Chế tạo và khảo sát khả năng hấp thụ sinh nhiệt của vật liệu titannium(oxy)nitride(ti(o)n) định hướng ứng dụng phơi sấy nông sản

Trang 1 NGUYỄN THỊ MINH UYÊNCHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP THỤ SINH NHIỆT CỦAVẬT LIỆU TITANNIUMOXYNITRIDETiONĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG PHƠI SẤY NÔNG SẢNĐỀ ÁN THẠC SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN Trang 2

NGUYỄN THỊ MINH UYÊN

CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP THỤ SINH NHIỆT CỦA

VẬT LIỆU TITANNIUM(OXY)NITRIDE(Ti(O)N)

ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG PHƠI SẤY NÔNG SẢN

ĐỀ ÁN THẠC SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN

Bình Định – Năm 2023

NGUYỄN THỊ MINH UYÊN

CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP THỤ SINH NHIỆT CỦA

khả năng hấp thụ sinh nhiệt của vật liệu Titanium(oxy)Nitride(Ti(O)N) định hướng phơi sấy nông sản” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi

dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Thị Ngọc Loan, tài liệu tham khảo đãđược trích dẫn đầy đủ

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Minh Uyên

rất nhiều sự góp ý, hỗ trợ, chỉ bảo nhiệt tình của quý thầy cô giáo, các đồngnghiệp, bạn bè và người thân.

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS Lê Thị NgọcLoan - người đã hướng dẫn trực tiếp tôi trong suốt quá trình học tập, độngviên và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi được tiếp cận các cơ hội học tập,trải nghiệm và thực hiện đề án

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô Bộ môn Vật lý – Khoa học vật liệu,Khoa Khoa học tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn Những kiến thức màcác thầy cô đã truyền đạt là nền tảng tri thức vững chắc cho tôi trong quá trìnhhọc tập cũng như sau khi ra trường Tôi nhận được rất nhiều sự quan tâm,giúp

đỡ, ân cần chỉ bảo và nhiệt tình giảng dạy của quý thầy cô

Xin được gửi lời cảm ơn tới cán bộ, giảng viên Phòng thí nghiệm Vật lý chấtrắn, Trường Đại học Quy Nhơn, đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quátrình làm thí nghiệm, khảo sát, hoàn thành đề án

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn những người thân của mình đã luôn bên cạnh, giúp

đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành đề án tốt nghiệp

Cảm ơn tập thể lớp Cao học Vật lý chất rắn Khóa 24B đã đồng hành cùng tôitrong hai năm học vừa qua

Xin trân trọng cảm ơn!

Học viên Nguyễn Thị Minh Uyên

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 4

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

4 Phương pháp nghiên cứu: 4

5 Cấu trúc luận văn 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 6

1.1 Tổng quan về vật liệu titanium oxide, titanium nitride 6

1.1.1 Tổng quan về vật liệu titanium oxide 6

1.1.2 Tổng quan về vật liệu titanium nitride 10

1.1.2.1 Tính chất vật lý của titanium nitride: 10

1.1.2.2 Tính chất hóa học của titanium nitride: 12

1.1.3 Một số phương pháp chế tạo vật liệu titanium nitride 13

1.1.4 Một số ứng dụng của vật liệu titanium nitride 17

1.1.4.1 Ứng dụng của vật liệu khối TiN 17

1.1.4.2 Ứng dụng của vật liệu TiN kích thước nano 18

1.2 Một số tính chất đặc trưng của vật liệu có kích thước nano 20

1.2.1 Hiệu ứng bề mặt 20

1.2.2 Kích thước tới hạn 21

1.3 Phương pháp khảo sát vật liệu kích thước nano 22

1.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 22

1.3.2 Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) 24

1.3.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 26

1.3.4 Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) 27

1.4 Tổng quan về tình hình phơi sấy 27

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 30

2.1.Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm 31

2.1.1 Thiết bị thí nghiệm 31

2.1.2 Dụng cụ thí nghiệm 32

2.2 Hóa chất 33

2.3.Quy trình tổng hợp mẫu 33

2.3.1 Quy trình tổng hợp TiN 33

2.4.Quy trình khảo sát khả năng hấp thụ sinh nhiệt của vật liệu TiN 35

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42

3.1 Kết quả tổng hợp vật liệu TiN 42

3.1.1 Khảo sát bằng hình ảnh quang học 42

3.1.2 Khảo sát bằng phổ UV-Vis 44

3.1.3 Khảo sát bằng phổ XRD 46

3.2 Khảo sát khả năng hấp thụ sinh nhiệt của vật liệu TiN và sơn đen 47

3.2.1 Kết quả khảo sát 47

3.2.2 So sánh khả năng hấp thụ sinh nhiệt của vật liệu TiN và sơn đen 50 3.2.3 Xây dựng và khảo sát nhà kính phơi nông sản 55

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

1 Kết luận 58

2 Kiến nghị 58

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

CMOS Complementary

Metal-Oxide-Semiconductor

Công nghệ vi mạch tíchhợp

CVD Chemical Vapor Deposition Phương pháp lắng đọng

Resonance

plasmonic

bề mặt

PVD Physical vapor deposition Phương pháp lắng đọng

XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X

Bảng 2.1 Các giai đoạn cho máy Spin coating quay phủ mẫu lên đế kính 39Bảng 2.2 Các mẫu khảo sát khả năng hấp thụ sinh nhiệt của vật liệu TiN 41Bảng 3.1: Nhiệt độ trên bề mặt mẫu trước và sau chiếu đèn 1h 50

Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể của các pha titanium [15], [16] 7

Hình 1.3 Phổ hấp thụ của TiO2 (a), phổ XRD của TiO2 (b) [17] 8

Hình 1.4 TiN ở dạng khối (a) và dạng nano (b) 10

Hình 1.5 Cấu trúc mạng tinh thể TiN [10] 11

Hình 1.6 Phổ hấp thụ của TiN (a) Phổ XRD của TiN (b) [10] 12

Hình 1.7 Sơ đồ lò phản ứng plasma nhiệt [12] 13

Hình 1.8 Dụng cụ phủ lớp TiN tăng độ bền cơ và chống ăn mòn [27] 18

Hình 1.9 Sự tạo thành dao động plasmon bề mặt trên các hạt nano 20

kim loại [38] 20

Hình 1.10 Sự phản xạ trên bề mặt tinh thể chất rắn [11] 23

Hình 1.11 Mô tả định luật Lambert-Beer 25

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét (nguồn internet) 26

Hình 1.13 Nguyên lý của phép phân tích EDX: Nguồn: Internet 27

Hình 1.14 Bố trí thí nghiệm dùng để đo sự thay đổi nhiệt độ trong khi được chiếu xạ 30

Hình 2.1 Hệ CVD Đại học Quy Nhơn 31

Hình 2.2 a) Hệ Spin coating; b) Máy khuấy từ; c) Lò nung 32

Hình 2.3 a) Hệ đèn chiếu Xe và hộp đựng mẫu, b)Máy đo photon, c)Thiết bị đo nhiệt độ, d)Nhiệt kế, 33

e)Thiết bị đo nhiệt độvà độ ẩm bên trong, bên ngoài 33

Hình 2.4 Sơ đồ lò ống LTF dùng để chế tạo TiN 35

Hình 2.5 Đế kính và đế nhôm 37

Hình 2.6 Dung dịch A gồm PVP và DMF 37

Hình 2.7 Dung dịch B gồm PVP, DMF và TiN 38

Hình 2.8 Đế kính, đế nhôm sau các lần quay phủ 38

Hình 2.9: Đế nhôm và đế kính sau các lần quét 41

Hình 3.1 a) TiN được tổng hợp ở 900oC; b) TiN thương mại; 43

c) TiO2thương mại 43

Hình 3.2 a) TiN được tổng hợp ở 10500C; b) TiN thương mại; 44

c) ảnh SEM (TiO2) thương mại và d) ảnh SEM của TiN tại 900oC 43

Hình 3.3 So sánh phổ hấp thụ của mẫu TiN tổng hợp tại 700oC và 900oC trong 30 phút với TiO2thương mại 45

Hình3.4 Khảo sát sự oxy hóa của TiN 46

Hình 3.5 Kết quả phổ TiN-9000C và TiO2 47

Hình 3.6 Trước khi chiếu đèn 49

Hình 3.7: Sau khi chiếu đèn 49

Hình 3.8:Biểu đồ cột nhiệt độ trên bề mặt mẫu trước và sau chiếu đèn 1h 51

và kính phủ 1 lớp vật liệu 53Hình 3.12 Khảo sát phủ sơn đen 54Hình 3.13 Mô hình nhà kính phơi sấy nông sản 55Hình 3.14 Khảo sát nhiệt độ bên trong, bên ngoài và nhiệt độ tấm kim loại 56Hinh 3.15 So sánh ớt sau khi phơi và bảo quả sử dụng mô hình nhà kính 57Hình 3.16 Mô hình nhà kính 58

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, vấn đề khủng hoảng năng lượng là chủ đề nóng trên các mặtbáo và nhận được rất nhiều sự quan tâm của mọi người Thông qua cácphương tiện truyền thông, chúng ta có thể dễ dàng thấy được các hình ảnh,cũng như các bài báo phản ánh về thực trạng môi trường hiện nay Mặc dù cácban ngành, đoàn thể ra sức kêu gọi bảo vệ môi trường, nhưng có vẻ là chưa đủ

để cải thiện tình trạng ô nhiễm ngày càng trở nên trầm trọng hơn Hiện nay,các nhà khoa học đang nỗ lực tìm kiếm các nguồn năng lượng mới, nănglượng tái tạo nhằm thay thế dần các nguồn nhiên liệu truyền thống đang dầncạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường, điển hình như năng lượng Mặt Trời.Năng lượng Mặt Trời là năng lượng tái tạo, năng lượng sạch, và khôngbao giờ cạn kiệt, ít tác động tiêu cực đến môi trường Vì vậy hiện nay người

ta sử dụng năng lượng mặt trời rất nhiều vì điện mặt trời là việc chuyển đổiánh sáng mặt trời thành điện, hoặc trực tiếp bằng cách sử dụng quang điện(PV), hoặc gián tiếp bằng cách sử dụng điện mặt trời tập trung (CSP) Hệthống CSP sử dụng ống kính, gương và các hệ thống theo dõi để tập trungmột khu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một chùm nhỏ PV chuyểnđổi ánh sáng thành dòng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện Nănglượng Mặt Trời không chỉ trong lĩnh vực điện năng mang năng lượng MặtTrời còn đang được nghiên cứu sử dụng rộng rãi trên thế giới về nghiên cứu

sử dụng trên các lĩnh vực khác như xúc tác, cảm biến, nông nghiệp, y sinh,…

Về năng lượng Mặt Trời, chúng ta cũng được đánh giá là quốc gia cótiềm năng phát triển năng lượng Mặt Trời, với tổng số giờ nắng cao lên đếntrên 2.500 giờ/năm, tổng lượng bức xạ trung bình hàng năm vào khoảng 230-

250 kcal/cm² theo hướng tăng dần về phía Nam cũng là cơ sở tốt cho pháttriển các công nghệ năng lượng mặt trời – một dạng phổ biến của năng lượngsạch.

Ngoài ra, tiềm năng điện địa nhiệt ở Việt Nam có thể khai thác đến trên300MW Khu vực có khả năng khai thác hiệu quả nhất được cho là tại miềnTrung

Để có thể khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này, các nhà khoa học đãnghiên cứu các loại vật liệu làm tăng hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt Điểnhình là Plasmonics Lĩnh vực nghiên cứu về plasmonics có nhiều ứng dụnghứa hẹn dành cho các cảm biến quang học với độ nhạy cao, độ chọn lọc lớn

sử dụng trong y-sinh-dược học, quang xúc tác, linh kiện quang-điện tử, cáclinh kiện hấp thụ bức xạ làm tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời ,thu hút sự quan tâm từ nhiều nhóm thí nghiệm lớn trên thế giới [1]-[8]

Có nhiều loại vật liệu truyền thống giúp hấp thụ và chuyển hóa nănglượng Mặt Trời thành nhiệt năng như đồng, thép hoặc nhôm, cacbon,… Tuynhiên, các vật liệu này cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp Các nghiêncứu gần đây cho thấy các kim loại có tính plasmonic như Au, Ag,… có cấutrúc nano đang là những vật liệu tiềm năng hấp thụ hiệu quả ánh sáng MặtTrời và chuyển hóa thành nhiệt Vật liệu có tính plasmonic là vật liệu khitương tác với ánh sáng có xảy ra hiện tượng cộng hưởng plasmons (tức là daođộng cộng hưởng của các electron tự do trong kim loại và cộng hưởng vớiánh sáng tới tại tần số xác định gọi là tần số cộng hưởng plasmon) Do cácdao động này bị giới hạn tại bề mặt tiếp xúc kim loại - điện môi nên các vậtliệu plasmonic ở kích thước nano có khả năng giam giữ ánh sáng (hiện tượngLSPR – Localized Surface Plasmon Resonance) đã làm cho các hạt plasmonic

có những tính chất ưu việt đặc trưng, như sự tăng cường trường điện từ định

xứ trên bề mặt kim loại, nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang - nhiệt

Các vật liệu plasmonic truyền thống được sử dụng rộng rãi là Au và Ag

do hiệu ứng mạnh và khả năng quan sát hiện tượng plasmonic đối với các vậtliệu này dễ dàng Tuy nhiên đây là kim loại đắt tiền, có điểm nóng chảy tươngđối thấp, đặc biệt khi ở kích thước bé cỡ nano mét nhằm tăng hiệu ứng giamhãm ánh sáng Do vậy, hạn chế chính hiện nay đó chính là vật liệu

Hiện nay các nhà nghiên cứu chủ yếu sử dụng các kim loại quý, và đang

nỗ lực tìm kiếm các vật liệu thay thế nhằm tạo ra một bước phát triển mớitrong ngành công nghiệp này Một số nghiên cứu gần đây cho thấy vật liệunitride của kim loại chuyển tiếp (transition metal nitrides) là những vật liệuđầy hứa hẹn, thể hiện tính plasmonic tốt ở cả vùng nhìn thấy và vùng hồngngoại gần, có độ trơ hoá học, độ bền nhiệt cao, độ cứng cao, tương thích vớicông nghệ CMOS và rẻ tiền so với các kim loại quý Vì vậy ta phải cần mộtvật liệu có tính chất cộng hưởng plasmonic để nhận năng lượng ánh sángchuyển thành năng lượng nhiệt Và một trong số những loại vật liệuplasmonic mới đang được quan tâm nghiên cứu hiện nay chính là vật liệuTitan nitrua (TiN) Tính plasmonic của TiN có độ cứng cao, chịu nhiệt tốt, có

độ trơ hóa học, tương thích tốt với công nghệ vi sinh, công nghệ điện tử; cũngnhư giá thành rẻ hơn so với các vật liệu plasmonic truyền thống là vàng vàbạc [9]

Hiện nay để tổng hợp vật liệu kim loại nitride dùng để chuyển hóaquang nhiệt từ nguồn TiO2thì có thể hình hành hai pha titaniumoxynitrde(TiON) và titanium nitride (TiN), cả hai vật liệu này gọi chung là Ti(O)N đều

cho thấy khả năng sinh nhiệt tốt, do vậy mà tôi chọn đề tài “Chế tạo và khảo sát khả năng hấp thụ sinh nhiệt của vật liệu Titanium(oxy)Nitride(Ti(O)N) định hướng phơi sấy nông sản” để nghiên cứu và bảo vệ đề án

2 Mục đích của đề tài

Đề tài đặt ra hai mục đích sau:

- Nghiên cứu và chế tạo thành công màng vật liệu TiN

- Khảo sát độ hấp thụ (độ truyền qua) ánh sáng khả kiến của màng vật liệuTiN

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Màng vật liệu TiN

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu chế tạo màng vật liệu TiN bằng phươngpháp CVD trong môi trường khí NH3 Sau đó khảo sát vật liệu thông quaphương pháp phân tích ảnh SEM, phổ XRD, phổ UV-Vis

- Đề tài khảo sát độ hấp thụ (độ truyền qua) ánh sáng khả kiến của màng vậtliệu TiN thông qua việc sử dụng hệ đèn chiếu và dùng các thiết bị đo nhiệt độ,

độ ẩm bên trong, bên ngoài và sự thay đổi nhiệt độ bề mặt của vật liệu

4 Phương pháp nghiên cứu:

Trong đề tài, tôi đã kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp nghiên cứu cơ sở lý luận và tổng hợp tài liệu;

- Phương pháp thực nghiệm tổng hợp vật liệu;

- Phương pháp khảo sát đặc trưng và tính chất của vật liệu;

- Khảo sát hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt dưới ánh sáng khả kiến

5 Cấu trúc luận văn

Luận văn được kết cấu gồm các phần:

- Mở đầu

- Nội dung của luận văn:

+ Chương 1 Tổng quan lý thuyết

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1 Tổng quan về vật liệu titanium oxide, titanium nitride

1.1.1 Tổng quan về vật liệu titanium oxide

1.1.1.1 Một số tính chất của vật liệu titanium oxide

Tính chất vật lý:

- Titanium dioxide (công thức hóa học là TiO2) hay còn có tên gọi khác làTitanium oxide hoặc Titania, là một loại oxit kim loại bán dẫn, và cũng là mộtvật liệu hữu ích trong các ứng dụng hiện nay TiO2 được sử dụng làm vật liệuquang xúc tác, hay ứng dụng trong việc xử lý môi trường, chế tạo thiết bị điện

tử, đầu cảm biến, ứng dụng trong y học, trong lĩnh vực diệt khuẩn TiO2 cònđược sử dụng làm chất tạo màu cho sơn, men đồ gốm, [10]–[12]

- TiO2 tồn tại trong tự nhiên ở 3 pha, đó là: pha rutile, pha anatase và phabrookite Các pha này đều có màu sắc và hình dạng tinh thể xác định Nhưngnếu nghiền thành bột thì chúng đều chuyển sang bột TiO2 màu trắng TiO2thường gặp và có nhiều ứng dụng hơn cả là pha rutile và pha anatase [13].Các pha này được đặc trưng bởi chỉ số khúc xạ cao, độ ổn định hóa học vànhiệt cao Trong đó, pha rutile bền hơn và anatase và brookite là hai pha giảbền

Hình 1.1 Bột TiO 2

Bảng 1.1 Các thông số vật lý của TiO 2 [14]

Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể của các pha titanium [15], [16]

- Tất cả các các dạng tinh thể của TiO2 tồn tại trong tự nhiên như là cáckhoáng, tuy nhiên chỉ có rutile và anatas ở dạng đơn tinh thể là được tổng hợp

ở nhiệt độ thấp Brookite cũng quan trọng về mặt ứng dụng nhưng bị hạn chếbởi việc điều chế brookite sạch, không lẫn rutile hoặc anatas là điều khó khăn

- Phổ XRD của TiO2 theo thẻ chuẩn JCPDS số 21-1272 cho các đỉnh hấpthụ ở vị trí 25°, 38°, 48°, 53°, 55° và 62° cùng với các giá trị chỉ số millertương ứng các mặt mạng (101), (112), (200), (105), (211) và (213)

Hình 1.3 Phổ hấp thụ của TiO 2 (a), phổ XRD của TiO 2 (b) [17]

- Phổ hấp thụ của TiO2trong phạm vi 200 đến 1200 nm cho thấy một đỉnhcực đại ở bước sóng 354 nm với độ hấp thụ 0,86 (<1), có nghĩa là nó thể hiện

nung của TiO2thì độ tan giảm) TiO2tác dụng được với axit HF hoặc với kalisunfat nóng chảy.

- Ở nhiệt độ cao TiO2có thể phản ứng với cacbonat và ôxít kim loại để tạothành các muối titanat TiO2 dễ bị hyđrô, cacbon monoxit và titan kim loạikhử về ôxít thấp hơn

1.1.1.2 Một số phương pháp chế tạo vật liệu nano titanium oxide

Hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo vật liệu nanoTiO2 Bao gồm các phương pháp vật lý (PVD - Physical vapor deposition),các phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD - Chemical vapordeposition) và nhiều phương pháp kết hợp giữa vật lý, hóa học khác:

- Phương pháp vật lý: Thông thường phương pháp vật lý dựa trên nguyêntắc topdown, nghĩa là vật liệu dạng khối bị phân tán nhỏ thành vật liệu kíchthước nano bằng các quá trình tác động vật lý, sau đó được lắng đọng trên đếphù hợp Các phương pháp PVD chính gồm: bốc bay chân không (PE -vacuum evaporation); phún xạ (PS -sputtering); lắng đọng xung laser (PLD -Pulse laser deposition) Các phương pháp vật lý thường cho kết quả chế tạomàng vật liệu chất lượng cao, tuy nhiên để ứng dụng trong sản xuất trongcông nghiệp thì không khả thi do giá thành cao, thiết bị phức tạp

- Phương pháp lắng đọng hóa học: Phương pháp lắng đọng hóa học làphương pháp bottom up, tổng hợp từ các phân tử để tạo nên vật liệu có kíchthước mong muốn Phương pháp này có ưu điểm là thiết bị đơn giản, khôngtiêu tốn năng lượng nhiều như các phương pháp vật lý Dựa trên nguyên tắckết hợp các phản ứng như nhiệt phân, thủy phân, phản ứng oxi hóa khử, đểchế tạo vật liệu Một số phương pháp lắng đọng hóa học thường dùng:

+ Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD);

+ Phương pháp Sol-gel;

+ Phương pháp phun nhiệt phân (SP)

+ Các phương pháp khác:

+ Phương pháp phun nhiệt;

+ Phương pháp điện hóa;

+ Phương pháp doctor blade

1.1.2 Tổng quan về vật liệu titanium nitride

1.1.2.1 Tính chất vật lý của titanium nitride:

Titanium nitride (công thức hóa học là TiN) là hợp chất của titan và nitơđược biết đến như một loại vật liệu gốm, cực kỳ cứng TiN có khối lượng mol

là 64,95 g/mol, là một chất không mùi, không độc hại TiN có màu nâu vàng

ở dạng khối, chuyển thành màu đen khi ở cấu trúc nano

Hình 1.4 TiN ở dạng khối (a) và dạng nano (b).

Cấu trúc tinh thể của TiN có dạng của mạng tinh thể muối điển hìnhthuộc khối lập phương tâm mặt, với hằng số mạng A =0,4241nm Trong đócác nguyên tử Titan nằm ở góc đỉnh của mạng tinh thể lập phương tâm diệncòn các nguyên tử Nitơ nằm trong các hốc bát diện (hình 1.5) TiN là chất oxyhóa chậm (nhiệt độ bắt đầu oxy hóa ở 800°C), có điện trở suất khá nhỏ (20-30μΩ.cm2) và độ phản xạ cao trong vùng hồng ngoại Ở nhiệt độ phòng, vật liệunày tồn tại ở trạng thái rắn với tỉ khối là 5,22 g/cm3 gấp đôi tỉ khối của thủytinh và thấp hơn hầu hết các kim loại khác.

Vật liệu TiN có độ cứng cao, nó được so sánh với vật liệu Corundum(vật liệu sử dụng trong các chất mài mòn như giấy nhám )

Hình 1.5 Cấu trúc mạng tinh thể TiN [10]

Tính chất của TiN phụ thuộc một phần vào hàm lượng nitơ, hình thái cấutrúc và kích thước hạt TiN có độ cứng, độ bền nhiệt, độ bền ăn mòn và nhiệtnóng chảy cao (cỡ 2950°C) do vậy TiN đã được chứng minh là một vật liệuthay thế hiệu quả cho Wolfram Carbide (WC) TiN ngày càng được sử dụngnhư một WC mở rộng cũng như thay thế Kết quả của việc sử dụng TiN đãkéo dài tuổi thọ của các công cụ cắt tiện công nghiệp lên tới 3 - 10 lần

Hình 1.6 Phổ hấp thụ của TiN (a) Phổ XRD của TiN (b) [10]

Phổ hấp thụ của TiN hấp thụ mạnh trong dải bước sóng ánh sáng nhìnthấy, đó cũng là lí do bột nano TiN có màu đen Dải hấp thụ của TiN nằmtrong khoảng 400 - 900 nm Năng lượng vùng cấm của các TiN 3,4 eV [19]

- TiN cho 4 đỉnh nhiễu xạ ở các vị trí 2θ = 36,970; 42,920; 62,370; 74,620

và 78,570 theo phổ chuẩn JCPDS số 38-1420 cho các đỉnh tương ứng với cácmặt mạng (111); (200); (220); (311) và (222)

1.1.2.2 Tính chất hóa học của titanium nitride:

TiN có độ bền hóa học cao, tương đối trơ và ổn định về mặt hóa học ởnhiệt độ 20°C Theo các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, TiN sẽ xảy raphản ứng từ từ bởi các dung dịch axit đậm đặc theo nhiệt độ Trong không khíchỉ bị tấn công từ từ ở nhiệt độ trên 600°C và ở nhiệt độ 1200°C trong môitrường khí O2 hoặc CO2bị oxy hóa nhanh chóng, tạo ra các phản ứng hóa học.Trong dung dịch kiềm nóng TiN bị phân hủy và tạo ra amoniac [20]

1.1.3 Một số phương pháp chế tạo vật liệu titanium nitride

1.1.3.1 Phương pháp tổng hợp TiN bằng lò phản ứng nhiệt plasma

Phương pháp này sử dụng hệ thống thiết bị chính là một lò phản ứngdòng plasma ổn định [21] Nó bao gồm một lò phản ứng hình ống, dòng hồquang ổn định, nguồn điện một chiều, bơm khí, bộ phận làm lạnh nhanh, bộlọc, máy nạp bột và hệ thống thu thập dữ liệu

Vật liệu nguồn được đưa vào plasma bởi đầu dò làm mát bằng nước ởmột góc gần dòng chảy plasma Dòng khí thoát ra khỏi bộ phận làm lạnhđược truyền dẫn qua một bộ lọc trước khi chảy vào bộ thu hồi chất lỏng Sơ

đồ lò phản ứng được thể hiện trong hình 1.7

Phương pháp này sử dụng vật liệu ban đầu là khí metan và amoniac làmkhí phản ứng Dòng chảy plasma được đốt bằng argon, dòng chảy hồ quang

và lưu lượng khí argon được điều chỉnh để có được dòng plasma ổn định Khínitơ đã được thêm vào trong lò phản ứng có điều chỉnh điện áp bên trong lò

và dòng plasma ổn định hơn

Hình 1.7 Sơ đồ lò phản ứng plasma nhiệt [12]

Bột ilmenite (một khoáng vật titan-sắt oxide có từ tính yếu FeTiO3),được đựng trong một máy nạp bột được đưa vào lò và bị đốt cháy bởi plasmabằng cách sử dụng một hỗn hợp argon và metan làm khí mang Khí amoniac

đã được cung cấp dòng ngược dòng tới dòng plasma bằng một đầu dò làmmát bằng nước Tỷ lệ cung cấp ilmenit được duy trì ở mức khoảng 1,0g/phút.Nhiệt độ tại các điểm khác nhau dọc theo các đoạn lò phản ứng được theo dõiliên tục trong quá trình thực hiện Cung cấp ilmenit và các khí phản ứng trongvòng 30phút, sau đó toàn bộ hệ thống được tắt và để nguội trong môi trườngkhí argon bên trong lò đến nhiệt độ phòng Sản phẩm được lấy ra khỏi tường

lò phản ứng, lọc sạch và làm nguội Ta thu được sản phẩm TiN

1.1.3.2.Phương pháp tổng hợp TiN bằng phản ứng tự duy trì

Trong phương pháp này, bột titanium (99% tinh khiết) có kích thước hạttrung bình cỡ 11 μm được ép (~ 30 MPa) vào mẫu hình trụ với đường kính vàkích thước chiều cao khoảng 19 và 25 mm, với mật độ tương đối là 50% Sau

đó đem đốt trong khí Nitơ Quá trình đốt cháy các hạt Ti đã được thực hiệnbằng bức xạ từ một cuộn dây vonfram được đặt mẫu Ti xấp xỉ 3 mm Khi bốccháy, phản ứng giữa N2 và Ti được truyền xuống mẫu ở dạng sóng đốt Mẫuvẫn ở mức nhiệt độ tương đối cao sau khi đi qua làn sóng Nhiệt độ của mẫuđược theo dõi và ghi lại bằng nhiệt kế

1.1.3.3 Phương pháp tổng hợp TiN ở nhiệt độ thấp

Phương pháp tổng hợp này được tiến hành như sau: một lượng 3,0 mlTiCl4 và 7,0 g NaN3được đưa vào nồi hấp hợp kim titan dung tích 50 ml; nồihấp đã được chứa đầy 40 ml benzene Sau khi đã được đóng kín, nồi hấp đượcduy trì ở 350 - 380°C trong 8 giờ, sau đó được làm mát đến nhiệt độ phòng.Sản phẩm thu được là một chất kết tủa, đem chất này lọc và rửa sạch với dung

dịch HCl 0,1 mM và nước cất Sản phẩm được sấy khô trong chân không ởnhiệt độ là 70°C trong 1 giờ, ta thu được loại bột màu vàng.

1.1.3.4 Phương pháp Nito hóa trực tiếp từ TiO 2 (CVD)

Chuẩn bị dung dịch: Tiền chất ban đầu được sử dụng là titan butoxit cócông thức hóa học là Ti(OBu)4 (Bu = CH2CH2CH2CH2), dùng titan butoxithòa tan vào etanol để tạo thành dung dịch có nồng độ dung dịch 10% Thêmnước cất vào hỗn hợp khuấy mạnh cho đến khi tỷ lệ Ti/H2O đạt 1:150 Thêmmột lượng nhỏ axit axetic vào dung dịch để làm chất xúc tác

Thủy phân dung dịch để tạo bột TiO2: Tiến hành thủy phân dung dịch.Dung dịch sau khi thủy phân được lọc và rửa sạch hai lần với ethanol, sau đósấy khô ở 120°C Ta thu được chất kết tủa, sau đó nung chất kết tủa này ởnhiệt độ 450°C trong 2 giờ Sau khi nung bột, ta thu được bột TiO2 phaanatase với kích thước hạt cỡ 10 -15 nm

Quá trình nitơ hóa: Bột TiO2 được đưa vào lò nung và nitơ hóa trongdòng khí NH3 Tốc độ dòng NH3 thổi qua hệ là 1000 ml/phút Nhiệt độ nungdao động từ 700°C đến 1100°C, thời gian nitơ hóa dao động từ 2 đến 5 giờ.Các mẫu được lấy ra của lò cho đến khi nó đã nguội hoàn toàn trong dòng khíNH3, ta thu được bột TiN [22], [23]

Quá trình nitride hóa của titanium dioxide ở nhiệt độ cao có thể hìnhthành hai pha titaniumoxynitride (TiON) và pha titanium nitride (TiN) [42].Các nghiên cứu gần đây cho thấy các vật liệu ở cả hai pha này cho thấy khảnăng hấp thụ sinh nhiệt rất tốt do mật độ electron tự do ở dải d của hai phanày đều lớn, do vậy chúng có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật như chất phủ bềmặt hấp thụ mặt trời, chất phủ chống phản xạ, chất xúc tác quang điều khiểnbằng ánh sáng nhìn thấy, chất lân quang cho điốt phát sáng [43]

1.1.3.5 Phương pháp tổng hợp TiN bằng kỹ thuật trào ngược

Tiền chất TiO2 được điều chế bằng cách thủy phân dung dịch chứaTiCl4 như đã trình bày trước đây [24], vô định hình với một số cấu trúc mạng.Tiền chất TiO2 được chế tạo này khác thuốc thử được mua từ các nguồnthương mại và được sử dụng mà không cần tinh chế thêm

Tổng hợp các tiền chất có nguồn gốc trào ngược được thực hiện bởi mộtgiai đoạn với 2 lần trào ngược Thứ nhất, một hệ thống treo chứa khoảng 50 gTiO2và khoảng 500 ml ethanol đã được hồi lưu ở 70°C trong 1 giờ và quátrình trào ngược được lặp lại 5 lần để loại bỏ nước tích hợp trong TiO2 Thứhai, sản phẩm thu được từ quá trình thứ nhất được phân tán lại trong 500 mln-dodecane, tiếp theo là trào ngược tại các mức nhiệt độ 120°C, 150°C,180°C và 210°C trong 24 giờ Cuối cùng các tiền chất có nguồn gốc từ hồilưu được thu bằng cách sấy khô ở 90°C trong 2 giờ

Các tiền chất màu đen được đặt trong một thuyền nhôm bên trong lòhình ống Bên trong buồng lò, người ta thổi khí argon tinh khiết vài phút đểloại bỏ không khí, và sau đó gia nhiệt đến 1200°C với tốc độ 250°C/1h Trongquá trình gia nhiệt, khí amoniac được thổi vào lò với lưu lượng 0,5 L/phút vàduy trì ở nhiệt độ này trong 2 giờ Sau phản ứng, ống lò được làm mát dầnđến nhiệt độ phòng Cuối cùng, sản phẩm được thu thập từ thuyền nhôm [25]

1.1.3.6.Phương pháp tổng hợp TiN từ phản ứng titan và ure

Trong thí nghiệm này, bột titan (độ tinh khiết 99,5%, kích thước < 10μm)

và urê (tinh khiết) được trộn với tỉ lệ mol 3:1 (tỷ lệ nguyên tử giữa titan vànitơ là 3:2) Cho hỗn hợp này và các viên bi nghiền bằng thép không rỉ (WC)vào cối nghiền bằng thép không gỉ (WC) với khí argon bảo vệ Sử dụng máynghiền năng lượng cao GN-2 và "Pulverisette 4" Tốc độ quay của máynghiền GN-2 là 600 vòng/phút và thời gian xay xát là 20 - 70 giờ Đối với

máy P4, tốc độ quay của đĩa và lọ là 300 - 900 vòng/phút Thời gian xay xátcủa máy nghiền 4 là 30 giờ [26].

1.1.3.7 Phương pháp tổng hợp TiN từ titan oxit với natri amit

Tiền chất được sử dụng là bột TiO2 (anatase, độ tinh khiết 99,8%, 200

|300 mesh) và natri amit (98,5%) được sử dụng sau khi được giải phóngtoluene bằng cách sấy ở 50 °C trong 6 giờ ở chân không Các phản ứng xảy ragiữa các tiền chất được thực hiện trong một nồi hấp bằng thép không gỉ vớidung tích 50ml Thông thường, 48,5 mmol TiO2được trộn với 50 - 200 mmolNaNH2và đặt vào nồi hấp Nồi hấp được đóng kín và duy trì ở các mức nhiệt

độ 500°C, 550°C, 600°C (± 5 °C) trong 12 giờ Sau khi nó được làm mát tựnhiên đến nhiệt độ phòng, các sản phẩm trong nồi hấp đã được lọc và rửabằng axit axetic và nước cất nhiều lần Sau cùng các sản phẩm thu được bằngcách sấy khô trong chân không ở 50 °C trong 24 giờ

1.1.4 Một số ứng dụng của vật liệu titanium nitride

1.1.4.1 Ứng dụng của vật liệu khối TiN

Vì vật liệu TiN có màu như kim loại vàng, độ bền hóa, độ bền cơ lý vàđặc biệt có độ cứng cao nên được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp nhưlàm mũi khoan, làm lưỡi dao cắt, làm vật liệu trang trí, vật liệu linh kiện điện

tử và vật liệu nẹp vít xương dùng trong phẫu thuật cấy ghép [27]

Hình 1.8 Dụng cụ phủ lớp TiN tăng độ bền cơ và chống ăn mòn [27].

TiN hiện đang có tầm quan trọng lớn về công nghệ vì độ cứng cao, tínhchống mài mòn, nhiệt độ nóng chảy cao (~2950 °C), độ ổn định hóa học cao

và dẫn nhiệt và điện tốt cũng như tính siêu dẫn TiN có nhiều công dụng khácnhau, từ phản xạ và lớp phủ cứng cho các thiết bị vi điện tử Một lớp mỏngTiN cũng có tính chất bôi trơn làm giảm ma sát Hiện nay, gần một nửa ngànhcông nghiệp cắt tiện sử dụng các lưỡi cắt và các bộ phận chịu mài mòn là WC(vật liệu vonfram cacbua) vì độ cứng rất cao và kháng mài mòn tốt Chất kếtdính coban với titan phụ gia cacbua và tantali cacbua thường được trộn với

WC, đầm chặt và thiêu kết để tạo thành một vật liệu có độ cứng cao Tuynhiên, vật liệu WC khá đắt TiN là vật liệu thay thế hiệu quả, chẳng hạn mộtlớp mỏng TiN được phủ lên các cạnh mũi khoan, dụng cụ cắt tiện sẽ làm tăng

độ cứng cáp, độ bền cho dụng cụ, hoặc là một lớp mỏng lên vật liệu chống ănmòn [28]–[31]

1.1.4.2 Ứng dụng của vật liệu TiN kích thước nano

Các nghiên cứu cho thấy rằng TiN nano có thể sử dụng như một vật liệuplasmonic thay thế trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại gần (NIR) TiN có thể

cho hiệu suất tương đương với vàng trong các ứng dụng plasmonic và có thểvượt trội hơn đáng kể so với vàng và bạc đối với sự chuyển đổi quang học vàmột số ứng dụng siêu vật liệu trong vùng NIR Các tính chất quang học củamàng TiN ngày càng được quan tâm trong lĩnh vực plasmonic Là vật liệuplasmon chịu nhiệt, TiN có khả năng giải quyết các nhược điểm liên quan đến

độ bền hóa học và nhiệt độ nóng chảy thấp của kim loại vàng và bạc [32]–[34] Trái ngược với các lớp màng mỏng, hạt nano TiN chưa được nghiên cứurộng rãi cho đến gần đây Hiện tượng plasmonic cộng hưởng bề mặt (LSPR)trong hạt nano TiN được mô tả trong lý thuyết phân tích bởi Wittmer [35],trong khi thử nghiệm thực nghiệm lần đầu tiên được thực hiện bởi Reinholdt

và các đồng sự [36] Trong công việc của họ, các hạt nano nhỏ hơn hơn 10 nmvới sự phân tán kích thước rộng đã được chế tạo bằng cắt bỏ laser, và các đỉnhcộng hưởng plasmon tập trung quanh bước sóng 730nm đã được báo cáo.Trong một nghiên cứu gần đây, phân tích thực nghiệm các hiệu quả hấp thụquang xúc tác của hạt nano TiN có thể cung cấp một lượng nhiệt tương đồngvới hạt nano Au [37], [38]

Tính cộng hưởng plasmonic hấp thụ của hạt nano được ứng dụng trongnhiệt quang plasmonic Các hạt nano được đưa vào một vùng khối u có mộtthể tích xác định Xung quanh hạt nano plasmonic có thể được làm nóng mộtcách hiệu quả qua ánh sáng laze tại các bước sóng cộng hưởng Các hạt nanotích tụ lại với nhau và làm nóng cục bộ, dẫn đến có thể cắt bỏ khối u đó vàkhả năng làm tổn thương các mô khác là rất thấp [39] Một trong những hạnchế cơ bản của phương pháp là độ thâm nhập sâu thông qua các mô sinh họcnhỏ, thường là theo thứ tự của một vài cm Vùng gần hồng ngoại của phổ điện

từ cho phép thâm nhập sâu hơn và cung cấp năng lượng hiệu quả hơn cho các

mô sinh học Vì vậy, nó là rất quan trọng để thiết kế hạt nano với cộng hưởngplasmonic vùng này

1.2 Một số tính chất đặc trưng của vật liệu có kích thước nano

Vật liệu nano được định nghĩa là loại vật liệu trong đó có ít nhất mộtchiều có kích thước nanomet (nm) Các hạt nano vô cùng nhỏ, chỉ lớn hơnkích thước của 1 hoặc vài nguyên tử Do đó, tỉ số giữ nguyên tử nằm ở bề mặttrên số nguyên tử tổng cộng của vật liệu nano lớn hơn rất nhiều so với tỉ sốnày đối với các vật liệu có kích thước lớn hơn

Kích thước hạt nhỏ bé còn là nguyên nhân xuất hiện ở vật liệu nano một

số hiệu ứng như: Hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước

1.2.1 Hiệu ứng bề mặt

Hiệu ứng bề mặt hay còn gọi là hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt

- SERS Cho đến nay các lý do cụ thể gây ra SERS vẫn còn đang là vấn đềđược các nhà khoa học tranh luận Tuy nhiên, các nghiên cứu công bố đềuđồng ý rằng nguyên nhân chủ yếu gây ra SERS là hiện tượng cộng hưởngPlasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance – SPR), là sự kích thích tập thểđồng thời của tất cả các điện tử dẫn (electron tự do bên trong vùng dẫn) thànhmột dao động đồng pha

Hình 1.9 Sự tạo thành dao động plasmon bề mặt trên các hạt nano

kim loại [38]

Hình 1.9 minh họa sự hình thành của dao động plasmon bề mặt Khiánhsáng tương tác với bề mặt kim loại, nó kích thích các electron lớp ngoàicùng của kim loại làm cho các electron này dao động, toàn bộ khối điện tửdịch chuyển về một phía, sẽ để lại các ion nút mạng trong tinh thể, khi đókhối kim loại sẽ bị phân cực Sự chênh lệch điện tích thực tế ở các biên củahạt nano về phần mình hoạt động như lực hồi phục (restoring force) Bằngcách đó, một dao động lưỡng cực của các điện tử với chu kỳ T đã được tạonên Plasmon bề mặt (surface plasmon polariton - SPP) là sự kết hợp của các

SP với photon ánh sáng tới, có thể lan truyền dọc theo bề mặt kim loại chođến khi năng lượng của nó bị mất hết do sự hấp thụ trong kim loại hoặc do sựbức xạ năng lượng vào không gian tự do Như vậy có thể thấy SP là các modeliên kết của trường điện từ của ánh sáng tới và các điện tử tự do trong kim loại.Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt là hiệu ứng đặc trưng của các hạt nanokim loại

1.2.2 Kích thước tới hạn

Các vật liệu truyền thống thường được đặc trưng bởi một số các đạilượng vật lý, hóa học không đổi như độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóngchảy, nhiệt độ sôi, tính axit Tuy nhiên, các đại lượng vật lý, hóa học này chỉđược bảo toàn nếu kích thước của vật liệu xuống đến thang nano (thường làlớn hơn 100nm) Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nóhoàn toàn bị thay đổi Người ta gọi đó là kích thước tới hạn Vật liệu nano cótính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích thướctới hạn của các tính chất của vật liệu

Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vật liệu

khối, nhưng nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường

tự do trung bình của điện tử trong kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến vài

trăm nm, thì định luật Ohm không còn đúng nữa Lúc này điện trở của vật cókích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử Tuy nhiên không phải bất

cứ vật liệu nào có kích thước nano đều có tính chất khác biệt

1.3 Phương pháp khảo sát vật liệu kích thước nano

1.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

Nguyên lý chung của phương pháp nhiễu xạ tia X: Chiếu chùm tia X đơnsắc vào tinh thể, khi đó các nguyên tử bị kích thích và trở thành các tâm phátsóng thứ cấp Các sóng này triệt tiêu nhau hoặc tăng cường nhau theo một sốphương tạo nên hình ảnh giao thoa cấu trúc của tinh thể phụ thuộc vào hìnhảnh này Muốn biết được cách sắp xếp các nguyên tử trong ô mạng cần phântích hình ảnh đó Từ đó, xác định cấu trúc ô mạng cơ sở, các pha cấu trúctrong vật liệu, được cấu trúc mạng tinh thể

Cụ thể, các thông tin sau có thể thu được từ nhiễu xạ tia X:

- Khoảng cách d (hkl);

- Cường độ của các tia phản xạ;

- Chỉ số Miller của các mặt phẳng phản xạ;

- Kích thước ô đơn vị và loại tinh thể

Ưu điểm của phương pháp nhiễu xạ tia X là cho phép xác định cấu trúctinh thể một cách nhanh chóng chỉ cần một lượng nhỏ mẫu và mẫu không bịphá hủy

Bằng các phần mềm ứng dụng có sẵn các thông tin trên của vật liệunghiên cứu thu được ở góc nhiễu xạ 2θ từ máy nhiễu xạ tia X được hiển thịdưới dạng giản đồ nhiễu xạ Bằng cách so sánh vị trí và cường độ của các

vạch trên giản đồ nhiễu xạ với các thẻ chuẩn của hội tinh thể học thế giới, ta

có thể xác định được pha tinh thể trong hợp chất nghiên cứu Bản chất vật lýcủa tia X là bức xạ sóng điện từ vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt.Tia X được truyền đi trong không gian với tốc độ ánh sáng và mang nănglượng từ 200eV đến 1MeV và được xác định theo phương trình:

E = hν = hc/λTrong đó: ν là tần số của bức xạ tia X, Hz

λ là bước sóng của bức xạ tia X, Å (từ 102 đến 10-2 Å)

chất sẽ tạo hiệu ứng tán xạ đàn hồi với các điện tử của các nguyên tử trong vậtliệu có cấu trúc tinh thể, sẽ dẫn đến hiện tượng nhiễu xạ tia X [20].

Mối liên hệ giữa khoảng cách hai mặt nhiễu xạ (hkl) song song

(dkhông gian), góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ (θ) với bước sóng (λ)được biểu thị bằng hệ phương trình Vulf – Bragg: 2dhklsinθ = nλ

Đây là phương trình cơ bản để nghiên cứu cấu trúc tinh thể Căn cứ vàocực đại nhiễu xạ trên giản đồ (giá trị 2 ) có thể suy ra d theo công thức trên

So sánh giá trị d tìm được với giá trị d chuẩn sẽ xác định được cấu trúc mạngtinh thể chất cần nghiên cứu

Kích thước của hạt tính theo phương trình Scherrer như sau:

β1 = 

 cos

D

k

(2)Trong đó: K = 0,9

λ là bước sóng của tia X (trong trường hợp này λ = 0,154 nm)

β1là độ rộng bán phổ, θ là góc phản xạ

1.3.2 Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis)

Phép đo phổ hấp thụ là một phương pháp định lượng thông qua độ hấpthụ ánh sáng của dung dịch xác định được nồng độ của các chất Ứng với mỗielectron chuyển mức năng lượng ta thu được một vân phổ rộng, Phổ UV-Vis

là loại phổ electron

Nguyên tắc: Cho chùm ánh sáng nằm trong vùng khả kiến (Vis) hayvùng tử ngoại gần (UV) với bước sóng xác định Dựa vào lượng ánh sáng đã

bị hấp thụ bởi dung dịch sẽ suy ra được nồng độ của dung dịch đó Cường độtia tới: I = I0- Ir - IA

Hình 1.11 Mô tả định luật Lambert-Beer.

Trong đó: I0: là cường độ ban đầu của nguồn sáng

I: là cường độ ánh sáng sau khi đi qua dung dịch

Ir: là cường độ ánh sáng phản xạ bởi thành cuvet và dung dịch

IA: là cường độ ánh sáng bị hấp thụ bởi dung dịch

Trước và sau khi đi qua mẫu cường độ chùm sáng bị suy giảm, xác định phổtruyền qua và phổ phản xạ thì sẽ biết được phổ hấp thụ của mẫu khi ánh sángtới xác định

Độ truyền quang (T) là tỉ lệ giữa lượng ánh sáng đi qua một mẫu (P) so vớilượng ánh sáng ban đầu được chiếu vào mẫu (ánh sáng tới, P0): T = P/P0

Độ hấp thụ (A) của một mẫu được định nghĩa là số đối của logarit của độtruyền qua:

A = - logT = - log(P/P0)

1.3.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Phương pháp hiển vi điện tử quét - SEM là phương pháp dùng để nghiêncứu hình thái bề mặt và cấu trúc của mẫu vật liệu, sử dụng một chùm các điện

tử sơ cấp được điều khiển quét trên bề mặt mẫu Điện tử được phát ra, tăngtốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm angstrong đến vàinanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ cáccuộn quét tĩnh điện Khi chùm điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có cácbức xạ phát ra, sự tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghinhận và phân tích các bức xạ này cho hình ảnh của bề mặt mẫu với độ phângiải cao

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét (nguồn internet)