Trang 1 NUYỄN TRỌNG QUANG--- NGUYỄN TR NG QUANGỌVẬT LIỆU ĐIỆN TỬCHẾ TẠO, TỔNG HỢP VÀ NGHIấN CỨU HèNH THÁI CỨU CẤU TRÚC BỀ MẶT VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ VI ĐIỆN CỰC CẤU TRÚC BỞI CuO VÀ CARBON N
NUYỄN TRỌNG QUANG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN TRỌNG QUANG VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ CHẾ TẠO, TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU HÌNH THÁI CỨU CẤU TRÚC BỀ MẶT VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ VI ĐIỆN CỰC CẤU TRÚC BỞI CuO VÀ CARBON NANOTUBES BIẾN TÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ 2009 Hà Nội – Năm 2011 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131364521000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TRỌNG QUANG CHẾ TẠO, TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU HÌNH THÁI CỨU CẤU TRÚC BỀ MẶT VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ VI ĐIỆN CỰC CẤU TRÚC BỞI CuO VÀ CARBON NANOTUBES BIẾN TÍNH Chuyên ngành : Vật liệu điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS Trần Trung Hà Nội – Năm 2011 Ministry of education and Training Hanoi university of technology NGUYEN TRONG QUANG SYNTHESIS AND STUDY OF SURFARE STRUCTURE AND PROPERTIES OF MICROELECTRODE SYSTEM BY CuO AND CARBON NANOTUBES MODIFICATION Master thesis of material Science SUPERVISOR : Prof Dr Tran Trung Ha noi – 2011 Luận văn cao học Itims Mở ĐầU Gần đây, dây nano ống nano oxit kim loại liệu mơ ớc phát triển lĩnh vực điện, quang cảm biến Trong phơng pháp chế tạo, ngời ta đà chứng minh đợc tạo dây nano CuO từ bề mặt màng Cu đợc chế tạo từ hệ phún xạ) Mà phải dùng hệ điện hóa điện phân Cu lên bề mặt Pt, xếp chặt chẽ, nên oxi hóa Cu điều kiện thích hợp tạo đợc CuO dạng dây nano Hệ vi điện cực đợc chế tạo từ CuO có độ nhạy khí cao, có thêm thành phần CNTs hệ vi điện cực đặc trng nhạy lĩnh vực ứng dụng làm cảm biến khí Gần vËt liƯu dùa trªn CNTs cịng thu hót sù chó ý làm cảm biến sinh học, khí Do khuôn khổ đề tài Chế tạo, tổng hợp nghiên cứu hình thái cấu trúc bề mặt đặc trng hệ vi điện cực cấu trúc CuO carbon nanotubes biến tínhl, nghiên cứu hình thái cấu trúc dây CuO đợc tạo thành theo phơng pháp điện hóa Mục đích nghiên cứu luận văn là: + Đa quy trình tổng hợp dây nano CuO + Phân tích hình thái cấu trúc sản phẩm thu đợc + Phân tích thành phần dây nano thu đợc + Đa kết luận kiến nghị Đối tợng nghiên cứu: Dây CuO Phạm vi nghiên cứu: Trong phòng thí nghiệm Luận văn bao gồm: + Chơng 1: Tổng quan + Chơng 2: Thực nghiệm phơng pháp nghiên cứu + Chơng 3: Kết thảo luận + Chơng 4: Kết luận Phơng pháp nghiên cứu: + Phơng pháp quét vòng + Phơng pháp chụp SEM Nguyễn Trọng Quang Luận văn cao học Itims + Phơng pháp phổ X-RAY Nguyễn Trọng Quang Luận văn cao học Itims Chơng 1: Tỉng quan vỊ vËt liƯu CuO, C¸cbon nanotube, vi ®iƯn cùc Pt I CÊu tróc vµ tÝnh chÊt cđa vật liệu CuO I.1 Những cấu trúc CuO Đồng (II) oxit (CuO) hay có tên gọi cupric oxit, tự nhiên tồn quặng tenorite Là chất rắn màu đen với cấu trúc tinh thể ion nóng chảy 1200oC đợc hình thành từ trình oxi hóa Cu P P Cu + O → CuO R CuO R Khèi lỵng riªng tnc ts 6.31/cm2 1201 oC R P R P P 2000oC P P CuO cã cÊu tróc tinh thĨ đơn tà, thông số mạng ô tinh thĨ lµ a = 4,6837, b = 3,4226, c = 5,1288 α = 90 °, β = 99,54 °, = 90 Trong mặt phẳng gần nh vuông, nguyên tử Cu đợc liên kết với nguyên tử O xung quanh Hình Mô cấu trúc tinh thể, ô sở CuO Nguyễn Trọng Quang Luận văn cao học Itims I.2 Khái quát lý thuyết bán dẫn CuO I.2.1 Đặc tính dẫn điện bán dẫn CuO CuO đợc xem nh loại bán dẫn loại p với bề rộng lợng vïng cấm Eg (vùng trống) tương đối hẹp cỡ 1,2-1,4 eV R R Hình Đồ thị mô tả vùng lợng vật liệu bán dẫn nhiệt độ khác độ dẫn CuO khác nhau, mà thay đổi nhiệt độ electron (e) di chuyển tới vùng, nhiệt độ thích hợp điện tử chuyển động (vợt qua mức 1,2-1,4 eV) CuO trở thành chất dẫn điện Vì lợng vùng cấm cỡ 1,2 1,4 eV nên điều kiện thích hợp CuO trở nên dẫn điện CuO đợc coi loại bán dẫn loại p Hình Sơ đồ mô tả bán loại p Dẫn điện chủ yếu lỗ trống, có nhiều trung tâm tích điện dơng Nguyễn Trọng Quang Luận văn cao học Itims Khi chất bán dẫn CuO có nồng độ tạp chất lớn 1020 nguyên tử/cm3 đợc gọi bán P P P P dẫn suy biến có tính chất giống nh kim loại dẫn điện tốt, lợng hạt dẫn tự chất bán dẫn suy biến không phụ thuộc vào nhiệt độ CuO dạng khác cho thông số độ dẫn khác điều kiện, CuO tồn dạng bột, dây, que dạng màng mỏng Trong luận văn nghiên cứu đến vật liệu CuO dạng dây que, có kích thớc micromet nanomet I.2.1 Các yếu tố ảnh hởng đến tính dẫn ®iƯn cđa CuO - Anh hëng cđa nhiƯt ®é CuO tuân theo quy luật nh loại bán dẫn khác, Chất bán dẫn hoạt động nh chất cách điện nhiệt độ không dẫn điện nhiệt độ khác, đợc lý giải lý thuyết vùng lợng ã độ K tuyệt đối CuO không dẫn điện mức fermi vùng cấm, có nghĩa tất điện tử tồn vùng hóa trị, chất bán dẫn không dẫn điện Khi tăng dần nhiệt độ, điện tử nhận đợc lợng nhiệt (kB T với k B lµ h»ng sè R R R R Boltzmann) nhng lợng cha đủ để điện tử vợt qua vùng cấm nên điện tử vùng hóa trị ã Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, có số điện tử nhận đợc lợng lớn lợng vùng cấm nhảy lên vùng dẫn chất rắn trở thành dẫn điện Khi nhiệt độ tăng lên, mật độ điện tử vùng dẫn tăng lên, đó, tính dẫn điện chất bán dẫn CuO tăng dần theo nhiệt độ (hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ) Một cách gần đúng, viết phụ thuộc điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ nh sau: víi: R lµ h»ng sè, ∆E g độ rộng vùng cấm R R R R Ngoài ra, tÝnh dÉn cđa chÊt b¸n dÉn CuO cã thĨ thay đổi nhờ kích thích lợng khác, ví dụ nh ánh sáng Khi chiếu sáng, điện tử hấp thu Nguyễn Trọng Quang Luận văn cao học Itims lợng từ photon, nhảy lên vùng dẫn lợng đủ lớn Đây nguyên nhân dẫn đến thay đổi tính chÊt cđa chÊt b¸n dÉn CuO díi t¸c dơng cđa ¸nh s¸ng (quang-b¸n dÉn) - Ảnh hëng cđa nång ®é tạp chất CuO trạng thái tinh khiết bán dẫn loại p Nhng chất bán dẫn bị thay đổi lớn độ dẫn bị pha tạp lợng chất pha tạp, chất pha tạp chủ yếu nguyên tố nhóm III nguyên tố nhóm V II Đặc điểm tính chất dẫn điện dây CuO kết hợp ứng dụng làm vi điện cực II.1 Lý thuyết trình mạ Cu hình thành dây CuO - Cơ sở lý thuyết trình mạ Cu [2] Cu kim loại dẻo màu hồng, trọng lợng riêng d= 8,96g/cm2 nhiệt độ nóng P P chảy 1083oC, điện trở riêng 20oC 1,68.10-8 m Độ dẫn ®iƯn vµ dÉn nhiƯt gÊp P P P P P P 6-7 lần Fe, gấp 1,5 lần Al, Cu đợc dùng làm cầu catot, anot cho bể điện phân, làm khung treo vật mạ, làm dây dẫn điện Đồng có hóa trị + +2 đơng lợng điện hóa Cu+ 2,372g/Ah, Cu2+ P P P P 1,186 g/ Ah Điện tiêu chn cđa Cu/Cu2+ lµ 0,34V, cđa Cu/Cu+ lµ 0,52 v, P P P P Cu+/Cu2+ 0,15V đồng có điện dơng Fe,Zn nên lớp mạ Cu cđa P P P P chóng ph¶i phđ kÝn míi có tác dụng bảo vệ, lớp mạ Cu mỏng, nhiều lỗ thủng lớp an mòn chúng có mạnh không mạ Độ cứng lớp mạ Cu 500-1500 Mpa (51-53 kg/mm2), mà dung dịch sunfat cho độ cứng thấp P P xyanua Đồng dễ đánh bóng đến độ đánh bóng cao, nhng dễ tác dụng với ẩm, chất xâm thực không khí mau chóng bị mờ đi, bị phủ lớp CuS màu xám, nâu phủ lớp CuCO3 màu xanh Cu tan mạnh HNO H SO4 đặc, R R R R R R R R nóng H2 CrO Đồng không bền NH 4OH, kiềm Cu bền R R R R R R H2 SO 4lo·ng , HCl R R R R Líp m¹ Cu đợc dùng vào lĩnh vực: Mạ lót dới lớp mạ kềm Nguyễn Trọng Quang dày 6-30 m Luận văn cao học Itims Mạ chống thấm than cục dày 48-50 m Mạ tăng độ dẫn điện dày 10-70 m Mạ lên kim loại đen dày 10-200 m Mạ lên kim loại đen dày 5-15 m Mạ lên kim loại màu dày 6-30 m ã Dung dịch mạ Cu Có hai nhóm dung dịch để mạ Cu - Dung dịch axit đơn - Dung dịch kiềm phức Trong điều kiện luận văn này, tác giả chọn dung dịch phù hợp mạ Cu dung dịch axit đơn - Dung dịch axit đơn Gồm dung dịch sunfat, floborat, nitrat, flosilicat, sunfatnat clorua; thành phần đơn giản, làm việc ổn định, sử dụng đợc dòng điện cao, khuấy tăng nhiệt dung dịch hiệu suất dòng điện cao, gần 100% Thành phần muối đồng axit tơng øng cđa nã Cu phãng ®iƯn tõ Cu2+ ë ®iƯn P P dơng thay đổi theo mật độ dòng điện, dung dịch sunfat Lớp mạ gồm tinh thể thô to nhng kín Nhợc điểm chung dung dịch axit khả phân tán không đợc mạ trực tiếp nên sắt thép, hợp kim kẽm kim loại có điện âm Cu Vì nhúng kim loại vào dung dịch axit mạ Cu cha nối điện đà xảy phản ứng tiếp xúc, ion đồng bị đẩy khỏi muối thành lớp xốp gắn Bảng Tốc độ mạ Cu dung dịch ( Hiu sut dịng (H %) Dung dịch axit 95 96 97 Ngun Träng Quang ) Mật độ dòng 0.5 10 20 12,5 12,6 12,7 25,0 25,2 25,4 37,5 37,8 38,1 50,0 50,4 54,8 62,5 63,0 63,5 125 126 127 250 252 254