí tổng hợp thấp hơn nhiều so với các màng TCO khác . 1.4.1. Cấu trúc vật liệu ZnO Kẽm oxit (ZnO) là loại vật liệu bán dẫn loại n, thuộc nhóm bán dẫn II-VI. Tại nhiệt độ T= 0 K có năng lượng vùng cấm rộng ~ 3.436 Ev, tại nhiệt độ phòng có năng lượng vùng cấm Eg ~ 3.37 ± 0.01, năng lượng kích thích lớn hơn (60 meV) [14, 16]. ZnO thường tồn tại ở ba dạng cấu trúc là haxagonal Wurtzite, Blende và Rocksalt, tại nhiệt độ phòng cấu trúc tinh thể Wurzite là dạng ổn định nhiệt, trong khi đó cấu trúc Blende chỉ có được khi kết tinh trên đế có cấu trúc lập phương và dạng Rocknalt chỉ tồn tại ở áp suất cao. Trong số các cấu trúc thì cấu trúc Wurzite là phổ biến nhất. [15, 18, 22]. 18