Ảnh hưởng của vi cấu trúc đến tính chất quang học của tio2

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH DOÃN THỊ THANH BÌNH ẢNH HƯỞNG CỦA VI CẤU TRÚC ĐẾN TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA TiO2 Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62.44.11.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS: LÊ THẾ VINH Vinh - Năm 2010 2 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Lê Thế Vinh, người thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ trình thực luận văn Xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tạo điều kiện làm việc cán Phòng thí nghiệm mô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh suốt trình làm việc Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban chủ nhiệm khoa sau đại học, khoa vật lý, thầy giáo: PGS.TS Đào Xuân Hợi, TS Đoàn Hoài Sơn, TS Nguyễn Hồng Quảng, TS Nguyễn Văn Phú thầy cô giáo giúp đỡ, giảng dạy có nhiều ý kiến đóng góp quý báu cho tác giả trình học tập thực luận văn Cuối xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân, đồng nghiệp tập thể anh chị em học viên lớp cao học 16 quang học dành tình cảm, động viên giúp đỡ vượt qua khó khăn để hoàn thành luận văn Vinh, tháng 10 năm 2010 Tác giả 3 MỤC LỤC Lời cảm ơn Mục lục Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU CHƯƠNG - TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan kết nghiên cứu vật liệu TiO2 1.2 Mô TiO2 Kết luận chương CHƯƠNG - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp động lực học phân tử 2.2 Xác định thông số vi cấu trúc thông số quang học 2.2.1 Hàm phân bố xuyên tâm, số phối trí độ dài liên kết 2.2.2 Xác định phân bố góc 2.2.3 Xác định chiết suất quang học Kết luận chương CHƯƠNG - MÔ HÌNH HÓA TiO2 VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA VI CẤU TRÚC ĐẾN CHIẾT SUẤT CỦA TiO2 3.1 Xây dựng mô hình 3.2 Vi cấu trúc TiO2 lỏng 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ đến vi cấu trúc chiết suất Kết luận chương KẾT LUẬN CHUNG TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang 8 16 26 27 27 29 30 34 34 35 36 36 36 46 47 48 49 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Biểu diễn phụ thuộc chiết suất vào nhiệt độ 11 Hình 1.2 Sự phân bố điện tử vào ô lượng tử 16 Hình 1.3 Biểu diễn liên kết Ti–O 17 Hình 1.4 Các dạng tinh thể TiO2 tồn tự nhiên 18 Hình 1.5 Mạng tứ phương tâm thể cấu trúc pha anatase 19 4 rutil Hình 1.6 Mạng trực thoi cấu trúc brookite Hình 1.7 Dạng vùng lượng mức lượng mức nguyên tử tập hợp lại 20 23 Hình 3.1 Đồ thị hàm phân bố xuyên tâm TiO2 nhiệt độ 1100K 38 Hình 3.2 Đồ thị hàm phân bố xuyên tâm TiO2 nhiệt độ 1600K 39 Hình 3.3 Đồ thị hàm phân bố xuyên tâm TiO2 nhiệt độ 2100K 39 Hình 3.4 Đồ thị hàm phân bố xuyên tâm TiO2 nhiệt độ 2600K 40 Hình 3.5 Đồ thị hàm phân bố xuyên tâm TiO2 nhiệt độ 3000K 40 Hình 3.6 Đồ thị hàm phân bố xuyên tâm TiO2 nhiệt độ 3100K 41 Hình 3.7 Đồ thị hàm phân bố góc O-T-O nhiệt độ khác 44 Hình 3.8 Đồ thị hàm phân bố góc T-O-T nhiệt độ khác 44 Hình 3.9 Đồ thị phân bố khoảng cách T-O nhiệt độ khác 45 Hình 3.10 Đồ thị phân bố khoảng cách O-T nhiệt độ khác 45 Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc chiết suất vào mật độ 47 5 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1 Mật độ chiết suất giai đoạn sử dụng mô hình cấu trúc Bảng 1.2 Số lượng ion Ti nhiệt độ khác Bảng 1.3 Bảng 1.4 Đặc điểm kết cấu TiO2 vô định hình áp suất khác Hàm phân bố xuyên tâm số phối trí TiO2 theo thực nghiệm 12 13 15 15 Bảng 3.1 Bảng so sánh kết luận văn với thực nghiệm 36 Bảng 3.2 Độ dài liên kết TiO2 nhiệt độ khác 37 Bảng 3.3 Bảng 3.4 Độ cao cực đại đỉnh thứ hàm phân bố xuyên tâm TiO2 nhiệt độ khác Khoảng cách đến điểm cực tiểu thứ hàm phân bố xuyên tâm TiO2 nhiệt độ khác 37 38 Bảng 3.5 Số phối trí trung bình TiO2 nhiệt độ khác 41 Bảng 3.6 Số phối trí Ti-O nhiệt độ khác 42 Bảng 3.7 Số phối trí O-Ti nhiệt độ khác 42 Bảng 3.8 Số phối trí Ti-Ti nhiệt độ khác 42 Bảng 3.9 Số phối trí O-O nhiệt độ khác 43 Bảng 3.10 Mật độ chiết suất nhiệt độ khác 46 MỞ ĐẦU 6 Lý chọn đề tài Vật liệu TiO2 có nhiều ứng dụng công nghiệp quang xúc tác, pin mặt trời, vi điện tử vật liệu thân thiện với môi trường Vì vậy, hiểu biết cấu trúc vi mô bước quan trọng để hoàn thiện công nghệ chế tạo vật liệu, đặc biệt vật liệu kỹ thuật ngành quang học Vấn đề đặt tìm hiểu cấu trúc vi mô mối quan hệ cấu trúc vi mô với tính chất quang học chúng, ảnh hưởng quy trình, yếu tố công nghệ nhiệt độ, áp suất, thời gian làm nguội, thời gian ủ nhiệt đến cấu trúc vi mô tính chất quang học vật liệu Tuy nhiên, thông tin khoa học hiểu biết cấu trúc vi mô tính chất quang TiO hạn chế Đây lý để chọn đề tài luận văn “Ảnh hưởng vi cấu trúc đến tính chất quang học TiO 2” Bằng phương pháp mô động lực học phân tử tính chất cấu trúc vi mô mối quan hệ vi cấu trúc tính chất quang học vật liệu TiO2 nghiên cứu, phân tích Mục đích nghiên cứu Luận văn tập trung nghiên cứu vấn đề sau: + Xây dựng mô hình vật liệu TiO (kiểm tra độ tin cậy mô hình việc so sánh với thực nghiệm) + Khảo sát đặc trưng tính chất vi cấu trúc ô xít TiO2 + Tìm mối quan hệ vi cấu trúc tính chất quang học TiO2 Đối tượng nghiên cứu Luận văn nghiên cứu vật liệu TiO2 Phương pháp nghiên cứu + Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu mô động lực học phân tử, với tương tác cặp Matsui Akaogi (MA) + Phương pháp phân tích cấu trúc, với điều kiện biên tuần hoàn, kích thước mô hình 1998 nguyên tử 7 Ý nghĩa luận văn Luận văn nghiên cứu cung cấp nhiều thông tin khoa học cấu trúc vi mô tính chất quang vật liệu TiO điều kiện nhiệt độ khác Các mô hình vật liệu TiO2 xây dựng sử dụng để nghiên cứu nhiều tính chất vật lý khác Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu kết luân, luận văn gồm có chương Chương trình bày tổng quan kết nghiên cứu vật liệu TiO 2, mô tính chất vật liệu TiO2 Chương trình bày nội dung phương pháp mô sử dụng luận văn gồm phương pháp động lực học phân tử phương pháp xác định các thông số vi cấu trúc vật lý thông số quang học mô hình động lực học phân tử Chương xây dựng mô hình, xác định tính chất vi cấu trúc hệ, ảnh hưởng vi cấu trúc đến tính chất quang học TiO2 8 CHƯƠNG - TỔNG QUAN Một số kết qủa nghiên cứu năm gần TiO2 tổng hợp phân tích thảo luận 1.1 Tổng quan kết nghiên cứu vật liệu TiO2 Titanium dioxide (TiO2) oxide thông dụng, loại vật liệu phổ biến thị tường Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu vật liệu tính ứng dụng khoa học, công nghiệp, y học, sinh học đời sống như: Quang học xúc tác, pin mặt trời, vi điện tử, điện hoá nguyên liệu để sản xuất gốm dẫn điện [1] Trong công trình [1] tác giả dùng phương pháp mô máy tính(MD), dùng tương tác Masui Akaogi: mô hình hạt nano kích thước 2nm – 5nm nhiệt độ T = 350K Kết cho thấy cấu trúc chủ yếu TO 6, liên kết chung đỉnh cạnh Kích thước thay đổi dẫn đến số phối trí thay đổi mạnh bề mặt, lỏi thay đổi Trong công trình [2] xúc tác quang hoá dạng composit, phương pháp phân huỷ methylen xanh xạ ánh sáng mặt trời hệ thống thiết bị phản ứng gián đoạn liên tục với mô hình tổ hợp vật liệu kích thước micro nanomet Kết cho thấy: hoạt tính quang hoá xúc tác mạnh hoạt động ổn định thời gian dài, ứng dụng hệ thống xử lý nước thải liên tục để xử lý chất ô nhiễm hữu tác dụng ánh sáng mặt trời Người ta sử dụng TiO cấu trúc nano để chế tạo đặc trưng tính chất pin quang điện hoá [3] Tác giả công trình [3] chế tạo nghiên cứu tính chất màng TiO2 cấu trúc nano đồng thời nghiên cứu khảo sát so sánh pin mặt trời nhạy quang sở TiO cấu trúc nano với pin sở SnO2 cấu trúc nano Bằng phương pháp phủ trải (Doctor–blado) Sử dụng loại băng keo thông thường có chiều dài 30 -50 micromet để viền đế theo ba 9 cạnh nó, nhỏ dung dịch có chứa hạt nano đơn phân tán dạng sol–gel lên phần mặt đế Dùng đũa thuỷ tinh lăn bề mặt đế tạo lớp màng mỏng có bề dày bề dày lớp băng keo Bề mặt mẫu để khô tự nhiên khoảng thời gian định tháo gỡ đoạn băng keo viền xung quanh Mẫu thu đem ủ nhiệt lò điện trở điều khiển nhiệt độ, từ nhiệt độ phòng đến 6000C Phân tích cấu trúc tinh thể phương pháp nhiễu xạ tia X đồng thời dùng phương pháp để đo phổ truyền qua phổ phát xạ, điện trở bề mặt Dùng phương pháp hiển vi điện tử quét phát xạ trường để phân tích hình thái bề mặt Kết cho thấy màng TiO kết tinh dạng xốp nano hạt nhỏ so với SnO kết nhận từ thực nghiệm chế tạo pin quang điện hoá sở oxittitan mở khả nghiên cứu ứng dụng pin quang điện hoá vào khai thác sử dụng nguồn lượng – lượng mặt trời không gây ô nhiễm môi trường Màng TiO2 lần nghiên cứu chế tạo phương pháp phún xạ magnetron [4], tính chất quang màng xác định phép đo UV–Vis Cấu trúc màng bề mặt màng xác định phép đo nhiễu xạ tia X Kết cho thấy màng tạo phương pháp phún xạ magnetron suốt, có độ truyền qua cao khoảng 90% Chiết suất màng cao khoảng 2,48 chiết suất cao màng chế tạo phương pháp phún xạ Cấu trúc màng phần lớn đa tinh thể anatase tinh thể rutil Khi màng ủ nhiệt nhiệt độ cao cấu trúc tinh thể màng phát triển Ngoài ra, độ mấp mô màng không lớn – Rms khoảng 7,408nm, thích hợp cho việc ứng dụng màng vào ứng dụng quang học Màng quang xúc tác TiO nghiên cứu chế tạo phương pháp phún xạ phản ứng magnetron không cân đế kính ảnh có cấu trúc tinh thể anatase sớm 185 0C [5], đặc trưng cấu trúc hình thái 10 10 bề mặt, tính chất quang màng khảo sát qua phổ XRD, kết AFM phổ UV – ViS Tính quang xúc tác màng xác định qua khả tẩy Methylene Bluc (MB) ánh sáng đen (UVA) Thực nghiệm cho thấy màng TiO2 chế tạo kỷ thuật phún xạ phản ứng magnetron không cân dễ thu cấu trúc đa tinh thể anatase với diện tích mặt lớn Màng tạo dòng phún xạ mạnh có tính quang xúc tác cao mà xử lý ủ nhiệt Trong công trình [6] tác giả nghiên cứu dịch chuyển thuỷ tinh khuếch tán mẫu chất lỏng TiO mô hình chứa khoảng 3000 nguyên tử qua mô động lực học phân tử Mật độ phân tử phụ thuộc vào nhiệt độ chuyển pha thuỷ tinh thể, chất lỏng TiO tìm thấy khảo sát Sự tán sắc loại nguyên tử 3,80 gcm -3 mô hình TiO2 tác giả nghiên cứu qua dải nhiệt độ rộng từ 2100K đến 7000K Kết cho thấy nhiệt độ phụ thuộc vào số khuếch tán loại nguyên tử theo Định luật Arrhenius nhiệt độ thấp nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ cao bị sai lệch so với Định luật Arrhenius Công trình tìm thấy khác cấu trúc vô định hình mô hình TiO mật độ khác vùng từ 3,80 gcm -3 đến 4,20 gcm-3 Ngoài tìm thấy dịch chuyển dạng chất lỏng có mật độ thấp đến dạng chất lỏng có mật độ cao Một công trình khác [7] tác giả nghiên cứu dịch chuyển thuỷ tinh nhiệt động lực học hạt nano lỏng vô định hình TiO 2, với kích thước khác vùng từ đến 5mm mô hình điều kiện biên tuần hoàn Tác giả sử dụng cặp (thế năng) hai nguyên tử mô tả Matsui-Akaogi Các mô hình thu cách làm lạnh từ nóng chảy qua mô tả động học phân tử Kết cho thấy tính chất thuộc cấu trúc hạt nano lỏng TiO nhiệt độ 10 39 39 Khoảng cách đến điểm cực tiểu thứ hàm phân bố xuyên tâm có giá trị (bảng 3.4) Khi nhiệt độ tăng, hầu hết khoảng cách đến điểm cực tiểu cặp liên kết tăng Tuy nhiên, cặp liên kết có giá trị lớn khoảng cách đến điểm cực tiểu nhiệt độ khác nhau, cặp T-T cặp O-O khoảng cách lớn nhiệt độ 3000K, cặp T-O nhiệt độ 2600K Đồ thị biểu diễn độ cao đỉnh thứ g j(r) độ dài liên kết rj nhiệt độ khảo sát sau: Hình 3.1 Hàm phân bố xuyên tâm TiO2 nhiệt độ 1100K Trong liên kết cặp Ti-O có đỉnh cao nhất, cặp O-O có đinh thấp Giá trị rj cặp Ti-Ti, Ti-O O-O chênh lệch không lớn (hình 3.1) 39 40 40 Hình 3.2 Hàm phân bố xuyên tâm TiO2 nhiệt độ 1600K 40 41 41 Ở nhiệt độ 1600K, cấu trúc hệ TiO2 không thay đổi nhiều, cặp Ti-O có đỉnh cao nhất, cặp O-O có đỉnh thấp Giá trị r j cặp Ti-Ti, Ti-O O-O chênh lệch không đáng kể (hình 3.2) Hình 3.3 Hàm phân bố xuyên tâm TiO2 nhiệt độ 2100K 41 42 42 Ở nhiệt độ 2100K, cặp Ti-O có đỉnh cao nhất, cặp O-O có đỉnh nhỏ Giá trị rj cặp Ti–Ti, Ti-O O-O chênh lệch (hình 3.3) Hình 3.4 Hàm phân bố xuyên tâm TiO2 nhiệt độ 2600K 42 43 43 Ở nhiệt độ 2600K, cặp Ti-O có đỉnh cao nhất, cặp O-O có đỉnh nhỏ Giá trị rj cặp O-O Ti-Ti tương đương với (hình 3.4) Hình 3.5 Hàm phân bố xuyên tâm TiO2 nhiệt độ 3000K 43 44 44 Ở nhiệt độ 3000K, cặp Ti-O có đỉnh cao nhất, cặp O-O có đỉnh thấp Tuy nhiên, độ cao đỉnh giảm so với nhiệt độ thấp Giá trị r j cặp O-O Ti-Ti tương đương với (hình 3.5) Hình 3.6 Hàm phân bố xuyên tâm TiO2 nhiệt độ 3100K Ở nhiệt độ 3100K, cặp Ti-O có đỉnh cao nhất, cặp O-O có đỉnh thấp Độ cao đỉnh tiếp tục giảm so với nhiệt độ thấp Giá trị rj cặp cặp O-O Ti-Ti tương đương với (hình 3.6) 44 45 45 Về phân bố số phối trí, nhiệt độ tăng số phối trí trung bình tất liên kết giảm Trong đó, số phối trí trung bình cặp liên kết Ti-Ti giảm nhiều ( bảng 3.5) Bảng 3.5 Số phối trí trung bình TiO2 nhiệt độ khác T,K Zij Ti-O 6.03 5.96 5.82 5.58 5.4 5.37 Ti-Ti 8.4 8.28 7.73 7.01 6.58 6.53 1100 1600 2100 2600 3000 3100 O-Ti 3.02 2.98 2.91 2.79 2.7 2.68 O-O 12.44 12.44 12.16 12.17 11.32 11.26 Bảng 3.6 Số phối trí cặp Ti-O nhiệt độ khác Ti-O T, K 1100 1600 2100 2600 3000 3100 0.000 0.000 0.000 0.002 0.003 0.005 0.000 0.003 0.008 0.039 0.078 0.085 0.116 0.152 0.246 0.344 0.388 0.410 0.688 0.681 0.598 0.513 0.472 0.424 0.186 0.159 0.146 0.092 0.057 0.072 0.010 0.006 0.002 0.009 0.003 0.004 Ở nhiệt độ thấp số phối trí cặp liên kết Ti-O chủ yếu chiếm 68% thay đổi Khi nhiệt độ cao số phối trí giảm mạnh 42% Như vậy, nhiệt độ tăng số phối trí thay đổi mạnh Ở nhiệt độ khoảng 3100K có xuất đơn vị cấu trúc TiO với tỉ lệ thấp(bảng 3.6) Bảng 3.7 Số phối trí cặp O-Ti nhiệt độ khác T, K 1100 1600 2100 2600 3000 3100 O-Ti 0.000 0.000 0.000 0.001 0.003 0.003 0.063 0.085 0.129 0.201 0.252 0.266 0.788 0.774 0.737 0.687 0.667 0.649 0.149 0.141 0.133 0.112 0.082 0.085 Về tỉ lệ nguyên tử O bao quanh nguyên tử Ti, chủ yếu có nguyên tử O bao quanh nguyên tử Ti cấu trúc thay đổi nhiệt độ tăng 45 46 46 Cũng có tỉ lệ đáng kể nguyên tử O bao quanh nguyên tử Ti Tỉ lệ có xu hướng giảm nhiệt độ 3100K (bảng 3.7) Bảng 3.8 Số phối trí cặp Ti-Ti nhiệt độ khác Ti-Ti Z, K 1100 1600 2100 2600 3000 3100 10 11 0.000 0.000 0.000 0.001 0.003 0.005 0.000 0.000 0.002 0.013 0.024 0.029 0.004 0.004 0.023 0.067 0.108 0.126 0.024 0.037 0.093 0.177 0.261 0.235 0.114 0.156 0.220 0.314 0.312 0.306 0.337 0.303 0.342 0.288 0.219 0.213 0.356 0.342 0.240 0.121 0.064 0.079 0.145 0.141 0.075 0.020 0.009 0.008 0.020 0.018 0.006 0.000 0.000 0.000 Về tỉ lệ nguyên tử Ti bao quanh nguyên tử Ti, chủ yếu có nguyên tử Ti bao quanh nguyên tử Ti, cấu trúc thay đổi nhiệt độ thấp Cũng có tỉ lệ đáng kể nguyên tử Ti bao quanh nguyên tử Ti Tỉ lệ có xu hướng giảm nhiệt độ 3100K (bảng 3.8) Bảng 3.9 Số phối trí cặp O-O nhiệt độ khác O-O Z, K 10 11 12 13 14 15 16 1100 0.000 0.000 0.004 0.033 0.146 0.297 0.316 0.156 0.041 0.006 1600 0.000 0.000 0.002 0.031 0.164 0.293 0.294 0.158 0.049 0.008 2100 0.000 0.002 0.009 0.055 0.195 0.307 0.276 0.123 0.030 0.003 2600 0.000 0.006 0.031 0.108 0.245 0.300 0.201 0.085 0.021 0.003 3000 0.002 0.008 0.053 0.161 0.285 0.283 0.152 0.050 0.007 0.001 3100 0.003 0.012 0.064 0.164 0.272 0.269 0.155 0.051 0.010 0.000 Về tỉ lệ nguyên tử O bao quanh nguyên tử O, chủ yếu có 13 nguyên tử O bao quanh nguyên tử O, cấu trúc thay đổi nhiệt độ thấp Cũng có tỉ lệ đáng kể nguyên tử O bao quanh nguyên tử O Tỉ lệ có xu hướng giảm nhiệt độ 3100K Thông tin hữu ích hình dáng kích thước TiOx kết nối chúng suy từ phân bố góc Trong công việc tính góc O-Ti-O góc Ti-O-Ti Để kiểm tra thay đổi khối đa diện 46 47 47 TiOx, tính toán phân bố góc O-Ti-O riêng cho TiO 4, TiO5 TiO6 Các liên kết góc O-Ti-O Ti-O-Ti (BAD) biểu diễn (Hình 3.7 3.8) Các BAD O-Ti-O có hai đỉnh, mà nằm 95 1300 , 800 1550, 800 1700 tương ứng cho TiO4, TiO5 TiO6 (hình 3.7) Hình 3.7 Đồ thị số phân bố góc O-T-O nhiệt độ khác Đối với liên kết phân phối góc Ti-O-Ti quan sát thấy thay đổi mạnh mẽ chúng theo nhiệt Ở phân bố nhiệt độ có ba đỉnh nằm 1250, 1350, 1750, 1000, 1200 và1300 nhiệt độ cao chuyển sang góc nhỏ xuất 1050 (hình 3.8) Hình 3.8 Đồ thị số phân bố góc T-O-T nhiệt độ khác 47 48 48 Khi nhiệt độ thay đổi phân bố khỏang cách phân tử thay đổi thay đổi làm ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán mẫu vi cấu trúc, nhiên mức độ thay đổi mô hình vi cấu trúc không đáng kể Hình 3.9 Đồ thị số phân bố khoảng cách Ti-O nhiệt độ khác Hình 3.10 Đồ thị số phân bố khoảng cách O-Ti nhiệt độ khác Nhìn vào đồ thị ta thấy đỉnh cao phân bố khoảng cách nằm nhiệt độ 1100K thấp nhiệt độ 3100K nghĩa nhiệt độ cao khoảng cách phân tử vi cấu trúc giảm, mà làm cho mật độ mô hình giảm dần dẫn đến chiết suất mẫu vật liệu giảm 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ đến vi cấu trúc chiết suất 48 49 49 Khi xây dựng nghiên cứu mô hình với 1998 nguyên tử chứa 666 nguyên tử Ti 1332 nguyên tử O áp suất 0GPa, với nhiệt độ 1100K, 1600K, 2100K, 2600K, 3000K 3100K Chúng nhận ảnh hưởng trực tiếp đến chiết suất mẫu nghiên cứu Sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến thay đổi phân bố phối trí, thay đổi phân bố góc, thay đổi khoảng cách ( thể tích mẫu nghiên cứu ) làm thay đổi mật độ mẫu điều ảnh hưởng đến chiết suất mẫu làm thay đổi chiết suất vật liệu TiO2 Chính thay đổi chiết suất ảnh hưởng trực tiếp đến phổ hấp thụ quang học mẫu mà cụ thể ảnh hưởng đến vạch phổ phát xạ dãy quang phổ liên tục Kết thu thể bảng số liệu (bảng 3.10) Bảng 3.10 Mật độ chiết suất nhiệt độ khác T(K) 1100 1600 2100 2600 3000 3100 Mật độ(g/cm3) 3.9822 3.9358 3.8088 3.5856 3.4947 3.4487 Chiết suất (n) 2.762 2.7442 2.6947 2.6046 2.5668 2.5473 Kết tính toán phù hợp với số liệu công trình [8] Khi nhiệt độ tăng, ảnh hưởng đến vi cấu trúc nguyên nhân dẫn đến thay đổi phổ hấp thụ phát xạ tính chất quang vật liệu Khi nhiệt độ 1100K chiết suất n mô hình có giá trị cao nhất, tăng nhiệt độ ta lại thấy mật độ ρ giảm dần dẫn đến chiết suất giảm(hình 3.11) Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc chiết suất vào mật độ 49 ρ ( g / cm3 ) 50 50 Sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến thay đổi khoảng cách Ti-O, thay đổi góc Ti-O-Ti mẫu dẫn đến khác phân bố lượng mẫu TiO Chính lượng hình thành ảnh hưởng đến phổ hấp thụ vạch dãy quang hấp thụ KẾT LUẬN CHƯƠNG Vi cấu trúc TiO2 nghiên cứu nhiệt độ khác từ 1100K đến 3100K Các thông số vi cấu trúc phân tích bình luận hàm phân bố xuyên tâm, số phối trí, phân bố góc, phân bố khoảng cách Đặc biệt ảnh hưởng vi cấu trúc đến chiết suất xác định bình luận Kết nghiên cứu cho thấy TiO có cấu trúc bát diện, nhiệt độ tăng cấu trúc thay đổi mạnh Sự phụ thuộc chiết suất vào nhiệt độ tuyến tính 50 51 51 KẾT LUẬN CHUNG Luận văn đạt số kết sau sau: • Đã xây dựng mô hình vật liệu TiO nhiệt độ từ 1100K đến 3100K có dãi hàm phân bố xuyên tâm, số phối trí phù hợp với số liệu thực nghiệm Các mô hình sử dụng để nghiên cứu tính chất vật lý khác • Sự thay đổi vi cấu trúc TiO nhiệt độ tăng từ 1100K đến 3100K khảo sát phân tích thông qua độ dài liên kết, phân bố góc, hàm phân bố xuyên tâm số phối trí Kết nghiên cứu cho thấy nhiệt độ tăng cấu trúc vi mô thay đổi đáng kể Cụ thể nhiệt độ tăng số phối trí giảm từ 68% xuống 42%, phân bố góc T-O-T thay đổi mạnh, nhiệt độ 3100K xuất góc nhỏ 1050 • Khi nhiệt độ tăng chiết suất giảm tuyến tính theo nhiệt độ Sự thay đổi ảnh hưởng trực tiếp đến phổ vạch vật liệu ảnh hưởng đến đường tia sáng đơn sắc qua mẫu 51 52 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Huỳnh Bửu Trọng - Võ Văn Hoàng: Các đặc điểm cấu trúc hạt nano TiO2 pha lỏng vô định hình [2] Ngô Tuấn Anh – Nguyễn Đình Lâm: Xúc tác quang hoá TiO “Micro nano composit” mang vật liệu nano carbon có cấu trúc Tạp chí KH & CN, ĐH Đà Nẵng – số 3(26) 2008 [3] Nguyễn Minh Quyên: Chế tạo đặc trưng tính chất pin quang điện hoá sử dụng ôxit titan cấu trúc nano [4] Lê Vũ Tuấn hùng – Nguyễn Văn Đến – Huỳnh Thành Đạt: Nghiên cứu chế tạo màng mỏng TiO2 phương pháp phún xạ Magnetron rf Tạp chí phát triển KH & CN, Tập 9, số – 2006 [5] Vũ Thị Hạnh Thu – Nguyễn Hữu Chí – Lê Văn Hiếu – Huỳnh Thành Đạt – Nguyễn Quỳnh Giao – Phạm Kim Ngọc: Sự ảnh hưởng dòng phún xạ ủ nhiệt lên tính chất quang xúc tác màng TiO2 chế tạo phương pháp phún xạ Magnetron DC không cân Tạp chí phát triển KH & CN, Tập 11, Số 10 – 2008 [6] VoVan Hoang: The glass transition and diffusion in simulated liquid TiO J phys: Condens Matter 19 (2007) 416109 [7] VoVan Hoang: The glass transition and thermodynamics ò liquid and amorphous TiO2 nanoparticles Nanotechnolory 19 (2008) 105706(12pp) [8] D Mergel, D Buscvhendorf, S Eggert, R Grammes, B Sámet: Density and refracvticve index of TiO2 films prepared by reacvticve ecvaporation [9] D Mergel: Modeling thin TiO2 films of various densities as an effecvtive optical medium Thin Solid Films 397(2001) 216 – 222 [10] Võ Văn Hoàng: Structural properties of simulaterdf liquid and amorphous TiO2 52 53 53 [11] Le The Vinh, Nguyen Van Hong, Nguyen Thu Nhan, Nguyen Minh Quan, Duong Cong Hiep and Pham Khac Hung: Computer simulation of amorphous TiO2 [12] Jose Pedro Rino and Nelson Studart, Phys Rev B 59 (1999) 6643 53 [...]... về cấu trúc vi mô và sự ảnh hưởng của cấu trúc vi mô đến chiết suất còn hạn chế Vì vậy, luận văn chọn nghiên cứu cấu trúc vi mô và sự ảnh hưởng của vi cấu trúc đến tính chất quang học của TiO2 26 27 27 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Kết quả nghiên cứu của 12 công trình đã được tổng hợp và bình luận Vấn đề nghiên cứu được nêu lựa chọn dựa trên tính thời sự của đề tài luận văn Các kết quả nghiên cứu cho thấy: Cấu trúc. .. độ 350oC Mật độ của màng mỏng TiO 2 cũng là một trong những thông số quan trọng, nó ảnh hưởng đến các tính chất như: tinh thể hóa, ứng suất, chiết suất của màng 21 22 22 1 2.2 Tính chất vật liệu TiO2 Liên hệ giữa chiết suất n và mật độ khối lượng ρ Như đã biết trong quang học có tồn tại hiện tượng tán sắc của ánh sáng, tức vận tốc v0 của sóng trong môi trường phụ thuộc vào tần số ω của nó, vì v0 =... tác giả đã dùng những công trình có liên quan để mô phỏng TiO2 lỏng và vô định hình Và như vậy trong công trình này họ đã chỉ ra chi tiết sự khảo sát cấu trúc vi mô của TiO2 lỏng và vô định hình trong phạm vi nhiệt độ từ 7000 tới 350K Những tính toán chỉ ra rằng thế nguyên tử MA mô tả tốt cấu trúc của TiO 2 lỏng và vô định hình Vi cấu trúc của TiO 2 lỏng và vô định hình đã được khảo sát chi tiết hơn... lỏng có cấu trúc mạng năm mặt bị méo, còn các hạt nano vô định hình TiO 2 có cấu trúc mạng tám mặt Sự phụ thuộc của chiết suất vào nhệt độ và áp suất gần như là tuyến tính 27 28 28 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trình bày thuật toán của chương trình động lực học phân tử và kỷ thuật tính toán một số tính chất vật lý của vật liệu TiO2 2.1 Phương pháp động lực học phân tử Sử dụng hệ thức Newton vi t cho... đổi vi cấu trúc của mô hình thay đổi và là nguyên nhân dẫn đến chiết suất thay đổi Chính điều này đã ảnh hưởng đến phổ hấp thụ quang học và đường truyền của của tia sáng KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Trong chương này trình bày phương pháp nghiên cứu Đã sử dụng phương pháp động lực học phân tử với thế tương tác Matsui –Akaogi, điều kiện biên tuần hoàn để xây dựng mô hình Kết hợp với phương pháp phân tích cấu trúc. .. là nghiên cứu về màng mỏng và cấu trúc nano TiO2 mặc dù kết quả của các công trình đều khá phù hợp với thực nghiệm Tuy nhiên, giữa các công trình vẫn còn một số điểm chưa thống nhất với nhau và cần được làm rõ Nhưng do giới hạn nghiên cứu của đề tài nên trong phạm vi luận văn này, chúng tôi chỉ trình bày những 15 16 16 vấn đề chính về vi cấu trúc và tính chất quang học của TiO 2 mà chúng tôi đã làm... các khoảng cách giữa các nguyên tử Sự tính toán đã chỉ ra rằng các hiệu ứng kích thước trong cấu trúc của mô hình thì quan trọng và các hạt nano lỏng TiO2 có cấu trúc mạng năm mặt bị méo và các phối vị trung bình Z Ti - O = 5 và ZO – Ti = 2,5, còn đối với các hạt nano vô định hình TiO2 có cấu trúc mạng tám mặt Sự phụ thuộc nhiệt độ vào cấu trúc mặt và năng lượng mặt của hạt nano cũng đã thu được và biễu... quan hệ Lorentz–Lorenz được dùng để giải thích cấu trúc của hạt TiO2( xem bảng 1.1) 11 12 12 Bảng 1.1 Mật độ và chiết suất của các giai đoạn được sử dụng trong các mô Giai đoạn ρ hình cấu trúc nω nε 3 g/cm (546nm) (546nm) Anatase 3.84 2.59 2.55 Rutile 4.23 2.65 2.95 Air 0 1 Watter 1 1.33 Công trình [10] nhóm tác giả đã nghiên cứu những thuộc tính cấu trúc của TiO2 lỏng và vô định hình Trong công trình này... hình có chiết suất n, nhỏ nhất so với các cấu trúc TiO 2 đa tinh thể vì mật độ khối lượng ρm (g/cm3) thấp nhất Tính chất tinh thể hoá của màng mỏng TiO2 Trong màng mỏng, khi độ dày d < 350nm, TiO 2 biểu hiện như một chất phức tạp vì nó phụ thuộc vào nhiều thông số Ngoài các phương pháp phủ màng khác nhau còn nhiều thông số khác cũng ảnh hưởng đến hình thái và cấu trúc màng mỏng Tất cả các phương pháp lắng... thiết lập bằng tương tác vật lý cũng như tương tác hóa học Màng và đế có thể gắn với nhau dưới trạng thái ứng suất nén hoặc ứng suất căng qua lực truyền của mặt phân giới Ứng suất có ảnh hưởng đến chất lượng bám dính của màng, ứng suất biến đổi rộng với các điều kiện tạo màng và tính chất vật lý của vật liệu tạo màng và đế Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử có ưu điểm là nghiên cứu được hệ với số ... nhiệt đến cấu trúc vi mô tính chất quang học vật liệu Tuy nhiên, thông tin khoa học hiểu biết cấu trúc vi mô tính chất quang TiO hạn chế Đây lý để chọn đề tài luận văn Ảnh hưởng vi cấu trúc đến tính. .. chương CHƯƠNG - MÔ HÌNH HÓA TiO2 VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA VI CẤU TRÚC ĐẾN CHIẾT SUẤT CỦA TiO2 3.1 Xây dựng mô hình 3.2 Vi cấu trúc TiO2 lỏng 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ đến vi cấu trúc chiết suất Kết luận chương... động lực học phân tử Chương xây dựng mô hình, xác định tính chất vi cấu trúc hệ, ảnh hưởng vi cấu trúc đến tính chất quang học TiO2 8 CHƯƠNG - TỔNG QUAN Một số kết qủa nghiên cứu năm gần TiO2 tổng