Màng mỏng (Thin film) là một hay nhiều lớp vật liệu được chế tạo sao cho chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với các chiều còn lại (chiều rộng và chiều dài). Khi chiều dày của màng mỏng đủ nhỏ so với quãng đường tự do trung bình (mean free path) của điện tử (cỡ 10 đến 100 nm) hoặc các chiều dài tương tác thì tính chất của màng mỏng hoàn toàn thay đổi so với tính chất của vật liệu khối.
MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Minh Vương Nhóm thực (nhóm 8): Lê Thị Cẩm Thúy Nguyễn Thị Thanh Thúy Ngô Thị Hồng Tiếp Nguyễn Đoàn Thảo Trang Trần Minh Tiến (NT) MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG I KHÁI NIỆM MÀNG MỎNG Màng mỏng (Thin film) hay nhiều lớp vật liệu chế tạo cho chiều dày nhỏ nhiều so với chiều lại (chiều rộng chiều dài) Khi chiều dày màng mỏng đủ nhỏ so với quãng đường tự trung bình (mean free path) của điện tử (cỡ 10 đến 100 nm) các chiều dài tương tác thì tính chất màng mỏng hồn tồn thay đổi so với tính chất vật liệu khối MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Màng đơn lớp màng đa lớp 1.1.1 Màng đơn lớp (Single-layer film) màng mỏng gồm lớp vật liệu được chế tạo lớp đế Tính chất màng tạo từ lớp vật liệu (và bị ảnh hưởng tác động từ lớp đế) 1.1.1 Màng đa lớp (Multi-layer film) màng mỏng gồm nhiều lớp vật liệu khác nhau, xếp chồng lên nhau, tạo nhằm thay đổi tính chất màng mỏng MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG 1.2 Cấu trúc màng mỏng Cấu trúc màng mỏng tùy thuộc vào kỹ thuật chế tạo, mang cấu trúc vật liệu nguồn, thay đổi phụ thuộc vào kỹ thuật chế tạo, điều kiện chế tạo (a) MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG 1.3 Một số kỹ thuật chế tạo màng mỏng Thông thường, màng mỏng để sử dụng chế tạo lớp đế, khối vật liệu đơn tinh thể (ví dụ Si, MgO, Ge, GaAs, thạch anh ) Hiện có nhiều phương pháp dùng tùy theo mục đích điều kiện kinh tế, kỹ thuật: Kỹ thuật mạ điện Kỹ thuật phun tĩnh điện Bay bốc nhiệt chân không Phún xạ catốt Epitaxy chùm phân tử Lắng đọng hóa học (CVD) Lắng đọng chùm laser Phương pháp sol-gel …………… MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG 1.4 Tính chất bề mặt màng mỏng Hiệu ứng thay đổi tính chất rõ rệt màng mỏng là hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước nm, số ngun tử nằm bề mặt chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số ngun tử Chính hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt hiệu ứng bề mặt trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu dạng khối MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG II MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC Màng mỏng điện sắc màng mỏng chế tạo từ vật liệu có tính chất điện WO sắc, chẳng hạn như: , V2O5 , TiO3 , 2.1 Hiệu ứng điện sắc, vật liệu điện sắc Hiệu ứng điện sắc tượng vật lý biểu biến đổi thuận nghịch tính chất quang vật liệu tác động điện trường phân cực tương ứng đặt vào vật liệu Khi đặt điện trường vào vật liệu điện sắc, tuỳ thuộc vào chiều phân cực điện trường môi trường chất điện li thích hợp ta quan sát thấy hiệu ứng thay đổi màu sắc (nhuộm màu tẩy màu) Các vật liệu có tính điện sắc gọi vật liệu điện sắc Hiện tượng điện sắc quan sát thấy nhiều vật liệu khác kể chất vô hữu Trong đó, oxit kim loại chuyển tiếp có tính điện sắc tốt MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG 2.2 Vật liệu điện sắc chia làm hai loại: 2.2.1 Vật liệu điện sắc anốt loại vật liệu mà trình nhuộm màu xảy điện cực làm việc tiếp xúc điện với vật liệu điện sắc phân cực dương cịn mơi trường điện ly phân cực âm (tương ứng với q trình khỏi vật liệu cation kèm với điện tử) Ngược lại trình tẩy màu xảy điện cực làm việc phân cực âm (tương ứng với trình xâm nhập cation điện tử vào vật liệu) Nhóm bao gồm oxit nguyên tố như: Cr, Mn, Ir, Ni,… oxit nicken oxit iridi hai vật liệu nghiên cứu nhiều MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG 2.2.2 Vật liệu điện sắc catốt loại vật liệu mà trình nhuộm màu xảy điện cực làm việc phân cực âm (tương ứng với trình tiêm vào cation kèm với điện tử) Ngược lại trình tẩy màu xảy điện cực làm việc phân cực dương (tương ứng với trình cation điện tử) Nhóm bao gồm oxit nguyên tố như: Ti, Mo, Ta, W…, oxit Vonfram loại vật liệu nghiên cứu nhiều có nhiều tiềm ứng dụng MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG Giới thiệu vài loại vật liệu điện sắc Vật liệu điện sắc WO3 • WO3 có cấu trúc perovskit • WO3 oxit kim loại Vonfram phân nhóm B, nhóm VI bán dẫn loại n có độ rộng vùng cấm 3,2 eV Thay đổi tính chất quang MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG Chế tạo màng WO3 phương pháp phún xạ magnetron RF Thơng số định hướng tạo màng • Bia phún xạ WO3 • Cơng suất phún xạ 100W • Khoảng cách bia đế5cm • Áp suất hỗn hợp khí Ar +O2 • Áp suất oxy riêng phần 103 torr �104 torr Thiết bị đo bề dày • Thiết bị đo độ dày Stylus Profiler Dektak 6M • Thiết bị đo phổ UV - VIS – 500 • Thiết bị đo phổ nhiễu xạ tia X • Hệ thiết bị khảo sát bề mặt AFM MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG Structure of HWO3 Red is oxygen, green is hydrogen Phổ truyền qua màng WO3 dạng tinh thể ( ion H tiêm vào mật độ điện tích khác nhau) mật độ ion tiêm vào nhiều độ truyền qua giảm MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG III Ứng dụng màng điện sắc Cửa sổ thông minh MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG Cấu tạo chung : - Hai lớp thủy tinh - Hai điện cực suốt - Lớp điện ly - Lớp điện sắc MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG Ứng dụng màng điện sắc Cửa sổ thông minh MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG Cửa sổ thông minh Linh kiện hiển thị MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG Các thông số V2O5 bán dẫn loại n có cấu trúc perovkite độ rộng vùng cấm Eg khoảng 2,25 - 2,4 eV MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG Cấu trúc tinh thể V2O5 cấu trúc lớp Tạo dãy kênh ngầm dãn rộng, tạo điều kiện cho ion kích thước nhỏ di chuyển bên Hình a Hình b QT tẩy : phở ánh sáng nhìn thấy truyền qua 8% và lượng mặt trời truyền qua 6% Chính khe rãnh giúp ion khác ( Li+, Na+…) từ bên tiêm vào màng, tạo nên hiệu ứng điện sắc Tạo cấu trúc giả bền AxV2O5, cấu trúc hấp thụ mạnh ánh sáng vùng khả kiến QT nhuộm : phổ ánh sáng nhìn thấy truyền qua 77% và lượng mặt trời truyền qua 56% MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG Pin Li-ion thiết bị biến đổi lượng giải phóng phản ứng hóa học trức tiếp thành lượng điện Dung lượng pin phụ thuộc trực tiếp vào số lượng ion Li+ xen vào thoát từ điện cực pin Tuổi thọ pin Lithium-Ion đánh giá thơng qua vịng nạp điện (charge cycles) Một vịng nạp điện tính 100% dung lượng pin sử dụng hết nạp lại MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG Pin Li-ion gồm phần chính: điện cực (cathode anode) ngăn cách chất điện ly rắn có chứa ion lithium Hỗn hợp Carbon trộn kim loại thường dùng làm cực dương Các màng mỏng kim loại chuyển tiếp thường sử dụng làm cực âm Khi sạc pin, ion Li+ cực dương tiến sang cực âm -> đính vào mạng C đó-> q trình sạc chấm dứt Khi xả hay sử dụng pin, trình thực theo chiều ngược lại MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG Ứng dụng gương chống lóa Khi ban đêm ánh đèn từ xe phía sau chiếu đến làm chói mắt người tài xế gây nguy hiểm Phủ lớp màng mỏng điện sắc, hình ta thấy xe sau chiếu vào kính chiều hậu ta ko thấy chói MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG • Trên kính có gắn cảm biến nhận ánh sáng với độ chói khác nhau, nhận ánh sáng cảm biến gửi tín hiệu hiệu điện đặt vào điện cực kính, gương trở nên hấp thụ ánh sáng • Khi khơng có ánh sáng chiểu vào, ánh sáng yếu, cảm biến không nhận ánh sáng điện ngừng cung cấp điện -> gương trở lại bình thường Ánh sáng tới mắt tài xế khoảng 25 %– 30% ... của? ?vật liệu? ?có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu dạng khối MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC VÀ ỨNG DỤNG II MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC Màng mỏng điện sắc màng mỏng chế tạo từ vật liệu có tính chất điện. .. vật liệu có tính điện sắc gọi vật liệu điện sắc Hiện tượng điện sắc quan sát thấy nhiều vật liệu khác kể chất vô hữu Trong đó, oxit kim loại chuyển tiếp có tính điện sắc tốt MÀNG MỎNG ĐIỆN SẮC... 2.2 Vật liệu điện sắc chia làm hai loại: 2.2.1 Vật liệu điện sắc anốt loại vật liệu mà trình nhuộm màu xảy điện cực làm việc tiếp xúc điện với vật liệu điện sắc phân cực dương cịn mơi trường điện