xây dựng hệ thống phủ nhúng dùng trong kỹ thuật sol-gel 1

1 LỜI MỞ ĐẦU Bài viết này trình bày cách xây dựng một hệ thống phủ nhúng và thử nghiệm hệ thống này trong việc phủ một màng TiO 2 trên đế thủy tinh. Hệ thống này được xây dựng trên cơ sở một hệ trục vít giúp đế dịch chuyển tịnh tiến lên xuống với một tốc độ điều chỉnh được, cho phép thực hiện phủ nhiều loại màng trong học tập và nghiên cứu. Bên cạnh đó, hệ thống này được trang bị một hệ quay nghiêng giúp làm nghiêng đế trong quá trình phủ màng với một góc điều chỉnh được. Đây là một tính năng giúp tăng độ đồng đều trong quá trình phủ. Độ dày màng và sự đồng đều có thể được điều khiển bởi các thông số như: tốc độ nhúng, số lần nhúng và góc nhúng được kiểm soát bằng một phần mềm chạy trên máy vi tính. Sản phẩm của đề tài này là một hệ thống phủ nhúng đi kèm với một chương trình điều khiển có giao diện người dùng thân thiện. Chúng góp phần làm tăng số lượng máy phủ nhúng ở nước ta, cũng đồng nghĩa với tăng các đề tài, các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực chế tạo các màng mỏng bằng phương pháp phủ nhúng, phục vụ trong nhiều lĩnh vực như: vật liệu học, công nghệ hóa học và vật lý quang học. Bên cạnh đó, sản phẩm còn phục vụ trực tiếp cho khoa công nghệ hóa học và thực phẩm trong sự nghiệp giáo dục và đào tạo của trường đại học Lạc Hồng. 2 CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN 1.1. Phƣơng pháp sol-gel [3] 1.1.1. Giới thiệu Phương pháp sol-gel là một kỹ thuật hóa học ướt để tổng hợp các vật liệu từ các phần tử huyền phù dạng keo rắn (precursor) trong chất lỏng (sol), để hình thành một nguyên liệu (gel) lưỡng pha của bộ khung chất rắn chứa đầy dung môi. 1.1.1.1. Lịch sử phát triển Vào khoảng giữa năm 1800, có những quan tâm về phương pháp sol-gel để tạo gốm sứ và kính, được bắt đầu với Ebelman và Graham khi nghiên cứu về gel Silic. Trong những năm từ 1950 đến 1960, Roy và các cộng tác đã sử dụng phương pháp sol-gel để tạo ra gốm sứ mới với thành phần là các đồng chất hóa học, bao gồm: Si, Al, Zr,…. mà không sử dụng phương pháp gốm truyền thống. Bột, sợi, màng và thấu kính quang học thì được tạo bởi phương pháp sol-gel. 1.1.1.2. Các khái niệm mở đầu Một hệ sol là một sự phân tán của các hạt rắn có kích thước khoảng từ 1nm đến 1000nm trong một chất lỏng, trong đó:  Chỉ có chuyển động Brown làm lơ lửng các hạt.  Lực tương tác giữa các hạt là lực Val der Waals.  Sol có thời gian bảo quản giới hạn vì các hạt sol hút nhau dẫn đến đông tụ các hạt keo. Một hệ gel là một trạng thái mà chất lỏng và rắn phân tán vào nhau, trong đó một mạng lưới chất rắn chứa các thành phần chất lỏng. Precursor là những phần tử ban đầu để tạo những hạt keo (sol). Nó được tạo thành từ các thành tố kim loại hay á kim, được bao quanh bởi những ligand khác nhau. Các precursor có thể là chất vô cơ kim loại hay hữu cơ kim loại, với công thức chung là M(OR) x , với M là kim loại, R là nhóm alkyl có công thức là C n H 2n+1 . 3 Những chất hữu cơ kim loại được sử dụng phổ biến nhất là các alkoxysilans, như là Tetramethoxysilan-TMOS (Si(OCH 3 ) 4 ),Tetraethoxysilan- TEOS Si(OC2H5)4. Dĩ nhiên, những alkoxy khác như là các Aluminate, Titanate và Borat cũng được sử dụng phổ biến trong các quá trình sol-gel, thường là trộn với TEOS. 1.1.2. Các quá trình chính xảy ra trong sol-gel Trong quá trình chuyển tiếp sol-gel, các phần tử trung tâm trải qua hai phản ứng hóa học cơ bản: phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ để hình thành một mạng lưới trong toàn dung dịch; vì hai phản ứng này có bản chất của một phản ứng axit-bazơ nên có thể điều chỉnh tốc độ của quá trình thủy phân, quá trình ngưng tụ với xúc tác axit hoặc bazơ. Các giai đoạn trong phương pháp sol-gel:  Tạo dung dịch sol: alkoxide kim loại bị thủy phân và ngưng tụ, tạo thành dung dịch sol gồm những hạt oxyt kim loại nhỏ (hạt sol) phân tán trong dung dịch sol. Dung dịch có thể được dùng phủ màng bằng các phương pháp như: phủ nhúng, phủ quay,….  Gel hóa (gelation): giữa các hạt sol hình thành liên kết. Độ nhớt của dung dịch tiến ra vô hạn do có sự hình thành mạng lưới oxyt kim loại (M-O-M) ba chiều trong dung dịch.  Định hình (aging): chủ yếu làm thay đổi gel có dạng cluster-cluster và chi phối bởi hiệu ứng “Ostwald Ripening”.  Sấy (drying): làm bay hơi dung môi thoát ra khỏi các ống mao dẫn của bộ khung rắn, là giai đoạn gây ra các ứng suất bên trong vật liệu và gây nứt.  Thiêu kết (sintering): đây là quá trình kết chặt khối mạng, được điều khiển bởi năng lượng phân giới. Thông qua quá trình này gel sẽ chuyển từ pha vô định hình sang pha tinh thể dưới tác dụng của nhiệt độ cao. Trong toàn bộ quá trình, hai phản ứng thuỷ phân-ngưng tụ là hai phản ứng quyết định cấu trúc và tính chất của sản phẩm sau cùng. Do đó, việc kiểm soát tốc độ phản ứng thuỷ phân-ngưng tụ trong phương pháp sol-gel là rất quan trọng. 4 1.1.2.1. Phản ứng thủy phân Phản ứng thủy phân thay thế nhóm alkoxide (-OR) trong liên kết kim loại-alkoxide bằng nhóm hydroxyl (-OH) để tạo thành liên kết kim loại- hydroxyl. Hình 1.1. Phản ứng thủy phân. M(OR) n + xHOH → M(OR) n-x (OH) x + xROH (1.1) 1.1.2.2. Phản ứng ngƣng tụ Phản ứng ngưng tụ tạo nên liên kết kim loại-oxyt-kim loại, là cơ sở cấu trúc cho các màng oxyt kim loại. Hiện tượng ngưng tụ diễn ra liên tục làm cho liên kết kim loại-oxyt-kim loại không ngừng tăng lên cho đến khi tạo ra một mạng lưới kim loại-oxyt-kim loại trong toàn dung dịch. Phản ứng ngưng tụ diễn ra theo hai dạng: Ngưng tụ rượu: M(OH)(OR) n-1 + M(OR) n → (OR) n-1 M-O-M(OR) n-1 + ROH (1.2) Ngưng tụ nước: M(OH)(OR) n-1 + M(OH)(OR) n-1 → (OR) n-1 M-O-M(OR) n-1 + H 2 O (1.3) 5 Hình 1.2. Phản ứng ngưng tụ. 1.1.2.3. Sự phát triển cấu trúc tinh thể trong quá trình gel hóa Sol chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian. Đến một thời điểm nhất định thì các hạt hút lẫn nhau để trở thành những phần tử lớn hơn. Các phần tử này tiếp tục phát triển đến kích thước cỡ 1nm thì tùy theo xúc tác có mặt trong dung dịch mà phát triển theo những hướng khác nhau. Hình 1.3. Sự phát triển cấu trúc tinh thể trong điều kiện xúc tác axit. Dưới điều kiện xúc tác axit hạt sẽ phát triển thành polymer mạch nhánh ngẫu nhiên hoặc mạch thẳng cơ bản, đan xen vào nhau. 6 Hình 1.4. Sự phát triển cấu trúc tinh thể trong điều kiện xúc tác bazơ. Dưới điều kiện xúc tác baz các hạt phát triển thành các cluster phân nhánh ở mức độ cao nhiều hơn, không xen vào nhau trước khi tạo thành Gel, chúng thể hiện như những cluster riêng biệt. Như vậy, với các loại xúc tác khác nhau, chiều hướng phát triển của hạt sol cũng có phần khác biệt. Sự phát triển của các hạt trong dung dịch là sự ngưng tụ, làm tăng số liên kết Kim loại-Oxide-Kim loại tạo thành một mạng lưới trong khắp dung dịch. Hình 1.5. Sự phát triển cấu trúc màng trong quá trình sol-gel. 1.1.3. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của quá trình sol-gel 1.1.3.1. Ƣu điểm  Tạo ra màng phủ liên kết rất tốt giữa vật liệu kim loại và màng.  Tạo ra màng dày cung cấp cho quá trình chống sự ăn mòn.  Dễ dàng tạo hình các vật liệu có hình dạng phức tạp. 7  Sản suất những sản phẩm có độ tinh khiết cao.  Khả năng thiêu kết ở nhiệt độ thấp, thường là 200 0 C – 600 0 C.  Có thể điều khiển các cấu trúc vật liệu.  Tạo được hợp chất với độ pha tạp lớn.  Độ khuếch tán đồng đều cao.  Chế tạo nano thay đổi thành phần dễ.  Vì màng được chế tạo đơn giản ở nhiệt độ thấp nên mang lại hiệu quả kinh tế cao.  Ưu điểm nổi trội nhất của phương pháp sol-gel là khả năng chế tạo được những vật liệu mới có cấu trúc xốp đồng đều. 1.1.3.2. Nhƣợc điểm  Tiêu hao nhiều nguyên liệu trong quá trình tạo màng.  Giá nguyên liệu khá cao.  Liên kết trong màng yếu.  Vì vật liệu xốp nên có độ thẩm thấu cao.  Rất khó điều khiển độ xốp.  Dễ bị rạn nứt trong quá trình xử lý nhiệt. 1.1.4. Các ứng dụng hiện nay Phương pháp sol-gel được sử dụng rộng rãi trong chế tạo và nghiên cứu vật liệu oxyt kim loại tinh khiết. Những nghiên cứu của phương pháp sol-gel chủ yếu là chế tạo gel khối SiO 2 (silica) và sau đó mở rộng chế tạo các oxyt kim loại chuyển tiếp khác như TiO 2 (titania), ZrO 2 (zirconia),… Hiện nay, phương pháp sol-gel đã thành công trong việc chế tạo vật liệu oxyt đa thành phần (multicomponent oxyt: SiO 2 -TiO 2 , TiO2:SnO 2 …) và chế tạo vật liệu lai hữu cơ-vô cơ (hybrid materials). 8 Hình 1.6. Các nhóm sản phẩm của phương pháp sol-gel. Các nhóm sản phẩm chính từ phương pháp sol-gel, được mô tả trong hình 1.6, bao gồm:  Màng mỏng: Chế tạo màng mỏng có cấu trúc đồng đều với nhiều ứng dụng trong quang học, điện tử, pin mặt trời,…  Gel khối: Được sử dụng để chế tạo các oxyt đa kim loại các dụng cụ quang học: gương nóng (hot mirror), gương lạnh (cold mirror), thấu kính và bộ tách tia (beam splitter),…  Gel khí: Thu được bằng cách sấy siêu tới hạn gel ướt (wet gel). Gel khí có ứng dụng trong nhiều lãnh vực: hấp thụ năng lượng mặt trời (silica aerogel), xúc tác (alumina (Al 2 O 3 ) aerogel có pha tạp kim loại), chất cách điện và cách nhiệt (silica aerogel),…  Hạt nano: Đơn thành phần và đa thành phần có kích thước đồng đều có thể thu được bằng cách tạo kết tủa trong giai đoạn thủy phân - ngưng tụ.  Sợi ceramic: Sợi quang chất lượng cao và sợi ceramic cách nhiệt. 1.1.5. Các phƣơng pháp tạo màng 1.1.5.1. Phủ nhúng Phương pháp phủ nhúng là một cách nhúng đế hoàn toàn vào trong dung dịch phủ và sau đó được kéo lên với một tốc độ thích hợp trong điều kiện nhiệt độ và áp suất không đổi. 9 Quá trình phủ nhúng gồm năm giai đoạn chính, xem hình1.7: Giai đoạn 1: Đế được nhúng vào dung dịch với tốc độ nhúng không đổi. Giai đoạn 2: Đế được nhúng vào dung dịch và để trong một lúc. Giai đoạn 3: Đế được kéo lên với tốc độ kéo không đổi, đồng thời hình thành lớp phủ ướt trên bề mặt đế. Giai đoạn 4: Trong khi kéo đế ra khỏi dung dịch với tốc độ kéo không đổi, dung dịch dư thừa sẽ chảy ra khỏi bề mặt đế. Giai đoạn 5: Sự bay hơi dung môi dẫn đến sự gel hóa của dung dịch sol trên bề mặt đế và lớp màng được hình thành. Hình 1.7. Năm giai đoạn trong quá trình phủ nhúng. Theo Landau và Levich [4] , độ dày màng phủ được tính như sau: (1.4) Trong đó: h là độ dày lớp phủ.  là độ nhớt dung dịch.  LV là sức căng bề mặt lỏng – hơi.  là mật độ dung dịch. g là gia tốc trọng trường. v là tốc độ nhúng. 10 Hình 1.8. Độ dày màng được xác định khi có sự cân bằng tại điểm chuyển tiếp S giữa độ nhớt kéo   hv/   , trọng lực   gh  và sức căng bề mặt lỏng-hơi   LV  của dung dịch. Tuy phương pháp phủ nhúng không phức tạp nhưng phương pháp này có một nhược điểm là độ dày màng không đồng đều, bởi vì lớp dung dịch bên trong di chuyển lên cùng với đế và lớp bên ngoài có xu hướng trôi xuống. Nhược điểm này có thể được cải thiện bằng cách nhúng đế cần phủ theo một góc nghiêng. 1.1.5.2. Phủ chảy dòng Hình 1.9. Mô hình của phương pháp phủ chảy dòng. Độ dày màng phụ thuộc vào góc nghiêng của đế, độ nhớt của dung dịch phủ và tốc độ bay hơi của dung môi. Phương pháp phủ chảy hiện nay chủ yếu được sử dụng phủ các trang thiết bị bằng thủy tinh của xe ôtô. [...]... mạnh 1. 3 Các thiết bị phủ nhúng Hình 1. 19 Bộ thiết bị phủ nhúng số hiệu HO-TH-02 của hãng Holmarc[5] Thông số tốc độ nhúng từ 2micron/sec đến 9000micron/sec với sáu mức điều chỉnh tốc độ Hành trình là 15 0mm 20 Hình 1. 20a Các thiết bị phủ nhúng của hãng KSV NIMA[6] Hình 1. 20b Bảng thông số kỹ thuật của hệ thống phủ nhúng một cốc, cung cấp bởi hãng KSV NIMA  21 Hình 1. 20c Bảng thông số kỹ thuật của hệ thống. .. thuật của hệ thống phủ nhúng nhiều cốc, cung cấp bởi hãng KSV NIMA Hình 1. 21 Bộ thiết bị phủ nhúng tại phòng thí nghiệm công nghệ nano thuộc Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh[2] 22 Hình 1. 22 Bộ thiết bị phủ nhúng của trường đại học Khoa học tự nhiên TpHCM Thông số tốc độ nhúng từ 40mm/min đến 80mm/min Hình 1. 23 Bộ thiết bị phủ nhúng trong công nghiệp 23 1. 4 Các phƣơng pháp phân tích 1. 4 .1 Đo độ dày của... suất thấp, xem hình 1. 11, dung dịch lớp phủ được đổ vào bình chứa sau đó được phun trực tiếp lên đế Hình 1. 11 Thiết bị phủ phun cầm tay 1. 2 Hợp chất TiO2 và tính năng quang xúc tác [1] 1. 2 .1 Các tính chất lý-hóa 1. 2 .1. 1 Tính chất hóa học TiO2 trơ về mặt hóa học, có tính chất lưỡng tính, không tác dụng với nước, dung dịch axit loãng (trừ HF) và kiềm, chỉ tác dụng chậm với axit khi 13 đun nóng lâu và tác.. .11 1. 1.5.3 Phủ quay Phương pháp phủ quay được mô tả trong hình 1. 7 Dung dịch sol được nhỏ giọt lên đế và cho đế quay Dưới tác dụng của lực ly tâm, dung dịch sẽ lan đều trên đế và tạo thành màng mỏng Hình 1. 10 Bốn giai đoạn của phương pháp phủ quay Quá trình phủ quay gồm bốn giai đoạn chính xảy ra tiếp nối nhau, xem hình 1. 10 Giai đoạn 1: dung dịch được nhỏ giọt lên đế... các phân tử chất cho D (Donor) hay chất nhận A (Acceptor), xem hình 1. 16 Electron ở vùng dẫn có thể khử các phân tử nhận electron (phản ứng khử 1. 6) trong khi lỗ trống có thể oxy hoá các phân tử cho electron (phản ứng oxy hoá 1. 7) 17 Hình 1. 16 Quá trình quang hoá với sự kích hoạt của các phân tử TiO2 A + e– → A•– (1. 6) D + h+ → D•+ (1. 7) Một tính chất đặc trưng của chất bán dẫn oxyt kim loại là khả... thức sau: (1. 5a) Trong đó: h là độ dày màng A , A0 là mật độ dung dịch ban đầu, lúc sau 12  là độ nhớt dung dịch m là tốc độ bay hơi  là tốc độ quay Theo Lai và Chen, độ dày màng cũng được tính theo công thức thực nghiệm sau: (1. 5b) Trong đó: A, B là các hằng số được xác định từ thực nghiệm h là độ dày màng  là tốc độ quay 1. 1.5.4 Phủ phun Phương pháp phủ phun được sử dụng rộng rãi trong công... phân hủy 1. 2 .1. 2 Tính chất vật lý Ở điều kiện thường TiO2 là chất rắn màu trắng trở nên vàng khi đun nóng TiO2 cứng, khó nóng chảy và bền nhiệt Công thức phân tử: TiO2 Khối lượng phân tử: 79,88 g.mol -1 Nhiệt độ nóng chảy: 18 700C TiO2 xuất hiện trong tự nhiên không bao giờ ở dạng nguyên chất, nó tồn tại chủ yếu trong hợp kim (thường với Fe), trong các khoáng chất và trong các quặng đồng Bảng 1. 1 Tính... Hình 1. 28 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi vi sai tuyến tính 1. 4 .1. 3 Các thông số kỹ thuật 26 1. 4 .1. 4 Ứng dụng Quan sát bề mặt mẫu Đo độ dày màng mỏng Dưới đây là hình ảnh thu được khi quan sát một màng mỏng trên đế của nó Dựa trên hình ảnh thu được ta xác định được bề dày của màng mỏng (trên hình thể hiện hai phần, phần có màng mỏng và phần không có màng mỏng) Hình 1. 29 Dữ liệu máy thu được 1. 4 .1. 5... Anatase 2,49 3,84 Tetragonal Rutile 2,903 4,26 Tetragonal Bảng 1. 2 Số liệu về tính chất và cấu trúc của TiO2 Rutile Anatase Brookite Tet Tet Orth a(Ao) 4,5845 3,7842 9 ,18 4 b(Ao) nt nt 5,447 c(Ao) 2,9533 9, 514 6 5 ,14 5 Vol 62,07 13 6,25 257,38 Density 4,2743 3,895 4 ,12 3 Hệ tinh thể Ô đơn vị Hệ số nở nhiệt (theo thể tích) alpha a0 28,9 0,2890 14 TiO2 là chất bán dẫn tồn tại ở 3 dạng cơ bản sau: Rutile, Anatase,... Profiler 1. 4 .1. 1 Cấu tạo Hình 1. 24 Cấu tạo bên ngoài máy Stylus Profiler 1 Mũi dò (Tip) có chức năng quét trên bề mặt mẫu, được chế tạo từ Saphere, Ruby để quét trên các bề mặt mẫu kim loại và được chế tạo từ SiN để quét trên bề mặt mẫu thủy tinh Đối với bề mặt mịn thì mũi dò thường dùng có kích thước nhỏ hơn 2m, còn đối với bề mặt nhám thì mũi dò thường dùng có kích thước từ 2m đến 10 m 24 Hình 1. 25 . 1 LỜI MỞ ĐẦU Bài viết này trình bày cách xây dựng một hệ thống phủ nhúng và thử nghiệm hệ thống này trong việc phủ một màng TiO 2 trên đế thủy tinh. Hệ thống này được xây dựng trên. hình 1. 11, dung dịch lớp phủ được đổ vào bình chứa sau đó được phun trực tiếp lên đế. Hình 1. 11. Thiết bị phủ phun cầm tay. 1. 2. Hợp chất TiO 2 và tính năng quang xúc tác [1] 1. 2 .1. Các. CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN 1. 1. Phƣơng pháp sol-gel [3] 1. 1 .1. Giới thiệu Phương pháp sol-gel là một kỹ thuật hóa học ướt để tổng hợp các vật liệu từ các phần tử huyền phù dạng keo rắn (precursor) trong