Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Chế tạo và nghiên cứu tính chất của vật liệu nano Zn2SnO4

63 75 0
Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Chế tạo và nghiên cứu tính chất của vật liệu nano Zn2SnO4

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp thủy nhiệt để tổng hợp các tinh thể nano kẽm stannate (ZTO). Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ như tỷ lệ mol các hóa chất ban đầu, nhiệt độ phản ứng và thời gian phản ứng lên quá trình hình thành và chuyển đổi pha, cũng như các tính chất quang đặc trưng của Zn2SnO4.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ NGUYỄN NGỌC TÚ CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO  Zn2SnO4 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội ­ 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ NGUYỄN NGỌC TÚ CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO  Zn2SnO4 Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN DUY PHƯƠNG Hà Nội ­ 2014 LỜI CAM ĐOAN Những kết quả được thể  hiện trong luận văn là những kết quả  lao động  của bản thân, các kết quả này đã được tơi tìm ra trong q trình làm việc và học   tập tại Trung tâm Khoa học Vật liệu trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại  học Quốc gia Hà Nội từ tháng 07 năm 2013 đến tháng 12 năm 2013. Các kết quả  này chưa được cơng bố  trên bất cứ  một cơng trình nghiên cứu nào của người  khác. Kết quả của luận văn được thực hiện theo hướng nghiên cứu trong đề  tài  "NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU HUỲNH QUANG PHA   ĐẤT HIẾM TRÊN CƠ  SỞ LaPO4, Zn2SnO4”,  Mã số  QGTĐ 13.04. Một số  kết quả  của luận văn được thực hiện trên các thiết bị của Dự án Khoa học và Cơng nghệ  Nano, Đại học Quốc gia Hà Nội LỜI CẢM ƠN Trước khi trình bày nội dung chính của luận văn, tơi xin bày tỏ  lòng biết   ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Duy Phương – giảng viên Học viện Kỹ thuật Mật mã  và PGS.TS. Nguyễn Ngọc Long ­ Trung tâm Khoa học Vật liệu ­ Trường Đại   học Khoa học Tự  nhiên, những người đã tận tình hướng dẫn tơi thực hiện nội  dung luận văn. Cùng tồn thể các thầy cơ giáo trong khoa Vật lý, thầy cơ trong bộ  mơn Vật lý Chất rắn ­ Trường Đại học Khoa học Tự  nhiên, Đại học Quốc gia   Hà Nội đã dạy bảo tơi tận tình trong suốt q trình học tập tại trường Tơi xin cảm  ơn các thầy cơ của Trung tâm Khoa học Vật liệu – Trường  Đại học Khoa học Tự  nhiên, đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tơi trong q  trình tạo mẫu và phân tích mẫu. Cảm ơn ThS. Nguyễn Duy Thiện – người mà tơi  đã học hỏi được rất nhiều kỹ năng quan trọng trong q trình làm thí nghiệm Tơi xin chân thành cảm ơn đề tài "NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT  CỦA VẬT LIỆU HUỲNH QUANG PHA ĐẤT HIẾM TRÊN CƠ  SỞ LaPO4, Zn2SnO4”,  Mã số QGTĐ 13.04 Nhân dịp này tơi cũng xin được gửi lời cảm  ơn chân thành tới gia đình,  bạn bè, đồng nghiệp đã ln bên tơi, cổ vũ, động viên, giúp đỡ tơi trong trong q  trình làm luận văn này                                   Tác giả luận văn                                                                                        Nguy ễn Ng ọc Tú MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI NĨI ĐẦU Hiện nay vật liệu bán dẫn oxit vùng cấm rộng ngày càng được tập trung  nghiên cứu mở rộng để có thể phát triển các ứng dụng trong một số lĩnh vực mà   các vật liệu bán dẫn truyền thống (Si, GaAs, Ge) bị hạn chế. Các vật liệu có độ  rộng vùng cấm lớn như  TiO2, ZTO, ZnO rất được quan tâm, trong đó vật liệu   ZTO có nhiều ưu thế vượt trội vì có nhiều tính chất vật lý thích hợp, là chất xúc  tác quang làm mất màu thuốc nhuộm, chế  tạo các điện cực trong suốt cho pin   mặt trời, điện cực của pin Li­ion, làm cảm biến nhạy khí, chíp nhớ  điện trở  (memristor hay resistive random access memory RRAM ­ bộ  nhớ  truy xuất ngẫu  nhiên dựa trên điện trở). Do có tính trong suốt, memristor ZTO có thể  có nhiều  ứng dụng rộng rãi khác như  chế  tạo các tấm panel cho màn hình, các tấm phim  transistor siêu mỏng, màn hình xun thấu.  Vật liệu kẽm stannate (Zn2SnO4) thường gọi là ZTO thuộc nhóm vật liệu   AIIBIVO4 [3]. Đây là vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng, độ rộng vùng cấm phổ biến   của chúng là 3,6 – 3,7 eV nhưng cũng có khi lên tới 4,1 – 4,2 eV [9,14]. ZTO có độ  linh động điện tử cao và nhiều đặc tính quang học hấp dẫn. Điều đó khiến chúng   có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như trong pin mặt trời [7,14],   làm sensor phát hiện độ ẩm và các loại khí ga dễ cháy [8], làm điện cực âm cho   pin Li – ion và làm chất quang xúc tác phá hủy các chất hữu cơ ơ nhiễm, các chất  mầu cơng nghiệp [9,15]. So với các loại oxit hai thành phần, các loại oxit ba  thành phần như  ZTO có trạng thái bền vững hơn nên chúng được xem là rất lý   tưởng cho việc  ứng dụng trong các điều kiện khắc nghiệt như  làm chất chống  cháy và chất ức chế khói Hiện nay trên thế  giới có nhiều nhóm nghiên cứu về  vật liệu ZTO, tuy  nhiên các nghiên cứu thường chỉ  tập trung vào sản phẩm tạo ra và nghiên cứu  khả  năng  ứng dụng vật liệu nhằm nâng cao hiệu suất chất lượng của pin mặt   trời, mà chưa có nhiều nghiên cứu về q trình hình thành và phát triển vật liệu,    tối  ưu hóa quy trình cơng nghệ, nguồn gốc các tính chất đặc trưng của vật   liệu, các nghiên cứu về động học thủy nhiệt vẫn còn khá sơ khai Để có thể đưa ZTO vào ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật và cuộc sống thì  trong cơng nghệ  chế  tạo cần sử dụng các tiền chất dễ  tìm và chi phí trong q   trình chế tạo phải hợp lý. Do đó việc nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm ZTO với  những vật liệu và hóa chất phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất ở Việt Nam là  cần thiết.  Trên cơ sở đó, chúng tơi đã lựa chọn và thực hiện nội dung luận văn của   mình với tên gọi “Chế  tạo và nghiên cứu tính chất của vật liệu nano Zn2SnO4”.  Trong luận văn này, chúng tơi sử dụng phương pháp thủy nhiệt để  tổng hợp các  tinh thể nano kẽm stannate (ZTO). Nghiên cứu của chúng tơi tập trung vào việc  khảo sát  ảnh hưởng của các yếu tố  cơng nghệ  như  tỷ  lệ  mol các hóa chất ban   đầu, nhiệt độ phản ứng và thời gian phản ứng lên q trình hình thành và chuyển  đổi pha, cũng như  các tính chất quang đặc trưng của Zn2SnO4. Thuộc tính cấu  trúc và quang học của các mẫu chế tạo ra đã được nghiên cứu bởi một số phép  đo như nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hấp thụ quang học UV­Vis, quang ph ổ hu ỳnh   quang và phổ tán xạ Raman.  Ngồi phần mở  đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn được chia  làm ba chương: Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ZTO Trong chương này, chúng tơi sẽ  trình bày về  cấu trúc, hình thái, một số  tính chất của vật liệu ZTO, cũng như  các  ứng dụng của vật liệu này trong đời  sống.  Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM Trình   bày     số   phương   pháp   thực   nghiệm   chế   tạo   tinh   thể   ZTO,   phương pháp mà chúng tôi đã sử  dụng và các phương pháp kỹ  thuật được sử  10 Vậy kích thước hạt tinh thể ZTO tính theo mặt (311) là D = 76,4  nm 3.2. Ảnh SEM của mẫu ZTO được chế tạo Hình 3  Ảnh SEM của mẫu ZTO Hình 3.8 là  ảnh SEM của mẫu chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt tại   nhiệt độ  200 oC, thủy nhiệt trong thời gian 25 h. Kết quả cho th ấy các tinh thể  ZTO tạo ra có kích thước micro và nano, chúng có hình dạng là các thanh, tấm  nano bao quanh các tinh thể ZTO to hơn và tập hợp thành các đám cầu có đường   kính khoảng 500 nm – 700 nm. So với một số báo cáo trên thế  giới thì kết quả  này khá phù hợp, tuy nhiên mục tiêu của chúng tơi trong thời gian tới là chế  tạo  hạt có kích thước bé hơn 3.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Zn/Sn lên sự hình thành pha ZTO Phương   pháp  thủy   nhiệt       phương   pháp   đơn   giản,   nhưng  có     nhiều thơng số ảnh hưởng đến kết quả như tỷ lệ mol chế tạo, nhiệt độ chế tạo,   nồng độ NaOH, thời gian chế tạo. Vì vậy chúng tơi tiến hành khảo sát các thơng  số đó lên kết quả thu được nhằm tìm ra một quy trình tối ưu, trước tiên chúng tơi   tiến hành khảo sát  ảnh hưởng của của tỷ  lệ  mol Zn:Sn bằng cách cố  định các  thông số nhiệt độ, thời gian, độ  pH và thay đổi tỷ  lệ  mol Zn:Sn lần lượt là 10:5  mmol, 10:6,25 mmol, 10:7,5 mmol, 10:8,75 mmol Hình 3  Phổ XRD của các mẫu chế tạo có tỷ lệ mol Zn:Sn khác nhau: Hình 3.9 là phổ  XRD của các mẫu chế  tạo với cùng một điều kiện cơng  nghệ nhưng tỷ lệ mol ZnSO4:SnCl4 khác nhau. Ta thấy rằng các mẫu chế tạo với  tỷ lệ mol ZnSO4:SnCl4 là 10:5 mmol cho kết tinh chủ yếu ZnO trong khi các mẫu   chế tạo với tỷ lệ mol ZnSO4:SnCl4 là 10:6,25 mmol và tỷ  lệ mol ZnSO4:SnCl4 là  49 10:7,5 mmol thì cho kết tinh tinh thể ZTO nhiều nhất. Với các mẫu có tỷ lệ chế  tạo ZnSO4:SnCl4  là 10:8,75 mmol thì mẫu sẽ  cho kết tinh ZTO và ZnSnO3. Từ  phổ  XRD trên ta có thể  thấy rằng với các mẫu có tỷ  lệ  chế  tạo ZnSO 4:SnCl4 là  10:6,25 mmol thì cho kết tinh ZTO mạnh nhất và đơn pha nhất trong các mẫu   được chế tạo với tỷ lệ mol khác nhau Trên thực tế, để  có thể  chế  tạo được mẫu ZTO là đơn pha rất khó. Các   tạp chất   đây thường là ZnSnO3, SnO2, ZnO chúng tồn tại song song với ZTO   Do khó chế tạo được mẫu ZTO đơn pha nên trong một số  bài báo quốc tế  ZTO   được viết dưới dạng 2ZnO:SnO2 Từ kết quả trên ta thấy tỷ lệ các chất ban đầu để chế tạo mẫu giữ vai trò  rất quan trọng trong việc hình thành nên pha tinh thể  ZTO. Trong các mẫu ZTO  chúng tơi chế tạo được với các tỷ lệ khác nhau thì mẫu có tỷ lệ mol ZnSO4:SnCl4  là 10:6,25 mmol là cho ra kết quả tốt nhất 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH lên sự hình thành pha ZTO Sau khi khảo sát các mẫu ZTO chế  tạo với tỷ  lệ  khác nhau chúng tơi đã  tìm được mẫu có kết quả  tốt nhất. Tiếp theo chúng tơi sẽ  khảo sát  ảnh hưởng  của nồng độ NaOH đến sự hình thành tinh thể ZTO bằng cách cố định các thơng   số nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ mol chế tạo và thay đổi nồng độ NaOH lần lượt là:  0,5 M; 1 M; 2,5 M. Kết quả như sau: 80 60 (a)  350 SnO2 (b)  2500 (c)  ZnO Hình 3  Phổ XRD của các mẫu chế tạo với nồng độ NaOH khác nhau 300 Zn2SnO4 Cư ờng độ(đơn vịtù y ý 100 Cư ờng độ (đơn vịtù y ý) cư ờng độ(đơn vịtù y ý) 120 250 2000 Hình 3.10 là phổ XRD của các mẫu được chế tạo với cùng một điều kiện  40 200 150 1500 1000 tỷ lệ mol ZnSO4:SnCl4 là 10:6,25 mmol, tại nhiệt độ 200 oC, thời gian 20 h nhưng  20 100 50 500 có nồng độ NaOH khác nhau. Từ phổ XRD ta thấy các mẫu chế tạo với nồng độ  20 30 40 50 theta (®é) 60 70 20 30 40 50 theta (®é) 60 70 20 30 40 50 60 70 theta (®é) NaOH là 0,5 M thì sản phẩm tạo ra chỉ là SnO2, khi tăng dần nồng độ NaOH tới  giá trị  1 M thì sản phẩm tạo ra chủ yếu là ZTO, nhưng khi nồng độ  NaOH tiếp   50 tục tăng lên thì ZTO sẽ khơng hình thành, thay vào đó là sự xuất hiện của ZnO và   Sn, khi nồng độ NaOH đạt 2,5 M thì sản phẩm chỉ còn lại duy nhất là pha ZnO   Điều này có thể được giải thích thơng qua các phương trình hóa học dưới đây: Sn4+ + 3H2O ↔ H2SnO3 + 4H+ H2SnO3 → SnO2↓ +H2O H+ + OH­ → H2O Khi cho NaOH có nồng độ  0,5 M thì H+ sẽ  chiếm  ưu thế  do  ảnh hưởng  của ion   dẫn đến sự  hình thành H2SnO3, sau một thời gian dưới tác động của  nhiệt độ sẽ làm xuất hiện SnO2 Khi nồng độ NaOH tăng lên đến 1 M thì đầu tiên sản phẩm tạo thành sẽ là  ZnSn(OH)6 và ion Zn2+ sẽ phản ứng với OH­ và tạo thành Zn(OH)4­ khi tăng nhiệt  độ theo thời gian sẽ tạo thành ZTO theo các phương trình sau: Zn2+ + Sn4+ +6OH­ → ZnSn(OH)6 Zn2+ + 4OH­ → Zn(OH)42­ ZnSn(OH)6 + Zn(OH)42­ → Zn2SnO4↓ + 4H2O + 2OH­ Tiếp tục tăng nồng độ  NaOH lên thành 2,5 M thì ZnO sẽ  được tạo thành   theo phương trình phản ứng: Zn(OH)4 → ZnO↓ + H2O + 2OH­ Sn4+ + 6OH­ → Sn(OH)62­ Từ kết quả này ta thấy rằng ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến việc hình  thành pha tinh thể ZTO là rất lớn. Với nồng độ NaOH là 1 M thì phản ứng sẽ kết  tinh ZTO tốt nhất  51 3.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo lên sự hình thành pha tinh thể ZTO Để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ, chúng tơi chế tạo các mẫu ZTO với  tỷ lệ mol ZnSO4:SnCl4 là 10:6,25 mmol, nồng độ NaOH 1 M thủy nhiệt trong thời  gian 20 h nhưng với các nhiệt độ thủy nhiệt khác nhau lần lượt là 140  oC, 160 oC,  180 oC, 200 oC Hình 3  Phổ XRD của các mẫu ZTO chế tạo tại các nhiệt độ khác nhau Hình 3.11 là phổ XRD của các mẫu ZTO chế tạo với cùng điều kiện cơng   nghệ  nhưng tại các nhiệt độ  khác nhau từ  140   oC đến 200  oC. Từ  phổ  XRD ta  thấy các mẫu chế  tạo với cùng điều kiện tỷ  lệ  mol ZnSO4:SnCl4 là 10:6,25  mmol, thời gian thủy nhiệt trong 20 h nhưng nhiệt độ chế tạo khác nhau thì phổ  XRD cũng có sự khác biệt rõ rệt, đối với các mẫu chế tạo ở nhiệt độ thủy nhiệt   140 oC 160 oC và 180 oC thì sản phẩm kết tinh là ZTO và ZnSnO3 nhưng phần lớn  là ZnSnO3  trong khi đó, các mẫu chế  tạo tại nhiệt độ  200  oC chỉ  cho kết tinh  ZTO. Ngun nhân của điều này có thể là do ZTO phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ  thủy nhiệt, tại nhiệt độ cao sự hình thành ZTO được thực hiện qua phản ứng ZnSn(OH)6 + Zn(OH)42­ → Zn2SnO4↓ + 4H2O + 2OH­ Với các mẫu chế tạo tại nhiệt độ thủy nhiệt là 140 oC 160 oC và 180 oC thì  sản phẩm tạo ra là ZnSn(OH)6, tuy nhiên ZnSn(OH)6 khơng bền nên sẽ tiếp tục  phân hủy thành ZnSnO3 theo phương trình sau: ZnSn(OH)6 → ZnSnO3↓ + 3H2O Sau khi khảo sát các quy trình cơng nghệ  khác nhau, chúng tơi nhận thấy  với mẫu chế tạo tại điều kiện nhiệt độ 200 oC, tỷ lệ mol ZnSO4:SnCl4 là 10:6,25  mmol, nồng độ NaOH 1 M với thời gian thủy nhiệt 20 h cho kết quả tốt nhất 52 3.6. Ảnh hưởng của thời gian thủy nhiệt lên sự hình thành pha ZTO Sử   dụng     mẫu   ZTO     chế   tạo   với     điều   kiện   tỷ   lệ   mol  ZnSO4:SnCl4 là 10:6,25 mmol, nồng độ NaOH 1 M, thủy nhiệt tại nhiệt độ 200  oC  nhưng với thời gian thủy nhiệt khác nhau để  khảo sát sự   ảnh hưởng của thời  gian thủy nhiệt đến sự hình thành tinh thể ZTO Hình 3  Phổ XRD của các mẫu ZTO có thời gian chế tạo khác nhau: Hình 3.12 là phổ XRD của các mẫu ZTO được chế tạo với cùng điều kiện   tỷ  lệ  mol ZnSO4:SnCl4  là 10:6,25 mmol, nhiệt độ  thủy nhiệt 200   oC nhưng với  khoảng thời gian thủy nhiệt khác nhau từ 5 h đến 25 h. Các mẫu được thủy nhiệt  trong thời gian từ 15 h đến 25 h chỉ cho kết tinh ZTO. Ta thấy với thời gian chế  tạo là 25 h thì mẫu ZTO kết tinh mạnh nhất, cường độ  các đỉnh nhiễu xạ  trên  nền phơng là lớn hơn cả. Từ  Hình 3.12 ta thấy độ  rộng đỉnh nhiễu xạ  của các   mẫu được chế tạo với các khoảng thời gian khác nhau thay đổi khơng đáng kể Với các mẫu được thủy nhiệt trong khoảng thời gian 10 h và 5 h thì sản  phẩm tạo ra chủ yếu là ZnSnO3. Ban đầu thì sản phẩm tạo ra là ZnSn(OH)6, tuy  nhiên ZnSn(OH)6 khơng bền nên sẽ tiếp tục phân hủy thành ZnSnO3: Zn2++ Sn4+ +6OH­ → ZnSn(OH)6↓ ZnSn(OH)6 → ZnSnO3↓ + 3H2O Nếu tiếp tục tăng thời gian thủy nhiệt lên thì ZnSn(OH)6  tiếp tục chuỗi  phản ứng để tạo thành ZTO: ZnSn(OH)6 + Zn(OH)42­ → Zn2SnO4↓ + 4H2O + 2OH­ Như  vậy chỉ với thời gian thủy nhiệt lớn hơn 15 h thì mẫu thu được mới  là ZTO. Tuy nhiên, với thời gian thủy nhiệt là 15 h thì mẫu thu được vẫn còn lẫn   khá nhiều tạp chất. Các mẫu ZTO được chế tạo với thời gian thủy nhiệt 20 h và  53 25 h đều kết tinh tốt và ít tạp chất. Với thời gian thủy nhiệt càng dài thì mẫu kết  tinh càng mạnh, dẫn đến kích thước hạt tinh thể càng lớn vì thế, để nhận được   mẫu kết tinh với kích thước hạt khơng q lớn thì nên chọn thời gian thủy nhiệt  vào khoảng 20 h Vậy để  sử  dụng phương pháp thủy nhiệt kết tinh tạo ra được các mẫu  ZTO thì cần một khoảng thời gian dài. Sau khi khảo sát sự  hình thành tinh thể   ZTO với thời gian thủy nhiệt khác nhau thì ta thấy rằng mẫu được chế tạo với tỷ  lệ ZnSO4:SnCl4 là 10:6,25 mmol, nồng độ  NaOH 1 M, nhiệt độ thủy nhiệt 200 oC  trong thời gian là 20 h cho ta kết quả tốt nhất Sau khi đã tìm ra điều kiện chế tạo và tỷ lệ tối ưu cho các tiền chất trong  việc chế  tạo mẫu ZTO, chúng tơi đã tiến hành chế  tạo mẫu chuẩn và chuyển   sang giai đoạn nghiên cứu các tính chất của vật liệu này 3.7. Tính chất quang của ZTO Phổ hấp thụ năng lượng UV­Vis Hình 3  Phổ hấp thụ UV – Vis của mẫu ZTO Hình 3.13 là phổ  hấp thụ  UV­Vis của mẫu ZTO chế  tạo tại  điều kiện   nhiệt độ 200 oC, tỷ lệ mol ZnSO4:SnCl4 là 10:6,25 mmol, nồng độ NaOH 1 M với   thời gian thủy nhiệt 20 h. Khảo sát phổ  hấp thụ  của ZTO chúng tơi nhận thấy   ZTO có bờ  hấp thụ  tại bước sóng 341 nm và từ  đồ  thị  sự  phụ  thuộc của (ahν) 2  theo hν, xác định được độ  rộng vùng cấm Eg = 3.62 eV. Kết quả này là phù hợp  so với một số kết quả được cơng bố trên thế giới [14,15,17,19] 54 Phổ huỳnh quang và kích thích huỳnh quang: 327nm b) b) Phổ kích thích hu ỳnh quang của  a) Phổ huỳnh quang ZTO chế tạo ở 20   4000000 3000000 d) Phổ kích thích huỳnh quang của   Cuong (d.v.t.y) c) Phổ huỳnh quang của ZnSnO3 2000000 Hình 3  Phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang của ZTO và ZnSnO3 1000000 Hình 3.14a là phổ huỳnh quang của mẫu ZTO chế tạo tại điều kiện nhiệt  300 độ 200 oC, tỷ lệ mol ZnSO4:SnCl4 là 10:6,25 mmol, n buoc song (nm) ồng độ  NaOH 1 M với thời   350 400 450 500 gian thủy nhiệt 20 h, bước sóng kích thích là 370 nm Hình 3.14b là phổ  kích thích huỳnh quang của mẫu ZTO chế tạo tại điều  kiện nhiệt độ  200 oC, tỷ lệ mol ZnSO4:SnCl4 là 10:6,25 mmol, nồng độ  NaOH 1  M với thời gian 20 h đo tại bước sóng 540 nm Hình 3.14c là phổ  huỳnh quang của ZnSnO3, phổ  huỳnh quang có đỉnh tại  bước sóng 567,5 nm, dựa vào đặc điểm này giúp ta phát hiện ra mẫu chế tạo có  lẫn ZnSnO3 hay khơng. Nhận thấy rằng mẫu ZTO thu được là hồn tồn khơng   lẫn ZnSnO3 Hình 3.14d là phổ  kích thích huỳnh quang của ZnSnO3  chế  tạo tại các  nhiệt độ 140 oC Ta thấy phổ  huỳnh quang xuất hiện hai đỉnh phát quang tại bước sóng   khoảng 596 nm và 662 nm. Cơ  chế  phát quang của ZTO vẫn chưa rõ ràng, đỉnh  huỳnh quang tại vùng ánh sáng cam (596 nm) có khả  năng là do sự  có mặt của  các nút khuyết oxy hoặc sự  điền kẽ  của oxy. Đỉnh huỳnh quang tại vùng ánh  sáng đỏ (662 nm) mà chúng ta quan sát được là do các nút khuyết cation ( VZn, VSn)  gây ra Sự  tương tác giữa các nút khuyết oxy và các nút khuyết cation (Zn 2+ hoặc  Sn4+) tạo ra một loạt các mức năng lượng siêu bền trong vùng cấm, kết quả  là  55 gây ra các tín hiệu huỳnh quang của ZTO tại nhiệt độ  phòng. Do các tương tác    vậy là rất phức tạp nên rất khó để  làm rõ cơ  chế  phát quang một cách chi   tiết Để  tìm hiểu về  ngun nhân tạo ra đỉnh huỳnh quang tại bước sóng 596   nm chúng tơi đã tiến hành khảo sát phổ huỳnh quang của các mẫu được ủ  nhiệt   trong khơng khí tại các nhiệt độ khác nhau Hình 3  Phổ huỳnh quang kích thích tại bước sóng 370 nm của các mẫu được   Hình 3.15 là phổ  huỳnh quang của các mẫu chế  tạo với  điều kiện tỷ  lệ  mol ZnSO4:SnCl4=10:6,25 mmol, nồng độ  NaOH 1 M  nhưng nhiệt độ  chế  tạo  mẫu thay đổi, tại nhiệt độ 140 oC, 160 oC và 180 oC là a1, a2, a3, còn tại 200 oC là  a4. Từ  phổ  huỳnh quang ta thấy đỉnh huỳnh quang tại bước sóng 662 nm khơng  hề thay đổi qua các mẫu tạo ở nhiệt độ 140 oC, 160 oC và 180 oC mà sản phẩm là  ZnSnO3, cũng như ZTO tạo được ở 200 oC. Nhưng khi so sánh đỉnh huỳnh quang  tại bước sóng 596 nm thì dễ  dàng nhận thấy có sự  dịch đỉnh huỳnh quang. Qua  đó ta có thể kết luận sự xuất hiện đỉnh huỳnh quang của ZTO tại bước sóng 596   nm là do ảnh hưởng của ngun tử oxy điền kẽ Trong nhiều tài liệu đã cơng bố  đều chưa khẳng định chắc chắn cơ  chế  phát quang của ZTO tại vùng ánh sáng cam (596 nm). Vấn đề đặt ra là nguồn gốc   của dải bức xạ màu cam là do sự có mặt của các nút khuyết oxy hay các ngun  tử oxy điền kẽ? Để nghiên cứu kỹ hơn vấn đề này chúng tơi đã tiến hành ủ nhiệt   trong khơng khí các mẫu ZTO, từ đó khảo sát phổ huỳnh quang của mẫu sau khi  ủ Mẫu được chế  tạo với điều kiện cơng nghệ: 10 mmol ZnSO4.7H2O, 6,25  mmol ZnCl4.5H2O, NaOH 1 M  nhiệt độ  thủy nhiệt 200  oC, thời gian thủy nhiệt  20 h. Sau đó rửa sạch chia làm 3 phần, ủ nhiệt trong khơng khí tại 700  oC, 900 oC,  và 1100 oC thời gian ủ 4 h, tốc độ tăng nhiệt 50 oC/phút 56 Hình 3  Phổ huỳnh quang của mẫu ZTO sau khi ủ nhiệt ở trong khơng khí Phổ huỳnh quang kích thích tại bước sóng 370 nm của các mẫu ZTO được  ủ trong khơng khí tại các nhiệt độ khác nhau được trình bày trên hình 3.16. Khi so  sánh cường độ  phổ  huỳnh quang của các mẫu  ủ  nhiệt trong khơng khí, có thể  thấy rằng vị trí các đỉnh gần như  khơng thay đổi, nhưng cường độ  huỳnh quang   của các mẫu đã qua  ủ  nhiệt thì tăng lên rõ rệt. Đến đây ta đã có thể  kết luận   được ngun nhân tạo ra đỉnh huỳnh quang màu cam tại bước sóng 596 nm là do    điền kẽ  của các ngun tử  oxy. Thật vậy, khi  ủ  nhiệt trong khơng khí, các   ngun tử oxy khuếch tán từ khơng khí vào mẫu, làm tăng nồng độ các ngun tử  oxy điền kẽ, dẫn đến cường độ đỉnh huỳnh quang tăng lên Phát hiện này khá đặc biệt, vì theo như một số tài liệu tham khảo [11,17],   trong phổ  huỳnh quang của các mẫu ZTO đã qua  ủ  nhiệt trong khơng khí ở  500   C, 600 oC, 700 oC cường độ bức xạ màu xanh ­ xanh lá cây giảm một cách nhanh   o chóng dưới sự gia tăng của nhiệt độ ủ. Điều này được các tác giả giải thích là do   khuếch tán của các ngun tử  oxy từ  khơng khí vào mẫu, khi mẫu được  ủ  trong khơng khí, làm nồng độ  nút khuyết oxy giảm mạnh dẫn đến cường độ  huỳnh quang giảm Để  khẳng định một lần nữa giả  thiết của mình về  nguồn gốc của dải  huỳnh quang màu cam, chúng tơi tiến hành đo phổ huỳnh quang của ZTO ủ trong   khơng khí và trong chân khơng. Nếu PL của mẫu ZTO  ủ  trong chân khơng có  cường độ giảm thì giả thiết của chúng tơi là hợp lý Thực vậy, chúng ta hãy so sánh phổ  huỳnh quang của ZTO khi  ủ  trong   khơng khí và ủ trong chân khơng: Hình 3  Phổ huỳnh quang của mẫu ZTO được ủ ở nhiệt độ 700 oC 57 Hình 3.17 cho thấy khi ủ mẫu trong khơng khí, cường độ đỉnh huỳnh quang  cao hơn hẳn khi ủ trong chân khơng. Đó là do khi ủ trong chân khơng, các ngun  tử oxy khuếch tán từ mẫu ra chân khơng, làm giảm nồng độ  ngun tử  oxy điền  kẽ trong mẫu. Kết quả là cường độ huỳnh quang giảm. Hiện tượng này lại một   lần nữa khẳng định nguồn gốc của đỉnh huỳnh quang tại bước sóng 596 nm là do  sự điền kẽ của ngun tử oxy Khảo  sát tính chất quang chúng tơi thấy rằng các kết quả  thu được về  năng lượng vùng cấm, phổ  huỳnh quang và phổ  Raman là phù hợp với kết quả  của các nhóm nghiên cứu trên thế giới [9,13,14,19] 58 KẾT LUẬN Trong q trình làm luận văn, mặc dù thời gian có hạn nhưng chúng tơi đã   thu được một số kết quả sau: Đã chế  tạo thành cơng tinh thể ZTO bằng phương pháp thủy nhiệt: ZTO   thu được khá tinh khiết, có cấu trúc lập phương tâm mặt, hằng số  mạng a =  (8,647  0,008)  , kích thước hạt tinh thể vào cỡ D = 76,4 nm Å Tìm ra được tỷ lệ tối ưu cho các tiền chất cũng như điều kiện nhiệt độ và  thời gian chế  tạo đối với sự  hình thành pha ZTO. Các tỷ  lệ  và điều kiện đó là  ZnSO4:SnCl4 là 10:6,25 mmol, nồng độ NaOH 1 M, nhiệt độ thủy nhiệt là 200  oC  trong thời gian là 20 h Nghiên cứu được các tính chất quang đặc trưng như: Phổ  huỳnh quang   của các mẫu chế tạo được phát quang với đỉnh tại 596 nm và 662 nm, đỉnh huỳnh   quang tại bước sóng 596 nm được giải thích là do sự điền kẽ của ngun tử oxy.  Phổ hấp thụ quang học UV­Vis cho thấy độ rộng vùng cấm của ZTO bằng 3,62  eV. Phổ tán xạ Raman có đỉnh tán xạ đặc trưng tại 666 cm­1 và 530 cm­1 Đây là những kết quả bước đầu trong việc nghiên các tính chất nói chung   và tính chất quang nói riêng của tinh thể  ZTO, nó là cơ  sở  để  chúng tơi có thể  tiếp tục hướng nghiên cứu về  ZTO nhằm mục đích tìm ra nhiều  ứng dụng của   ZTO trong cơng nghệ năng lượng theo hướng phát triển bền vững, thân thiện với  mơi trường 59 Các kết quả chính của luận văn đã được báo cáo tại hội nghị: Nguyễn   Duy   Thiện,   Nguyễn   Ngọc   Tú,   Ngô   Như   Việt,   Nguyễn   Duy  Phương, Nguyễn Ngọc Long, Lê  Văn Vũ, “CHẾ  TẠO VÀ KHẢO SÁT  TÍNH   CHẤT   QUANG   CỦA   TINH   THỂ NANO   KẼM   STANAT  (Zn2SnO4)”, Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần   thứ 8 (SPMS­2013) – Thái Ngun 4­6/11/2013 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Ngọc Long (2007), Vật lý chất rắn, NXB ĐHQGHN, Hà Nội Nguyễn Thế  Khơi, Nguyễn Hữu Mình (1992), Giáo trình Vật lý chất rắn,  Nhà xuất bản giáo dục Lê Văn Vũ (2004), Cấu trúc vật liệu, Giáo trình dành cho sinh viên ngành  Khoa học Vật liệu Tiếng Anh Alagapan  Annamalai, Daniel Cavalho, K.C. Wilson, Man­Jong Lee (2010),  “Properties   of   hydrothermally   synthesized   Zn2SnO4  nanoparticles   using  Na2CO3  as a novel mineralizer”,  Materials Characterization  61, pp. 873 –  881 Bing   Tan,   Elizabeth   Toman,   Yanguang   Li,   Yiying   Wu   (2007),   “Zinc  Stannate (Zn2SnO4) Dye­Sensitized Solar Cells”, Communications, Published  on Web 03/20/2007 Christina Pang, Bin Yan, Lei Liao, BoLiu, ZheZheng, TomWu, Handong  Sun   and   Ting   Yu   (2010),   “Synthesis,   characterization   and   opto­electrical  properties  of  ternary Zn2SnO4  nanowires”,  Nanotechnology  21,  465706 (4  pp.) Elizabeth Toman  (2007),  ZnO & Zn2SnO4  Dye Sensitized Solar Cells, the  Requirements for graduation with research distinction in the undergraduate  colleges of The Ohio State University, The Ohio State University G.Sarala Devi  and H.Z. R Hamoon (2012), “Zn2SnO4: A Suitable Material  for Liquid Petroleum Gas (LPG) Detection”, Inorganic Chemistry, pp. 772­ 773 Hsiu­Fen  Lin,   Shi­Chieh   Liao,   Sung­Wei   Hung,   Chen­Ti   Hua   (2009),  “Materials Chemistry and Physics”, Materials Chemistry and Physics, pp. 9­ 13 10 Jian­Wei   Zhao,   Li­Rong   Qin,   Li­De   Zhang   (2007),   “Single­crystalline  Zn2SnO4  hexangular microprisms: Fabrication, characterization and optical  properties”, Solid State Communications 141, pp. 663–666 11 J.X. Wang, S.S. Xie, H.J. Yuan, X.Q. Yan, D.F. Liu, Y. Gao, Z.P. Zhou, L.  Song,   L.F   Liu,   X.W   Zhao,   X.Y   Dou,   W.Y   Zhou,   G   Wang   (2004),  “Synthesis,   structure,   and   photoluminescence   of   Zn 2SnO4  single­crystal  nanobelts and nanorings”, Solid State Communications 131, pp. 435–440 12 J.X. Wang, S.S. Xie, Y. Gao, X.Q. Yan, D.F. Liu, H.J. Yuan, Z.P. Zhou, L.  Song, L.F. Liu, W.Y. Zhou, G. Wang (2004), “Growth and characterization  of   axially   periodic   Zn2SnO4  (ZTO)   nanostructures”,  Journal   of   Crystal   Growth 267, pp. 177–183 13 Lisheng Wang, Xiaozhong Zhang, Xing Liao and Weiguo Yang (2005), “A  simple   method   to   synthesize   single­crystalline   Zn2SnO4  (ZTO)   nanowires  and their photoluminescence properties”, Nanotechnology 16, pp. 2928­2931 14 Mario A. Alpuche­Aviles, Yiying Wu  (2009), “Photoelectrochemical Study  of the Band Structure of Zn2SnO4  Prepared by the Hydrothermal Method”,  Journal of the  American Chemical Society,  J. Am. Chem. Soc  131  (9), pp.  3216 – 3224 15 Myung­Jin Kim, Seong­Hun Park, Young­Duk Huh (2011), “Photocatalytic  Activities   of   Hydrothermally   Synthesized   Zn2SnO4”,  Bull   Korean   Chem   Soc. 32, No. 5, pp. 1757­1760 16 M.R.Nishantha  and V.P.S.Perera (2010), “Composite Photoelectrode Made  from   Oxides   of   Tin   and   Zinc   with   Zinc   Stannate   Buffer   Layer   for   Dye­ Sensitized Solar Cells”, Proceedings of the Technical Sessions 26, pp. 61­65.  17 Q.R.Hu,   P.Jiang,   H.Xu,   Y.Zhang,   S.L.Wang,   X.Jia,W.H.Tang   (2009),  “Synthesis   and   photoluminescence   of   Zn2SnO4  nanowires”,  Journal   of  Alloys and Compounds 484, pp. 25–27 18 R. Deng, X.T. Zhang (2008), “Effect of Sn concentration on structural and  optical properties of zinc oxide nanobelts”, Journal of Luminescence 128, pp.  1442–1446 19 Sunandan Baruah and Joydeep Dutta (2011), “Hydrothermal growth of ZnO  Nanostructures”, Sci. Technol. Adv. Mater. 12, 013004 (18 pp.) 20 Thomas Lehnen, David Zopes and Sanjay Mathur (2012), “Phase­selective  microwave   synthesis   and   inkjet   printing   applications   of   Zn 2SnO4  (ZTO)  quantum dots”, Journal of Materials Chemistry 22, pp. 17732–17736 21 Xiangdong Lou, Xiaohua Jia, Jiaqiang Xu, Shuangzhi Liu, Qiaohuan Gao  (2006),   “Hydrothermal   synthesis,   characterization   and   photocatalytic  properties of Zn2SnO4  nanocrystal”,  Materials Science and Engineering  A  432, pp. 221­225 22 Xianliang   Fu,   Xuxu   Wang,   Jinlin   Long,   Zhengxin   Ding,   Tingjiang   Yan,  Guoying   Zhang,   Zizhong   Zhang,   Huaxiang   Lin,   Xianzhi   Fu   (2009),  “Hydrothermal synthesis, characterization, and photocatalytic properties of  Zn2SnO4”, Journal of Solid State Chemistry 182, pp. 517­524 ... TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ NGUYỄN NGỌC TÚ CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO Zn2SnO4 Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC...  trên bất cứ  một cơng trình nghiên cứu nào của người  khác. Kết quả của luận văn được thực hiện theo hướng nghiên cứu trong đề  tài  "NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU HUỲNH QUANG PHA  ... Trên cơ sở đó, chúng tơi đã lựa chọn và thực hiện nội dung luận văn của   mình với tên gọi  Chế tạo và nghiên cứu tính chất của vật liệu nano Zn2SnO4 .  Trong luận văn này, chúng tơi sử dụng phương pháp thủy nhiệt để

Ngày đăng: 17/01/2020, 13:34

Từ khóa liên quan

Mục lục

  • CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ZTO

    • 1.2. Tính chất quang

    • 1.3. Tính chất quang xúc tác

    • 1.4. Ứng dụng

    • 1.5. Một số phương pháp thực nghiệm chế tạo ZTO

    • 1.6. Các cơ chế hấp thụ và phát quang

      • 1.6.1. Cơ chế hấp thụ quang

      • 1.6.2. Cơ chế phát quang

      • CHƯƠNG 2 - CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM

        • 2.1. Phương pháp thủy nhiệt chế tạo ZTO

        • 2.2. Các phương pháp phân tích

          • 2.2.1. Phân tích cấu trúc bằng phổ nhiễu xạ tia X

          • 2.2.2. Phép đo huỳnh quang

          • 2.2.3. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)

          • 2.2.4. Phổ hấp thụ quang học (UV – Vis)

          • 2.2.5. Phép đo phổ tán xạ Raman

          • CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

            • 3.1. Cấu trúc và hình thái ZTO

              • 3.1.1. Phổ XRD, phổ tán sắc năng lượng (EDS) và phổ tán xạ Raman

              • 3.1.2. Tính hằng số mạng a

              • 3.1.3. Tính kích thước hạt tinh thể

              • 3.2. Ảnh SEM của mẫu ZTO được chế tạo

              • 3.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Zn/Sn lên sự hình thành pha ZTO

              • 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH lên sự hình thành pha ZTO

              • 3.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo lên sự hình thành pha tinh thể ZTO

              • 3.6. Ảnh hưởng của thời gian thủy nhiệt lên sự hình thành pha ZTO

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan