Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI---Vy Anh VươngNGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU MÀNG MỎNG HAI CHIỀU MoS2 DẠNG TẤM BẰNG PHƯƠNG PHÁP CVD VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CẤU TR
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Vy Anh Vương NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU MÀNG MỎNG HAI CHIỀU MoS2 DẠNG TẤM BẰNG PHƯƠNG PHÁP CVD VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CẤU TRÚC CỦA CHÚNG Chuyên ngành: Khoa học Kỹ thuật vật liệu LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Khoa học Kỹ thuật vật liệu Hà Nội – 2018 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205190451000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Vy Anh Vương NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU MÀNG MỎNG HAI CHIỀU MoS2 DẠNG TẤM BẰNG PHƯƠNG PHÁP CVD VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CẤU TRÚC CỦA CHÚNG Chuyên ngành: Khoa học Kỹ thuật vật liệu LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Khoa học Kỹ thuật vật liệu NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS CHỬ MẠNH HƯNG Hà Nội – 2018 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn thạc sĩ cách hoàn chỉnh, bên c ạnh s ự nỗ lực c ố gắng thân cịn có s ự hướng dẫn tận tình c q Thầy Cơ, động viên, ủng hộ c gia đình, anh chị bạn bè suốt thời gian họ c t ập, nghiên c ứu thực hiệ n luận văn thạc sĩ Xin bày t ỏ s ự kính tr ọng lịng bi ết ơn sâu sắc tới thầy TS.Chử Mạnh Hưng – Viện Đào tạo Quố c tế Khoa họ c Vật li ệ u (ITIMS) trường Đại học Bách khoa Hà Nội Thầy truyền đạt kiế n thức quý báu, tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận l ợi cho tơi suốt thời gian hồn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn Thầy Cô Viện Đào tạo Quố c t ế Khoa học Vật liệ u (ITIMS) trường Đại học Bách khoa họ c Hà Nội hỗ trợ tạo điều kiện thuận l ợi cho suố t trình họ c t ập, nghiên c ứu thực hiệ n luận văn Cuối cùng, xin gửi l ời c ảm ơn chân thành đến gia đình, anh chị bạn hỗ trợ độ ng viên tinh thần lúc khó khăn để tơi vượt qua hồn thành t ố t luận văn VY ANH VƯƠNG i ITIMS 2016 - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu c tơi Luận văn khơng có s ự chép tài li ệ u, cơng trình nghiên c ứu c người khác mà không rõ mục tài liệu tham khảo Những kết s ố liệ u luận văn chưa công bố hình thức Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước nhà trường s ự cam đoan Hà Nội, ngày … tháng … năm 2018 Họ c viên Vy Anh Vương VY ANH VƯƠNG ii ITIMS 2016 - 2018 MỤC LỤC LỜ I C ẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC L ỤC DANH MỤ C CÁC KÝ HIỆ U VÀ CHỮ VIẾ T TẮ T DANH MỤ C HÌNH VẼ VÀ B ẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 12 1.1 Kim loại chuyển ti ế p Dichalcogenides 12 1.2 Molybden disulfide (MoS2) 13 1.2.1 Cấ u trúc tinh thể củ a MoS 13 1.2.2 Tính chất điện tử 14 1.3 Các phương pháp tổng hợp MoS 15 1.3.1 Phương pháp bóc tách học 16 1.3.2 Phương pháp thủy nhi ệ t 16 1.3.3 Phương pháp lắng đọng hóa học pha CVD 16 1.4 Vật li ệ u MoS2 cho c ả m bi ến khí 18 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 20 2.1 Thi ế t bị dụng c ụ hóa ch ất 20 2.1.1 Chu ẩn bị d ụ ng c ụ hóa chất 20 2.1.2 Hệ thi ế t bị CVD 21 2.2 Quy trình chế tạo MoS phương pháp CVD 21 2.2.1 Quy trình chế tạo MoS từ màng Mo bột S 21 2.2.2 Quy trình chế t ạo MoS từ bột MoO bột S 23 VY ANH VƯƠNG ITIMS 2016 - 2018 2.3 Các phương pháp khảo sát phân tích vật li ệ u MoS 24 2.3.1 Phổ tán xạ Raman 24 2.3.2 Hiển vi điện tử quét (SEM) 25 2.3.3 Nhi ễ u xạ tia X (XRD) 25 2.4 Khảo sát tính ch ất nh y khí c v ật li ệ u MoS 25 2.4.1 Thi ế t bị d ụ ng c ụ 25 2.4.2 Thao tác ti ế n hành 27 2.4.3 Nguyên t ắc ho ạt độ ng c ủ a hệ đo khí 27 CHƯƠNG 3: KẾ T QU Ả VÀ TH ẢO LU ẬN 28 3.1 Khảo sát hình thái c ấu trúc tính chất vật li ệ u MoS tổ ng hợp phương pháp CVD s d ụng màng Mo bột S làm ti ề n chất 28 3.1.1 Ảnh hưởng c ủ a nhi ệt độ ph ản ứng 28 3.1.2 Ảnh hưởng c ủ a tốc độ gia nhiệt 31 3.1.3 Ảnh hưởng c ủ a khối lượng bột lưu huỳnh 34 3.1.4 Ảnh hưởng c ủ a thời gian phản ứng 36 3.2 Khảo sát c ấu trúc tính chất vật li ệ u MoS t ổ ng hợp phương pháp CVD s d ụng MoO S làm ti ề n chất 39 3.2.1 Ảnh hưởng c ủ a tốc độ gia nhiệt 40 3.2.2 Ảnh hưởng c ủ a thời gian phản ứng 42 3.2.3 Ảnh hưởng c ủ a khối lượng bột MoO 44 3.3 Kh ảo sát tính ch ất nh y khí c vật li ệ u MoS 48 3.3.1 Tính chất nhạy khí màng vật li ệu hạt nano MoS 48 3.3.2 Tính chất nhạy khí màng vật li ệu t ấm nano MoS 52 3.3.3 Cơ chế nh y khí NO củ a vật li ệ u MoS 57 VY ANH VƯƠNG ITIMS 2016 - 2018 KẾ T LU ẬN VÀ KIẾ N NGH Ị 59 TÀI LI Ệ U THAM KH ẢO 60 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Viế t t Ti ếng anh Nghĩa CVD Chemical Vapour Deposition Lắng đọng hóa học pha TMDs Transition metal Kim lo ại chuyển ti ếp dichalcogenides dichalcogenides 2D Two Dimention Hai chi ề u MoO3 Molybdenum trioxide Molybden ôxít FET Field-effect transistor Transistor hiệu ứng trường MFC Mass Flow Controllers Bộ điều khiển lưu lượng khí SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét XRD X-Ray Diffraction Nhi ễ u xạ tia X ppm Parts per million Mộ t phần tri ệ u 10 ITIMS 11 International Training Institue Viện đào tạo quốc t ế khoa for Materials Science học vật liệ u S Sensitivity Độ hồi đáp/Độ đáp ứng 12 T Temperature Nhi ệt độ 13 t time Thời gian 14 RT Room temperature Nhi ệt độ phòng 15 ads adsorption Hấp phụ 16 R Resistance Điện trở 17 u VY ANH VƯƠNG Tốc độ gia nhiệt ITIMS 2016 - 2018 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1 C ấu trúc củ a TMDs 12 Hình 1.2 C ấu trúc tinh thể c ủ a MoS2 14 Hình 1.3 Cấu trúc vùng lượng c ủ a MoS với số lượng l p khác .15 Hình 1.4 Quy trình chế tạo MoS2 phương pháp bóc tách học 16 Hình 1.5 Cơ chế hình thành MoS từ bột MoO3 S 18 Hình 1.6 Ảnh minh họa chế hình thành MoS2 từ Mo t S 18 Hình 2.1 Hệ CVD l ắp đặt vi ệ n ITIMS 21 Hình 2.2 Cơ cấu hệ CVD (a), gi ản đồ chu trình nhi ệ t c ủ a S (b) c ủ a Mo (c) .22 Hình 2.3 Cơ cấu hệ CVD, gi ản đồ chu trình nhiệ t c ủ a trình CVD 23 Hình 2.4 Hai mode dao động đặc trưng E12g A1g củ a vật li ệu MoS2 24 Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hệ điều khiển lưu lượng khí .26 Hình 2.6 Buồng đo khí (a, b) Keithley (c) .27 Hình 2.7 Sơ đồ minh họa nguyên tắc hoạt độ ng c ủ a hệ đo khí 27 Hình 3.1 Phổ Raman c ủ a m ẫ u MoS2 chế t ạo nhiệt độ khác 29 Hình 3.2 Ảnh SEM mẫu MoS2 chế tạo điều kiệ n nhiệt độ phản ứng 800oC…30 Hình 3.3 Kế t qu ả phổ nhi ễ u x tia X mẫu điều kiệ n 800 oC 31 Hình 3.4 Phổ Raman c ủ a m ẫ u MoS2 chế t ạo với tốc độ gia nhi ệ t khác 32 Hình 3.5 Ảnh SEM mẫu MoS2 chế t ạo t ốc độ gia nhi ệ t oC/phút (a), 15o C/phút 33 Hình 3.6 Kế t nhiễu xạ tia X mẫu điề u kiệ n chi ề u dày l ớp Mo 5nm 10nm 33 Hình 3.7 Kết Raman c mẫu MoS2 chế tạo với khối lượng bột S khác 34 Hình 3.8 Ảnh SEM mẫu MoS2 chế t ạo với khối lượng 1g t S (a) 2g t S (b) .35 VY ANH VƯƠNG ITIMS 2016 - 2018 Hình 3.9 Kế t nhiễu xạ tia X mẫu điề u kiệ n chi ề u dày l ớp Mo 5nm 10nm 35 Hình 3.10 Kết Raman mẫu MoS2 chế tạo với thời gian phản ứng khác .36 Hình 3.11 Ảnh SEM mẫu MoS2 chế tạo với thời gian phản ứng 10 phút (a) 15 phút (b) 37 Hình 3.12 Kế t nhiễu xạ tia X mẫu thời gian phản ứng 10 phút 15 phút 37 Hình 3.13 Ảnh SEM hình thái bề m ặt mẫu trước (a) sau (b)quá trình CVD 38 Hình 3.14 Ảnh minh họa chế hình thành MoS2 từ Mo bột S 38 Hình 3.15 Kế t Raman c mẫu MoS2 chế tạo với t ốc độ gia nhiệ t khác 40 Hình 3.16 Ảnh SEM mẫu MoS2 chế tạo vớ i t ốc độ gia nhiệ t 15 oC/phút (a, b) 10 oC/phút (c, d), oC/phút (e, f) .41 Hình 3.17 Kế t phổ Raman mẫu MoS chế t ạo thới thời gian phản ứng khác 15 phút (a), 30 phút (b), 45 phút (c) 41 Hình 3.18 Ảnh SEM mẫu MoS2 mẫu chế tạo với thời gian phản ứng 15 phút (a,b) 30 phút (c,d), 45 phút (e,f) 43 Hình 3.19 Kế t phổ Raman mẫu MoS chế tạo với khối lượng bột MoO3 khác nhau: 0.025 g (a), 0.05 g (b) 0.1 g (c) 44 Hình 3.20 Ảnh SEM mẫu MoS2 độ phóng đại x30k x100k lần chế tạo khối lượng bột MoO3 0.025g (a, b) 0.05g (c, d), 0.1g (e, f) 45 Hình 3.21 Kế t nhiễ u xạ tia X mẫu chế tọ a từ điều ki ệ n tối ưu 46 Hình 3.22 Ả nh minh họa chế hình thành MoS từ bột MoO S 47 Hình 3.23 Đặc tuyết I-V c ảm biến sở vật liệ u hạt nano MoS2 nhiệt độ khác .48 Hình 3.24 Đồ thị thay đổi điệ n tr theo thời gian nhiệt độ phòng (a), 100 oC (c), 150 o C (d), độ ổn định cảm biến nhiệt độ phòng (d) đồ thị so sánh độ đáp ứng theo nồng độ c ủ a nhiệt độ củ a c ả m biến sở hạt nano MoS2 .49 VY ANH VƯƠNG ITIMS 2016 - 2018 Hình 3.25 Đồ thị thay đổi điệ n tr c cảm bi ến nhiệt độ phòng khí SO2 (a), khí H2 (b), khí H2S (c) khí NH3 (d) 51 Hình 3.26 Đồ thị so sánh độ đáp ứng c c ảm biến loại khí nhiệt độ phịng 52 Hình 3.27 Đặc tuyết I-V c ảm biến s vật liệ u nano MoS2 nhiệt độ khác .52 Hình 3.28 Đồ thị thay đổi điệ n tr theo thời gian nhiệt độ phòng (a), 100 oC (c), 150 o C (d), độ ổn định cảm biến nhiệt độ phòng (d) đồ thị so sánh độ đáp ứng theo nồng độ c ủ a nhiệt độ củ a c ả m biến sở hạt nano MoS2 .53 Hình 3.29 Đồ thị thay đổi điệ n tr c cảm bi ến nhiệt độ phịng khí SO2 (a), khí H2 (b), khí H2S (c) khí NH3 (d) 55 Hình 3.30 Đồ thị so sánh độ đáp ứng c c ảm biến loại khí nhiệt độ phịng 56 Hình 3.31 Đồ thị so sánh độ đáp ứng c c ảm biến đối khí NO2 nhiệt độ phịng cảm biến sở vật li ệu h ạt nano MoS2 (a) nano MoS (b) .57 Hình 3.32 Minh họa chế nhạ y khí vật li ệ u MoS2 đố i với khí NO2 .58 VY ANH VƯƠNG ITIMS 2016 - 2018