Trang 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC PHÍ THỊ TRÂM CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH QUANG, QUANG ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP Si/Gr-CNT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PLASMA DUNG DỊCH LUẬN
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC PHÍ THỊ TRÂM CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH QUANG, QUANG ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP Si/Gr-CNT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PLASMA DUNG DỊCH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT THÁI NGUYÊN, 12/2023 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC PHÍ THỊ TRÂM CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH QUANG, QUANG ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP Si/Gr-CNT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PLASMA DUNG DỊCH Ngành: Quang học Mã số: 84 40 110 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: 1 PGS TS Nguyễn Văn Hảo 2 TS Nguyễn Văn Tú THÁI NGUYÊN, 12/2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, với sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Văn Hảo (Viện Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên) và TS Nguyễn Văn Tú (Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào trước đây Những nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang Web được liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo của luận văn Thái Nguyên, ngày 5 tháng 12 năm 2023 Học viên thực hiện đề tài Phí Thị Trâm ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới hai thầy giáo, PGS TS Nguyễn Văn Hảo và TS Nguyễn Văn Tú những người thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả các thầy, cô thuộc Viện Khoa học và Công nghệ, trường Đại học Khoa học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong học tập và truyền đạt cho em nhiều kiến thức quý báu để em có thể hoàn thành luận văn này Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Tổ chuyên môn trường THPT Nam Đông Quan, Tỉnh Thái Bình đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi nhất để em được tham gia khoá học đào tạo trình độ thạc sĩ Vật lý, ngành Quang học, cũng như hoàn thành luận văn này Em xin cảm ơn sự hỗ trợ kinh phí thực hiện đề tài luận văn từ đề tài khoa học công nghệ thuộc Chương trình phát triển Vật lý cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, mã số: KHCBVL.03/23-24 Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn yêu thương tới Chồng và con em, tới toàn thể đại gia đình và bạn bè đã giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này Thái Nguyên, ngày 05 tháng 12 năm 2023 Học viên Phí Thị Trâm iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC .iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii MỞ ĐẦU 1 1.1 Hạt nano Si 4 1.1.1 Tổng quan về hạt nano Si 4 1.1.2 Tính chất của hạt nano silic 4 1.1.2.1 Tính chất quang 4 1.1.2.2 Tính chất điện 4 1.1.2.3 Tính chất cơ 5 1.2 Các phương pháp chế tạo hạt SiNPs 6 1.2.1 Phương pháp vật lý 6 1.2.1.1 Tổng hợp SiNPs bằng phương pháp lắng đọng xung laser 6 1.2.1.2 Tổng hợp SiNPs bằng phương pháp nghiền bi 8 1.2.2 Tổng hợp SiNPs bằng phương pháp hóa lý 8 1.2.3 Tổng hợp SiNPs bằng phương pháp hóa học 9 1.2.4 Tổng hợp SiNPs bằng phương pháp điện hóa 9 1.2.5 Tổng hợp SiNPs bằng phương pháp plasma lạnh 10 1.3 Tổng quan về vật liệu tổ hợp Gr-CNT 11 1.3.1 Ứng dụng của vật tổ hợp Gr – CNT 11 1.3.1.1 Vật liệu Gr – CNT cho cảm biến ánh sáng 12 1.3.1.2 Vật liệu tổ hợp graphene – CNT cho pin mặt trời 14 1.3.1.3 Vật liệu tổ hợp graphene – CNT cho siêu tụ 15 1.3.2 Phương pháp tổng hợp màng vật liệu tổ hợp 16 1.3.2.1 Phương pháp xếp lớp 16 1.3.2.2 Phương pháp lọc chân không 17 1.3.2.3 Phương pháp lắng đọng điện hóa 17 1.3.2.4 Phương pháp CVD 18 iv 1.4 Tổng hợp vật liệu tổ hợp Si/Gr-CNT 19 1.4.1 Phương pháp spray-drying 19 1.4.2 Phương pháp thủy nhiệt 21 1.4.3 Phương pháp nghiền trộn kết hợp lọc chân không 22 1.4.4 Phương pháp CVD 22 1.4.5 Ứng dụng của vật liệu tổ hợp 23 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26 2.1 Chế tạo vật liệu GO 26 2.1.1 Vật liệu và hoá chất 26 2.1.2 Các bước thực hiện 26 2.2 Biến tính và phân tán vật liệu CNT 27 2.2.1 Mục đích 27 2.2.2 Phương pháp thực hiện 27 2.3 Chế tạo vật liệu tổ hợp 28 2.4 Phương pháp nghiên cứu tính chất của vật liệu 29 2.4.1 Kính hiển vi điện tử quét SEM 29 2.4.2 Kính hiển vi lực nguyên tử AFM 30 2.4.3 Phổ tán xạ Raman 31 2.4.4 Nhiễu xạ tia X (XRD) 32 2.4.5 Phổ kế UV-Vis 34 2.4.6 Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 36 2.4.7 Hệ đo đặc tính điện, quang điện 37 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40 3.1 Chế tạo vật liệu GO 40 3.2 Biến tính vật liệu MWCNT 42 3.3 Khảo sát hình thái, cấu trúc của vật liệu rGO-CNT/SiNPs 44 3.4 Đặc tính điện, quang điện của vật liệu tổ hợp 47 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 1D 2D One dimensional Một chiều 3D Gr Two dimensional Hai chiều CNT SiNP Three dimensional Ba chiều GO rGO Graphene Graphen CVD SWCNT Cácbon nanotubes Ống nano cacbon MWCNT DWCNT Si nanoparticles Hạt nano Silic SEM EDX Graphene oxide Grpahen oxit UV-VIS TEM Reduced-Graphene oxide Graphen oxit khử Chemical vapour deposition Lắng đọng pha hơi hoá học Single-walled CNTs Ống nano cacbon đơn vách Multi-walled CNTs Ống nano cacbon đa vách Double wall CNTs Ống nano cacbon hai tường Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện Energy Dispersive X-Ray tử quét spectroscopy Phổ tán xạ năng Ultraviolet–visible lượng tia X spectroscopy Phổ hấp thụ hồng Transmission electron ngoại microscope Kính hiển vi điện tử truyền qua vi AFM Atomic force microscope Kính hiển vi lực nguyên tử TMDC Transition metal Dichalcogenide kim loại LED dichalcogenides chuyển tiếp IR UV Light emitting Diode Đèn điện tử phát sáng EQE Infrared Hồng ngoại LBL ECD Ultra Violet Tử ngoại CVD External quantum efficiency Hiệu suất lượng tử bên SEI Assemble layer by layer ngoài Lắp ráp lớp theo lớp Lắng đọng điện hóa Electrochemical deposition Lắng đọng hơi hóa học Chemical vapor deposition solid-electrolyte interphase Điện phân pha rắn vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 (a) Sơ đồ hệ thống chế tạo các hạt Si kích thước nm sử dụng 7 phương pháp lắng đọng xung laser ArF trong khí trơ áp suất không đổi (b) Đường kính trung bình của tinh thể Si là hàm của áp suất xung quanh khí He Đường liền nét thể hiện sự hồi quy của kết quả thử nghiệm Đường đứt nét biểu thị kết theo mô hình chất lỏng quán tính; (c) Phổ Raman của các mẫu được chế tạo ở 10 Pa của Ar (d) Kích thước trung bình của các hạt nano trong màng so với tần số xung Hình 1.2 Sơ đồ quá trình chế tạo vật liệu graphene-CNT bằng phương 16 pháp xếp lớp Hình 1.3 Sơ đồ quá trình chế tạo vật liệu graphene-CNT bằng phương 17 pháp lọc chân không Hình 1.4 Sơ đồ quá trình chế tạo vật liệu graphene-CNT bằng phương 18 pháp lắng đọng điện hóa Hình 1.5 Quy trình chế tạo vật liệu tổ hợp Si/CNT/GO bằng phương 20 pháp spray-drying [47] Hình 1.6 Quy trình chế tạo vật liệu tổ hợp rGO-Si-CNT 21 bằng phương pháp thuỷ nhiệt [48] Hình 1.7 Sơ đồ các quy trình chế tạo giấy và lưới graphene/CNT/Si 22 [49] Hình 1.8 Sơ đồ mọc một bước của vật liệu tổ hợp graphene-CNT bằng 23 phương pháp CVD trên lá Cu được phủ sẵn SiNP [50] Hình 1.9 (a) Mô hình cấu trúc ba chiều của Si@CNT/GS 25 nanocomposite, b) Ảnh SEM và ảnh HRTEM của nanocomposite, c) Dung lượng của vật liệu nanocomposite sau 500 chu kỳ sạc/ xả Hình 2.1 Chế tạo vật liệu GO bằng phương pháp Hummer cải tiến 26 viii Hình 2.2 Sơ đồ quá trình chế tạo vật liệu tổ hợp CNT-Gr/Si bằng 29 phương pháp plasma dung dịch với nguồn Si là muối SiCl4 Hình 2.3 Ảnh chụp hệ đo AFM 31 Hình 2.4 Giản đồ năng lượng thể hiện các trạng thái trong phổ Raman 32 Hình 2.5 a) Sơ đồ cấu tạo, b) Ảnh chụp hệ phân tích quang phổ Raman 32 LabRAM HR Evolution Hình 2.6 Các tia X nhiễu xạ trên các mặt phẳng mạng nguyên tử 33 Hình 2.7 Quang phổ UV-Vis đơn chùm tia 35 Hình 2.8 Quang phổ UV-Vis 2 chùm tia 35 Hình 2.9 Quang phổ UV-Vis chùm tia liên tục 35 Hình 0.10 Sơ đồ kỹ thuật chung của hệ đo FTIR 37 Hình 2.11 Sơ đồ kết nối của thiết bị đo với linh kiện có cực cổng mặt 38 sau Hình 2.12 Ảnh chụp hệ thiết bị đo đặc các tham số vật liệu bán dẫn 39 Hình 3.1 Ảnh chụp mẫu GO sau khi chế tạo và phân tán trong nước 40 Hình 3.2 Ảnh AFM của mẫu GO được phân tán và phủ lên bề mặt đế 41 SiO2/Si Hình 3.3 Phổ Raman của GO 42 Hình 3.4 Ảnh chụp mẫu CNT và mẫu CNT biến tính được phân tán 42 trong nước Hình 3.5 Ảnh SEM mẫu CNT sau quá trình biến tính 43 Hình 3.6 Phổ FTIR của vật liệu CNT biến tính 44