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.
Trang 1Đ I H C QU C GIA HÀ N I Ạ Ọ Ố Ộ
TR ƯỜ NG Đ I H C KHOA H C T NHIÊN Ạ Ọ Ọ Ự
NGUY N NG C TÚ Ễ Ọ
CH T O VÀ NGHIÊN C U TÍNH CH T C A V T LI U NANO Ế Ạ Ứ Ấ Ủ Ậ Ệ
Zn2SnO4
Trang 2Hà N i 2014 ộ
Trang 3Đ I H C QU C GIA HÀ N I Ạ Ọ Ố Ộ
TR ƯỜ NG Đ I H C KHOA H C T NHIÊN Ạ Ọ Ọ Ự
Trang 4L I CAM ĐOANỜ
Nh ng k t qu đữ ế ả ược th hi n trong lu n văn là nh ng k t qu lao đ ngể ệ ậ ữ ế ả ộ
c a b n thân, các k t qu này đã đủ ả ế ả ược tôi tìm ra trong quá trình làm vi c và h cệ ọ
t p t i Trung tâm Khoa h c V t li u trậ ạ ọ ậ ệ ường Đ i h c Khoa h c T nhiên – Đ iạ ọ ọ ự ạ
h c Qu c gia Hà N i t tháng 07 năm 2013 đ n tháng 12 năm 2013. Các k t quọ ố ộ ừ ế ế ả này ch a đư ược công b trên b t c m t công trình nghiên c u nào c a ngố ấ ứ ộ ứ ủ ườ ikhác. K t qu c a lu n văn đế ả ủ ậ ược th c hi n theo hự ệ ướng nghiên c u trong đ tàiứ ề
"NGHIÊN C U CH T O VÀ TÍNH CH T C A V T LI U HU NH QUANG PHAỨ Ế Ạ Ấ Ủ Ậ Ệ Ỳ
Đ T HI M TRÊN C SẤ Ế Ơ Ở LaPO4, Zn2SnO4, Mã số QGTĐ 13.04. M t s k t quộ ố ế ả
c a lu n văn đủ ậ ược th c hi n trên các thi t b c a D án Khoa h c và Công nghự ệ ế ị ủ ự ọ ệ Nano, Đ i h c Qu c gia Hà N i.ạ ọ ố ộ
Trang 5L I C M NỜ Ả Ơ
Trước khi trình bày n i dung chính c a lu n văn, tôi xin bày t lòng bi tộ ủ ậ ỏ ế
n sâu s c t i TS. Nguy n Duy Ph ng – gi ng viên H c vi n K thu t M t mã
và PGS.TS. Nguy n Ng c Long Trung tâm Khoa h c V t li u Trễ ọ ọ ậ ệ ường Đ iạ
h c Khoa h c T nhiên, nh ng ngọ ọ ự ữ ười đã t n tình hậ ướng d n tôi th c hi n n iẫ ự ệ ộ dung lu n văn. Cùng toàn th các th y cô giáo trong khoa V t lý, th y cô trong bậ ể ầ ậ ầ ộ môn V t lý Ch t r n Trậ ấ ắ ường Đ i h c Khoa h c T nhiên, Đ i h c Qu c giaạ ọ ọ ự ạ ọ ố
Hà N i đã d y b o tôi t n tình trong su t quá trình h c t p t i trộ ạ ả ậ ố ọ ậ ạ ường
Tôi xin c m n các th y cô c a Trung tâm Khoa h c V t li u – Trả ơ ầ ủ ọ ậ ệ ườ ng
Đ i h c Khoa h c T nhiên, đã t o đi u ki n thu n l i nh t cho tôi trong quáạ ọ ọ ự ạ ề ệ ậ ợ ấ trình t o m u và phân tích m u. C m n ThS. Nguy n Duy Thi n – ngạ ẫ ẫ ả ơ ễ ệ ười mà tôi
đã h c h i đọ ỏ ượ ấc r t nhi u k năng quan tr ng trong quá trình làm thí nghi m.ề ỹ ọ ệ
Tôi xin chân thành c m n đ tài ả ơ ề "NGHIÊN C U CH T O VÀ TÍNH CH TỨ Ế Ạ Ấ
C A V T LI U HU NH QUANG PHA Đ T HI M TRÊN C SỦ Ậ Ệ Ỳ Ấ Ế Ơ Ở LaPO4, Zn2SnO4,
Mã s ốQGTĐ 13.04
Nhân d p này tôi cũng xin đị ược g i l i c m n chân thành t i gia đình,ử ờ ả ơ ớ
b n bè, đ ng nghi p đã luôn bên tôi, c vũ, đ ng viên, giúp đ tôi trong trong quáạ ồ ệ ổ ộ ỡ trình làm lu n văn này.ậ
Tác gi lu n vănả ậ
Nguy n Ng c Túễ ọ
Trang 6M C L CỤ Ụ
Trang 7DANH M C HÌNH NHỤ Ả
Trang 8DANH M C B NG BI UỤ Ả Ể
Trang 9L I NÓI Đ UỜ Ầ
Hi n nay v t li u bán d n oxit vùng c m r ng ngày càng đệ ậ ệ ẫ ấ ộ ượ ậc t p trung nghiên c u m r ng đ có th phát tri n các ng d ng trong m t s lĩnh v c màứ ở ộ ể ể ể ứ ụ ộ ố ự các v t li u bán d n truy n th ng (Si, GaAs, Ge) b h n ch Các v t li u có đậ ệ ẫ ề ố ị ạ ế ậ ệ ộ
r ng vùng c m l n nh TiOộ ấ ớ ư 2, ZTO, ZnO r t đấ ược quan tâm, trong đó v t li uậ ệ ZTO có nhi u u th về ư ế ượt tr i vì có nhi u tính ch t v t lý thích h p, là ch t xúcộ ề ấ ậ ợ ấ tác quang làm m t màu thu c nhu m, ch t o các đi n c c trong su t cho pinấ ố ộ ế ạ ệ ự ố
m t tr i, đi n c c c a pin Liion, làm c m bi n nh y khí, chíp nh đi n trặ ờ ệ ự ủ ả ế ạ ớ ệ ở (memristor hay resistive random access memory RRAM b nh truy xu t ng uộ ớ ấ ẫ nhiên d a trên đi n tr ). Do có tính trong su t, memristor ZTO có th có nhi uự ệ ở ố ể ề
ng d ng r ng rãi khác nh ch t o các t m panel cho màn hình, các t m phim
transistor siêu m ng, màn hình xuyên th u. ỏ ấ
V t li u k m stannate (Znậ ệ ẽ 2SnO4) thường g i là ZTO thu c nhóm v t li uọ ộ ậ ệ
AIIBIVO4 [3]. Đây là v t li u bán d n vùng c m r ng, đ r ng vùng c m ph bi nậ ệ ẫ ấ ộ ộ ộ ấ ổ ế
c a chúng là 3,6 – 3,7 eV nh ng cũng có khi lên t i 4,1 – 4,2 eV [9,14]. ZTO có đủ ư ớ ộ linh đ ng đi n t cao và nhi u đ c tính quang h c h p d n. Đi u đó khi n chúngộ ệ ử ề ặ ọ ấ ẫ ề ế
có ph m vi ng d ng r ng rãi trong nhi u lĩnh v c nh trong pin m t tr i [7,14],ạ ứ ụ ộ ề ự ư ặ ờ làm sensor phát hi n đ m và các lo i khí ga d cháy [8], làm đi n c c âm choệ ộ ẩ ạ ễ ệ ự pin Li – ion và làm ch t quang xúc tác phá h y các ch t h u c ô nhi m, các ch tấ ủ ấ ữ ơ ễ ấ
m u công nghi p [9,15]. So v i các lo i oxit hai thành ph n, các lo i oxit baầ ệ ớ ạ ầ ạ thành ph n nh ZTO có tr ng thái b n v ng h n nên chúng đầ ư ạ ề ữ ơ ược xem là r t lýấ
tưởng cho vi c ng d ng trong các đi u ki n kh c nghi t nh làm ch t ch ngệ ứ ụ ề ệ ắ ệ ư ấ ố cháy và ch t c ch khói.ấ ứ ế
Hi n nay trên th gi i có nhi u nhóm nghiên c u v v t li u ZTO, tuyệ ế ớ ề ứ ề ậ ệ nhiên các nghiên c u thứ ường ch t p trung vào s n ph m t o ra và nghiên c uỉ ậ ả ẩ ạ ứ
kh năng ng d ng v t li u nh m nâng cao hi u su t ch t lả ứ ụ ậ ệ ằ ệ ấ ấ ượng c a pin m tủ ặ
tr i, mà ch a có nhi u nghiên c u v quá trình hình thành và phát tri n v t li u,ờ ư ề ứ ề ể ậ ệ
Trang 10v t i u hóa quy trình công ngh , ngu n g c các tính ch t đ c tr ng c a v tề ố ư ệ ồ ố ấ ặ ư ủ ậ
li u, các nghiên c u v đ ng h c th y nhi t v n còn khá s khai.ệ ứ ề ộ ọ ủ ệ ẫ ơ
Đ có th đ a ZTO vào ng d ng r ng rãi trong k thu t và cu c s ng thìể ể ư ứ ụ ộ ỹ ậ ộ ố trong công ngh ch t o c n s d ng các ti n ch t d tìm và chi phí trong quáệ ế ạ ầ ử ụ ề ấ ễ trình ch t o ph i h p lý. Do đó vi c nghiên c u và ch t o th nghi m ZTO v iế ạ ả ợ ệ ứ ế ạ ử ệ ớ
nh ng v t li u và hóa ch t phù h p v i đi u ki n c s v t ch t Vi t Nam làữ ậ ệ ấ ợ ớ ề ệ ơ ở ậ ấ ở ệ
c n thi t. ầ ế
Trên c s đó, chúng tôi đã l a ch n và th c hi n n i dung lu n văn c aơ ở ự ọ ự ệ ộ ậ ủ mình v i tên g i “ớ ọ Ch t o và nghiên c u tính ch t c a v t li u nano ế ạ ứ ấ ủ ậ ệ Zn 2 SnO 4”. Trong lu n văn này, chúng tôi s d ng phậ ử ụ ương pháp th y nhi t đ t ng h p cácủ ệ ể ổ ợ tinh th nano k m stannate (ZTO). Nghiên c u c a chúng tôi t p trung vào vi cể ẽ ứ ủ ậ ệ
kh o sát nh hả ả ưởng c a các y u t công ngh nh t l mol các hóa ch t banủ ế ố ệ ư ỷ ệ ấ
đ u, nhi t đ ph n ng và th i gian ph n ng lên quá trình hình thành và chuy nầ ệ ộ ả ứ ờ ả ứ ể
đ i pha, cũng nh các tính ch t quang đ c tr ng c a Znổ ư ấ ặ ư ủ 2SnO4. Thu c tính c uộ ấ trúc và quang h c c a các m u ch t o ra đã đọ ủ ẫ ế ạ ược nghiên c u b i m t s phépứ ở ộ ố
đo nh nhi u x tia X (XRD), ph h p th quang h c UVVis, quang ph hu như ễ ạ ổ ấ ụ ọ ổ ỳ quang và ph tán x Raman. ổ ạ
Ngoài ph n m đ u, k t lu n và tài li u tham kh o, lu n văn đầ ở ầ ế ậ ệ ả ậ ược chia làm ba chương:
Chương 1: T NG QUAN V V T LI U ZTOỔ Ề Ậ Ệ
Trong chương này, chúng tôi s trình bày v c u trúc, hình thái, m t sẽ ề ấ ộ ố tính ch t c a v t li u ZTO, cũng nh các ng d ng c a v t li u này trong đ iấ ủ ậ ệ ư ứ ụ ủ ậ ệ ờ
s ng. ố
Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ K THU T TH C NGHI MỸ Ậ Ự Ệ
Trình bày m t s phộ ố ương pháp th c nghi m ch t o tinh th ZTO,ự ệ ế ạ ể
phương pháp mà chúng tôi đã s d ng và các phử ụ ương pháp k thu t đỹ ậ ược sử
Trang 11d ng đ phân tích, kh o sát tính ch t, hình thái h c c a tinh th ZTO đi u chụ ể ả ấ ọ ủ ể ề ế
được.
Chương 3: K T QU VÀ TH O LU NẾ Ả Ả Ậ
Phân tích, kh o sát các k t qu thu đả ế ả ượ ừc t các phép đo ph nhi u x tiaổ ễ ạ
X (XRD), nh hi n vi đi n t quét (SEM), ph h p th quang h c UVVis, phả ể ệ ử ổ ấ ụ ọ ổ tán x Raman, ph hu nh quang (PL). T đó rút ra các v n đ c n chú ý, quyạ ổ ỳ ừ ấ ề ầ trình ch t o t t nh t đ đ nh hế ạ ố ấ ể ị ướng cho các nghiên c u ti p theo. ứ ế
Trang 12CHƯƠNG 1 T NG QUAN V V T LI U ZTOỔ Ề Ậ Ệ
ZTO thu c nhóm v t li u Aộ ậ ệ IIBIVO4 [2] có nhi u tính ch t n i b t nh : Đề ấ ổ ậ ư ộ
r ng vùng c m l n (c 3,6 eV), có đ linh đ ng đi n t cao, nhi u đ c tínhộ ấ ớ ỡ ộ ộ ệ ử ề ặ quang h c h p d n. Dọ ấ ẫ ưới đây là nh ng tìm hi u c a chúng tôi v c u trúc v tữ ể ủ ề ấ ậ
ta th y ZTO có các đ nh nhi u x (111), (220), (311), (222), (400), (442) , (511),ấ ỉ ễ ạ (440) và (531) l n lầ ượ ạ ịt t i v trí các góc nhi u x là 17,8ễ ạ o; 29,2o; 34,4o; 35,9o; 41,7o; 51,6o; 55,1o; 60,4o và 63,4o [4,19,21]
Trang 13Hình 1 C u trúc l p ph ng c a tinh th ZTO [12] ấ ậ ươ ủ ể
Trong m t ô c s có 16 nguyên t Oxy, 8 nguyên t Zn và 4 nguyên t Snộ ơ ở ử ử ử [12,19]
Ph tán x Raman:ổ ạ
Hình 1.3 là ph Raman c a dây nano ZTO nhi t đ phòng. S d ch đ nhổ ủ ở ệ ộ ự ị ỉ Raman t i 669 cmạ 1 và 528 cm1 ng v i các đ nh ZTO đi n hình. Đ nh Raman t iứ ớ ỉ ể ỉ ạ
528 cm1 được m r ng và chia thành 2 đ nh 522 cmở ộ ỉ 1 và 532 cm1, đi u này đề ượ c
gi i thích là do nh hả ả ưởng c a kích thủ ước v t li u nano ho c là do nguyên tậ ệ ặ ử oxy hay khuy t t t khác gây nên [12,13,18].ế ậ
Trang 14Qua nhi u bài báo khoa h c đã đề ọ ược công b cho th y hình thái c a v tố ấ ủ ậ
li u ZTO r t đa d ng, chúng có th là các h t nano, các dây nano hay các thanhệ ấ ạ ể ạ nano, tùy thu c vào phộ ương pháp ch t o. Các h t nano tinh th ZTO ch y uế ạ ạ ể ủ ế
được ch t o b ng phế ạ ằ ương pháp th y nhi t, các dây nano ZTO đủ ệ ược ch t oế ạ
b ng phằ ương pháp b c bay nhi t, nhi t plasma.ố ệ ệ
[19]
Hình 1.4 là nh TEM c a các tinh th nano ZTO ả ủ ể được ch t o b ngế ạ ằ
phương pháp th y nhi tủ ệ , ta th y kích thấ ước h t thay đ i t vài trăm nm (hìnhạ ổ ừ 1.4a [19]) đ n vài ch c nm ho c nh h n nh hình 1.4b [15]. ế ụ ặ ỏ ơ ư
Trang 15Hình 1.5 là nh SEM c a các dây nano ZTO đả ủ ượ ổc t ng h pợ b ng ằ phươ ngpháp l ng đ ng h i hóa h c đ n gi n, b ng cách nung nóng h n h p b t kimắ ọ ơ ọ ơ ả ằ ỗ ợ ộ
lo i Zn và Sn nhi t đ 800 ạ ở ệ ộ oC – 900 oC. Hình 1.5a là nh SEM c a m u đả ủ ẫ ượ c
t o ra trên n n Si, các dây nano phân b r ng trên toàn b b m t Si, các s i dâyạ ề ố ộ ộ ề ặ ợ nano có chi u dài lên đ n vài ch c μm. Hình 1.5b cho th y các dây nano có bề ế ụ ấ ề
m t tr n nh n và có đặ ơ ẵ ường kính đi n hình ể vào kho ng 100 nm 150 nm.ả
Hình 1.6 là nh TEM c a các thanh nano và các tinh th nano ZTO đả ủ ể ượ c
ch t o b ng phế ạ ằ ương pháp th y nhi t, v i vi c s d ng Nủ ệ ớ ệ ử ụ 2H4.H2O làm ch tấ
ki m thay vì s d ng NaOH hay NHề ử ụ 3.H2O. Thanh nano ZTO được ch t o v i tế ạ ớ ỷ
l là ZnClệ 2:SnCl4:N2H4.H2O = 2:1:8, th y nhi t nhi t đ 250 ủ ệ ở ệ ộ oC trong th i gianờ
Trang 1624 h. Hình 1.6a là nh TEM có đ phân gi i th p c a m u ZTO, ta th y các thanhả ộ ả ấ ủ ẫ ấ nano đ ng nh t. Hình 1.6b, 1.6c là nh TEM phân gi i cao c a m t vài thanhồ ấ ả ả ủ ộ nano, ta th y các thanh nano có đấ ường kính t 2 nm đ n 4 nm và dài kho ng 20ừ ế ả
nm. Hình 1.6d là nh TEM c a tinh th nano ZTO.ả ủ ể
1.2. Tính ch t quangấ
Tính ch t quang c a v t li u nano ZTO ch a đấ ủ ậ ệ ư ược nghiên c u sâu, m t sứ ộ ố công b cho th y v t li u nano ZTO có đ r ng vùng c m (Eố ấ ậ ệ ộ ộ ấ g) ph bi n là 3,7ổ ế
eV tuy nhiên cũng có khi là 3,2 eV ho c 3,86 eV hay 4,1 eV, tùy theo khích thặ ướ c
c a h t nano ZTO [9,14,15]. ZTOủ ạ phát hu nh quang trong vùng bỳ ước sóng 550 nm
đ n 630 nm.ế
Đ xác đ nh đ r ng vùng c m c a bán d n vùng c m th ng, ngể ị ộ ộ ấ ủ ẫ ấ ẳ ười ta
thường dùng phương pháp đo ph h p th c a các m u v t li u.ổ ấ ụ ủ ẫ ậ ệ
Ph h p th :ổ ấ ụ
Hình 1.7a là đ th s ph thu c c a vào c a ZTO, ta th y r ng ZTO cóồ ị ự ụ ộ ủ ủ ấ ằ
đ r ng vùng c m là 3,7 eV [4,19,22]. Hình 1.7b là đ th s ph thu c c a vàoộ ộ ấ ồ ị ự ụ ộ ủ
c a các m u ZTO n ng đ NaOH khác nhau, ta th y đ r ng vùng c m c a ZTOủ ẫ ồ ộ ấ ộ ộ ấ ủ
có th l n h n 3,7 eV.ể ớ ơ
Trang 17550 nm. Đi u này đề ược gi i thích là do các nút khuy t oxy trong ZnO và SnOả ế 2
gây ra. Các tâm phát x ánh sáng c a ZTO đạ ủ ược hình thành trong quá trình th yủ nhi t. Trong m t s trệ ộ ố ường h p ph hu nh quang c a ZTO tách thành 2 đ nh v iợ ổ ỳ ủ ỉ ớ
bước sóng l n lầ ượt là 606,8 nm và đ nh 630,1 nm nh trong hình 1.8b. Đi u nàyỉ ư ề
được gi i thích là do nút khuy t oxy gây nên [17].ả ế
Trong m t s báo cáo, khi đo hu nh quang c a ZTO t i nhi t đ phòng, taộ ố ỳ ủ ạ ệ ộ
th y xu t hi n m t đ nh phát x UV t i 390 nm, m t đ nh phát x màu xanh láấ ấ ệ ộ ỉ ạ ạ ộ ỉ ạ cây t i 577,5 nm, các đ nh màu cam đ t i 651,4 và 671,1 nm nh trong hình 1.9.ạ ỉ ỏ ạ ư Các tâm phát x ánh sáng vùng kh ki n đạ ả ế ược cho là do khuy t t t c a tinh th ,ế ậ ủ ể các nút khuy t oxy và s đi n k Zn trong quá trình t ng h p ZTO [9].ế ự ề ẽ ổ ợ
Trang 18Hình 1 Ph ổ huỳnh quang PL của ZTO tại nhi t đ phòng [9 ệ ộ ].
1.3. Tính ch t quang xúc tácấ
Tính ch t quang hóa c a ZTO đấ ủ ược đánh giá qua s m t màu c a lo iự ấ ủ ạ
ch t màu hòa tan trong nấ ước. C ch h p th chung c a bán d n vùng c m r ngơ ế ấ ụ ủ ẫ ấ ộ (bao g m c ZTO) đồ ả ược tóm t t theo các phắ ương trình sau:
Trang 19Hình 1 Ph ổ hấp th ụ của ch t màu MO pha thêm ZTO ấ
Hình 1.10 là ph h p th c a ch t màu MO (methyl orange) pha thêm b tổ ấ ụ ủ ấ ộ ZTO v i các kho ng th i gian khác nhau. Cho b t ZTO vào ch t màu (MO), đớ ả ờ ộ ấ ể trong m t kho ng th i gian. Khi đo ph h p th c a MO ta th y c 20 phút đ nhộ ả ờ ổ ấ ụ ủ ấ ứ ỉ
h p th c a MO gi m d n. Sau m t kho ng th i gian kho ng 100 phút thì đ nhấ ụ ủ ả ầ ộ ả ờ ả ỉ
h p th c a ch t màu MO g n nh bi n m t. Đi u đó nghĩa là ch t màu MO đãấ ụ ủ ấ ầ ư ế ấ ề ấ
b ZTO phá h y c u trúc.ị ủ ấ
1.4. ng d ngỨ ụ
Ngày nay công ngh nano phát tri n, ngệ ể ười ta quay tr l i nghiên c u cácở ạ ứ
lo i oxit 3 thành ph n, trong đó có ZTO. Do có c u trúc b n v ng, có đ linhạ ầ ấ ề ữ ộ
đ ng đi n t cao và nhi u đ c tính quang h c h p d n nên ZTO độ ệ ử ề ặ ọ ấ ẫ ượ ức ng d ngụ
r ng rãi trong nhi u lĩnh v c cu c s ng. Ví d nh :ộ ề ự ộ ố ụ ư
Trang 20 Làm sensor phát hi n đ m, khí gas [8,19]:ệ ộ ẩ
Hình 1.11a là đ nh y c a c m bi n khí ZTO v i các khí khác nhau. Hìnhộ ạ ủ ả ế ớ 1.11b là đường cong chu trình c a sensor đủ ược ch t o t v t li u nano (a1) vàế ạ ừ ậ ệ
v t li u kh i (a2) ZTO, khi khí xung quanh đậ ệ ố ược chuy n đ i gi a không khí vàể ổ ữ
200 ppm ethanol. Các sensor có th phát hi n khí ethanol xu ng t i 200 ppm v iể ệ ố ớ ớ nhi t đ lên t i 250 ệ ộ ớ oC. Đi n tr thay đ i g p 9 l n khi ti p xúc v i khí, v iệ ở ổ ấ ầ ế ớ ớ kho ng th i gian ph c h i là hàng ch c giây. Ngay c sau 100 l n l p l i cũngả ờ ụ ồ ụ ả ầ ặ ạ không có s thay đ i l n trong tín hi u quan sát đự ổ ớ ệ ược, đi u đó cho th y đ nh yề ấ ộ ạ
t t, ph n ng nhanh và đ b n cao c a sensor.ố ả ứ ộ ề ủ
Ch t o pin m t tr i DSSCs:ế ạ ặ ờ
Hi n nay pin m t tr i h u c đang thu hút s quan tâm c a gi i khoa h c,ệ ặ ờ ữ ơ ự ủ ớ ọ trong quá trình s d ng nó không sinh ra khí nhà kính hay gây ra các hi u ng tiêuử ụ ệ ứ
c c t i khí h u toàn c u. ự ớ ậ ầ
u đi m c a pin m t tr i DSSCs làm t v t li u có c u trúc nano:
Th nh t: Pin có hi u su t khá cao và đứ ấ ệ ấ ược ch t o t nh ng v t li u rế ạ ừ ữ ậ ệ ẻ
ti n, v i giá thành s n xu t th p và tiêu t n ít năng lề ớ ả ấ ấ ố ượng
Trang 21Th hai: Vứ ượ ượt đ c hi u su t chuy n đ i năng lệ ấ ể ổ ượng gi i h n, tính theoớ ạ
lý thuy t đ i v i pin chuy n ti p p n truy n th ng (31%).ế ố ớ ể ế ề ố
Hình 1.12 là c u t o c a pin m t tr i v i đi n c c ZTO. Anot g m đấ ạ ủ ặ ờ ớ ệ ự ồ ế
th y tinh d n đi n (ITO), trên đó là m t l p màng ZTO đ c ch c, k ti p là l pủ ẫ ệ ộ ớ ặ ắ ế ế ớ ZTO x p. Trên b m t c a màng ZTO x p đố ề ặ ủ ố ược th m m t l p ch t màu. Bấ ộ ớ ấ ề
m t x p c a ZTO cho phép h p ph đ m t lặ ố ủ ấ ụ ủ ộ ượng l n phân t ch t màu choớ ử ấ
hi u su t thu ánh sáng. Các phân t ch t màu thệ ấ ử ấ ường là ph c ruthenium. Catotứ
g m m t đ ITO đồ ộ ế ược ph m t l p platin. Gi a anot và catot là m t l p ch tủ ộ ớ ữ ộ ớ ấ
đi n ly l ng có th th m vào màng x p ZTO. C p kh iodide/triiodide đệ ỏ ể ấ ố ặ ử ượ ử c s
d ng ph bi n nh t. Trong cùng đi u ki n làm vi c thì pin m t tr i ZTO choụ ổ ế ấ ề ệ ệ ặ ờ
đi n th h m ch cao h n so v i TiOệ ế ở ạ ơ ớ 2 tuy nhiên xét t ng th thì hi u su t v nổ ể ệ ấ ẫ không b ng do kh năng chuy n đ i photon là th p h n ằ ả ể ổ ấ ơ [5,7,16,22]
1.5. M t s phộ ố ương pháp th c nghi m ch t o ZTOự ệ ế ạ
Phương pháp b c bay nhi t trong chân không:ố ệ
B c bay nhi t trong chân khôngố ệ là k thu tỹ ậ t oạ màng m ngỏ b ng cáchằ bay
h iơ các v t li uậ ệ c n t o trong môi trầ ạ ườ chân không cao và ng ng tng ư ụ trên đ ế
Trang 22B ph n chính c a các thi t b bay b c nhi t là m t bu ngộ ậ ủ ế ị ố ệ ộ ồ chân không được hút chân không cao (c 10ỡ 5 106 Torr) nh cácờ b m chân khôngơ (b m khu chơ ế tán ho cặ b m phân tơ ử ). Người ta dùng m t thuy nộ ề đi n trệ ở (thường làm b ngằ các v t li u ch u nhi t và ít tậ ệ ị ệ ương tác v i v t li u, ví dớ ậ ệ ụ như vônphram, tantan, b ch kimạ ) đ t nóng ch y các v t li u ngu n và sau đóố ả ậ ệ ồ
ti p t c đ t sao cho v t li u bay h i và ng ng t trên đ ế ụ ố ậ ệ ơ ư ụ ế
Phương pháp nhi t plasma: ệ
Chùm lade xung có bước sóng ng n, m t đ công su t l n đắ ậ ộ ấ ớ ược chi u r iế ọ lên bia. Bia h p thuấ năng lượng lade, cung c p đ ng năng l n cho h t v t li uấ ộ ớ ạ ậ ệ phá v liên k t m ng thoát kh i bia, phía trên bia hình thành m t vùng không gianỡ ế ạ ỏ ộ
ch a ứ plasma phát sáng. Các h t v t li uạ ậ ệ bia ng ng tư ụ t o màng trên đ ạ ế
S t o thành các ch t m i này ph thu c r t nhi u vào t l các ch t ph n ng,ự ạ ấ ớ ụ ộ ấ ề ỷ ệ ấ ả ứ
lượng nước dùng, ch t khoáng hóa, nhi t đ (áp su t). Các ch t khoáng hóaấ ệ ộ ấ ấ
nh m làm các ch t ph n ng d dàng hòa tan h n do ph n ng t o ph c.ằ ấ ả ứ ễ ơ ả ứ ạ ứ Vì v y,ậ
phương pháp th y nhi t dùng đ t ng h p các ch t m i kém b n nhi t và do đóủ ệ ể ổ ợ ấ ớ ề ệ không th dùng phể ương pháp này cho ph n ng pha r n nhi t đ cao và nuôiả ứ ắ ở ệ ộ
l n các tinh th ớ ể
Phương pháp solgel:
Phương pháp này là m t k thu t t ng h p hóaộ ỹ ậ ổ ợ keo đ t o ra các v t li uể ạ ậ ệ
có hình d ng mong mu n nhi t đ th p.ạ ố ở ệ ộ ấ Nó được hình thành trên cơ sở ph nả
ng th y
ứ ủ phân và ph n ng ng ng t t các ch t g c (alkoxide precursors). Côngả ứ ư ụ ừ ấ ố
Trang 23ngh solgel là công ngh cho phép ta tr n l n các ch t quy mô nguyênệ ệ ộ ẫ ấ ở
tử và hạt keo đ t ngể ổ h pợ các v tậ li uệ có đ s ch và tính đ ng nh t cao. Quáộ ạ ồ ấ trình x yả ra trong dung d ch l ng và các ti n ch t nh ị ỏ ề ấ ư các mu i kim lo i thôngố ạ qua các ph n ng th y phân và ng ng t , s d n đ n vi c hình thành m t phaả ứ ủ ư ụ ẽ ẫ ế ệ ộ
m i đó là Sol Gel là h phân tán d th , các h t pha r n t o thành khung 3ớ ệ ị ể ạ ắ ạ chi u, pha l ng n m ề ỏ ằ ở kho ng tr ng c a khung 3 chi u nói trên. B ng phả ố ủ ề ằ ươ ngpháp sol gel, không nh ngữ t ngổ h p đợ ược các oxit siêu m n (nhị ỏ h n 10 µm), cóơ tính đ ng nh t cao, b m t riêng l n, đ tinh khi t hóa h c cao mà còn có thồ ấ ề ặ ớ ộ ế ọ ể
t ng h p đổ ợ ược các tinh th cể ỡ vài nanomet, các s n ph m d ng màng m ng, s i.ả ẩ ạ ỏ ợ
C b n phả ố ương pháp trên đ u có nh ng u đi m và nhề ữ ư ể ược đi m riêng.ể
Đ ch t o ZTO dể ế ạ ưới d ng h t ho c dây nano thì ngạ ạ ặ ười ta s d ng phử ụ ươ ngpháp th y nhi t và sol gel. Hai phủ ệ ương pháp này d th c hi n nhi t đ th p.ễ ự ệ ở ệ ộ ấ Trong khi đó phương pháp nhi t plasma và b c bay nhi t trong chân không thìệ ố ệ
c n nhi t đ cao và cho ZTO dầ ệ ộ ướ ại d ng thanh
D a vào nh ng u nhự ữ ư ược đi m trên và đi u ki n, c s v t ch t thíể ề ệ ơ ở ậ ấ nghi m, phệ ương pháp đượ ử ục s d ng đ nghiên c u trong lu n văn này là phể ứ ậ ươ ngpháp th y nhi t, đi u ki n nhi t đ trong các ph n ng là t 140 ủ ệ ề ệ ệ ộ ả ứ ừ oC đ n 200 ế oC,
lu n văn t p trung nghiên c u nh hậ ậ ứ ả ưởng c a các đi u ki n ph n ng lên sủ ề ệ ả ứ ự hình thành pha tinh th , c u trúc, hình thái và kh o sát m t s tính ch t quang c aể ấ ả ộ ố ấ ủ ZTO
1.6. Các c ch h p th và phát quangơ ế ấ ụ
Trong th c t đ s d ng v t li u hi u qu , thích h p, các tính ch t c ,ự ế ể ử ụ ậ ệ ệ ả ợ ấ ơ nhi t, đi n, quang, … c a t ng lo i v t li u c n ph i nghiên c u k lệ ệ ủ ừ ạ ậ ệ ầ ả ứ ỹ ưỡng b ngằ các công c và k thu t thích h p.ụ ỹ ậ ợ
Nghiên c u v tính ch t quang cho ta k t qu c a quá trình chuy n hoáứ ề ấ ế ả ủ ể năng lượng x y ra trong v t li u khi v t li u đả ậ ệ ậ ệ ược kích thích b i ánh sáng hayở
Trang 24chính là quá trình tương tác gi a photon và v t li u bao g m c tữ ậ ệ ồ ả ương tác photon
đi n t và photon phonon. Qua đó thu nh n đệ ử ậ ược nh ng thông tin quan tr ngữ ọ
v b n ch t c a các quá trình chuy n d i tái h p phát quang, các y u t nhề ả ấ ủ ể ờ ợ ế ố ả
hưởng đ n hu nh quang c a v t li u nh hi u ng b m t, hi u ng giam giế ỳ ủ ậ ệ ư ệ ứ ề ặ ệ ứ ữ
lượng t , đi u ki n công ngh ch t o, nhi t đ , môi trử ề ệ ệ ế ạ ệ ộ ường,…. Nh ng hi uữ ể
bi t nêu trên làm c s cho vi c ng d ng v t li u trong ch t o các linh ki nế ơ ở ệ ứ ụ ậ ệ ế ạ ệ quang đi n t , đánh d u hu nh quang y sinh.ệ ử ấ ỳ
V t li u bán d n kích thậ ệ ẫ ước nano mét có nh ng tính ch t quang đ c bi tữ ấ ặ ệ
và h n h n so v i bán d n kh i. Nh ng tính ch t này là k t qu c a s giam giơ ẳ ớ ẫ ố ữ ấ ế ả ủ ự ữ
lượng t các h t t i đi n (hay giam gi c a hàm sóng đi n t và l tr ng) vàử ạ ả ệ ữ ủ ệ ử ỗ ố
nh h ng c a các tr ng thái b m t. D i đây, ngoài nh ng tính ch t h p th ,
phát quang tương t nh c a v t li u kh i, m t s tính ch t quang liên quan t iự ư ủ ậ ệ ố ộ ố ấ ớ
h h t t i đi n trong v t li u bán d n kích thệ ạ ả ệ ậ ệ ẫ ước nano mét được đ c p, làm rõề ậ
s khác bi t so v i trong v t li u kh i.ự ệ ớ ậ ệ ố
1.6.1. C ch h p th quangơ ế ấ ụ
Khi có ngu n năng lồ ượng t bên ngoài t i kích thích vào v t li u thì sừ ớ ậ ệ ẽ
x y ra quá trình tả ương tác gi a v t li u và ngu n năng lữ ậ ệ ồ ượng bên ngoài. V t li uậ ệ
có th s h p th m t ph n hay hoàn toàn năng lể ẽ ấ ụ ộ ầ ượng t i và chuy n đ i tr ngớ ể ổ ạ thái. K t qu c a quá trình h p th này thế ả ủ ấ ụ ường là s phát hu nh quang c a cácự ỳ ủ
đi n t nóng hay các tâm, s tăng các tr ng thái dao đ ng m ng. Năng lệ ử ự ạ ộ ạ ượng kích thích vào m u có th dẫ ể ướ ại d ng năng lượng c , quang, nhi t hay năng lơ ệ ượ ng
đi n t Thông thệ ừ ường, v t li u h p th năng lậ ệ ấ ụ ượng t nh ng ngu n b ng m iừ ữ ồ ằ ỗ cách khác nhau. Tu theo cách kích thích mà s tác đ ng t i h đi n t hay hỳ ẽ ộ ớ ệ ệ ử ệ dao đ ng m ng nhi u h n. Khi dùng ánh sáng kích thích, ch y u h đi n tộ ạ ề ơ ủ ế ệ ệ ử trong v t li u s ph n ng trậ ệ ẽ ả ứ ước tiên. Sau đó có th là các quá trình bi n đ iể ế ổ thành quang hay nhi t, hay t l gi a hai ph n này tu thu c vào b n ch t c aệ ỷ ệ ữ ầ ỳ ộ ả ấ ủ
v t li u. ậ ệ
Trang 25Quá trình h p th ánh sáng luôn g n li n v i s bi n đ i năng lấ ụ ắ ề ớ ự ế ổ ượ ngphoton thành các d ng năng lạ ượng khác trong tinh th , nên m t cách t nhiên cóể ộ ự
th phân lo i các c ch h p th nh sau [1,2]: ể ạ ơ ế ấ ụ ư
H p th riêng hay h p th c b n, liên quan đ n các chuy n d i đi n tấ ụ ấ ụ ơ ả ế ể ờ ệ ử
gi a các vùng năng lữ ượng được phép.
H p th exciton, liên quan đ n s t o thành và phân hu các tr ng tháiấ ụ ế ự ạ ỷ ạ exciton
H p th b i các h t t i đi n t do, liên quan đ n các chuy n d i đi n tấ ụ ở ạ ả ệ ự ế ể ờ ệ ử (ho c l tr ng) bên trong các vùng năng lặ ỗ ố ượng được phép tương ng hay gi aứ ữ các ti u vùng trong các vùng để ược phép.
H p th t p ch t, liên quan đ n các chuy n d i đi n t (ho c l tr ng)ấ ụ ạ ấ ế ể ờ ệ ử ặ ỗ ố
gi a các m c bên trong tâm t p ch t ho c gi a các vùng năng lữ ứ ạ ấ ặ ữ ượng được phép
và các m c t p ch t bên trong vùng c m.ứ ạ ấ ấ
H p th gi a các t p ch t, liên quan đ n các chuy n d i đi n t (ho c lấ ụ ữ ạ ấ ế ể ờ ệ ử ặ ỗ
tr ng) gi a các m c t p ch t bên trong vùng c m. ố ữ ứ ạ ấ ấ
Trang 264a, 4b H p th t p ch t vùng g n; 4c, 4d H p th t p ch t vùng xa; 5 H p ấ ụ ạ ấ ầ ấ ụ ạ ấ ấ
Khi x y ra tả ương tác gi a electron trong v t r n v i b c x đi n t c nữ ậ ắ ớ ứ ạ ệ ừ ầ
ph i th a mãn hai đ nh lu t: Đ nh lu t b o toàn năng lả ỏ ị ậ ị ậ ả ượng và đ nh lu t b o toànị ậ ả xung lượng
Trong không gian véct sóng k, năng lơ ượng c a đi n t và l tr ng đủ ệ ử ỗ ố ượ c
bi u di n là hàm s E(k), có d ng parabol g n g c t a đ Do c u trúc và phânể ễ ố ạ ở ầ ố ọ ộ ấ
b nguyên t khác nhau trong các tinh th , các tr ng thái năng lố ử ể ạ ượng c a h đi nủ ệ ệ
t vùng d n và các l tr ng vùng hoá tr phân b có các c c tr khác nhau trongử ẫ ỗ ố ị ố ự ị không gian E(k). N u nh c c ti u năng lế ư ự ể ượng vùng d n n m k=0 và c c đ iẫ ằ ở ự ạ năng lượng vùng hoá tr cũng x y ra k=0 thì các chuy n d i đi n t là "th ng"ị ả ở ể ờ ệ ử ẳ hay "tr c ti p" [1,2]. Có th minh h a c u trúc vùng c m th ng c a bán d n nhự ế ể ọ ấ ấ ẳ ủ ẫ ư hình 1.14
Trang 27Hình 1 Bán d n vùng c m xiên [1] ẫ ấ
1.6.2. C ch phát quangơ ế
M t ph n năng lộ ầ ượng mà v t li u h p th s đậ ệ ấ ụ ẽ ược chuy n đ i thànhể ổ quang năng, tái phát x t v t li u. Hu nh quang là m t trong nh ng d ng phátạ ừ ậ ệ ỳ ộ ữ ạ quang th c p sau khi v t ch t b kích thích. Hi n tứ ấ ậ ấ ị ệ ượng phát quang có b n ch tả ấ
ngược v i quá trình h p th , là quá trình h i ph c đi n t t tr ng thái năngớ ấ ụ ồ ụ ệ ử ừ ạ
lượng cao v tr ng thái năng lề ạ ượng th p, gi i phóng photon.ấ ả
Trang 28N u ch v gi n đ năng lế ỉ ẽ ả ồ ượng, b qua giá tr tỏ ị ương ng c a véct sóng,ứ ủ ơ
có th minh h a quá trình h p th và các kh năng phát quang trong tinh th nhể ọ ấ ụ ả ể ư hình 1.16
S kích thích m u đự ẫ ược th c hi n qua h p th vùng vùng. Sau quá trìnhự ệ ấ ụ (1) này đã t o ra nh ng đi n t t do vùng d n và l tr ng t do vùng hóa tr ạ ữ ệ ử ự ở ẫ ỗ ố ự ở ị Các quá trình tái h p có b c x c a c p đi n t l tr ng x y ra ti p theo là: ợ ứ ạ ủ ặ ệ ử ỗ ố ả ế
Tái h p vùng vùng: Tái h p vùng vùng (2), đi n t t do vùng d n vàợ ợ ệ ử ự ở ẫ
l tr ng t do vùng hóa tr Quá trình này có th ghi nh n đỗ ố ự ở ị ể ậ ượ ởc nhi t đ m uệ ộ ẫ khá cao, khi không t n t i tr ng thái exciton trong tinh th ồ ạ ạ ể
Tái h p b c x exciton: S phân rã exciton (3) ch quan sát đợ ứ ạ ự ỉ ượ ởc nh ngữ
v t li u hoàn h o (s ch, c u trúc tinh th t t) và nhi t đ th p, sao cho năngậ ệ ả ạ ấ ể ố ở ệ ộ ấ
lượng nhi t kT không vệ ượt quá năng lượng liên k t c a exciton.ế ủ
Tái h p c p đono – axepto: Khi trong ch t bán d n có c t p ch t đôno vàợ ặ ấ ẫ ả ạ ấ acépto v i n ng đ đ cao, thì tớ ồ ộ ủ ương tác Coulomb gi a đôno và axepto s làmữ ẽ thay đ i năng lổ ượng liên k t c a chúng (so v i khi t p ch t đ ng cô l p).ế ủ ớ ạ ấ ứ ậ Kho ng cách năng lả ượng gi a các tr ng thái đôno và axépto trong c p là:ữ ạ ặ
Trong đó r là kho ng cách gi a đôno và axépto trong c p, e là đi n tích c aả ữ ặ ệ ủ electron, là h ng s đi n môi c a ch t bán d n. Khi electron trên đôno tái h pε ằ ố ệ ủ ấ ẫ ợ
v i l tr ng trên axépto, năng lớ ỗ ố ượng c a photon phát ra đủ ược tính b ng bi u th cằ ể ứ (1.1)
Tái h p b c x trong n i b tâm: Quá trình chuy n d i (6) x y ra trongợ ứ ạ ộ ộ ể ờ ả
n i b tâm. Các tâm phát quang này mang tính đ nh x đ a phộ ộ ị ứ ị ương r t cao, sấ ự
tương tác c a các chuy n d i đi n t v i trủ ể ờ ệ ử ớ ường tinh th xung quanh thể ường r tấ
y u. Năng lế ượng c a các chuy n d i đi n t hoàn toàn do c u trúc c a tâm quyủ ể ờ ệ ử ấ ủ
đ nh. Các ion lo i 4f (đ t hi m, phóng x ), 3d (kim lo i chuy n ti p), tâm F trongị ạ ấ ế ạ ạ ể ế
Trang 29Halogen ki m, hay các g c phát quang phân t có d ng ph c (complex) có thề ố ử ạ ứ ể
ho t đ ng trong tinh th dạ ộ ể ướ ại d ng nh ng tâm gi cô l p nh v y.ữ ả ậ ư ậ
Tái h p b c x tâm sâu: Các tái h p (7), (8) tợ ứ ạ ợ ương t nh (4), (5) nh ngự ư ư
v i các m c năng lớ ứ ượng đôno và axépto n m sâu trong vùng c m. Trong cácằ ấ
trường h p này, nh hợ ả ưởng c a trủ ường tinh th t i các tái h p cũng y u h n. ể ớ ợ ế ơ
Trang 30CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ K THU T TH C NGHI MỸ Ậ Ự Ệ
Đ ch t o m u ZTO có r t nhi u phể ế ạ ẫ ấ ề ương pháp nh đã trình bày trên.ư ở Trong lu n văn này, chúng tôi s d ng phậ ử ụ ương pháp th y nhi t. Trong chủ ệ ương 2 chúng tôi trình bày phương pháp th y nhi t đ ch t o m u ZTO và các phủ ệ ể ế ạ ẫ ươ ngpháp phân tích nh ng đ c tr ng c a v t li u ZTO.ữ ặ ư ủ ậ ệ
2.1. Phương pháp th y nhi t ch t o ZTủ ệ ế ạ O
Ti n ch t s d ng trong thí nghi m bao g m ZnSOề ấ ử ụ ệ ồ 4.7H2O (99,99%), SnCl4.5H2O (99,99%) và NaOH (99,99%), quá trình t ng h p ZTO đổ ợ ược ti n hànhế
Trang 31đo h p th quang h c UV2450PC và h Raman LabRam HR800, Horiba, t iấ ụ ọ ệ ạ Trung tâm Khoa h c V t li u – Trọ ậ ệ ường Đ i h c Khoa h c T Nhiên.ạ ọ ọ ự
2.2. Các phương pháp phân tích
Các phương pháp được th c hi n đ nghiên c u tính ch t c a v t li uự ệ ể ứ ấ ủ ậ ệ
được ch t o bao g m:ế ạ ồ
Phân tích c u trúc tinh th các m u b ng ph nhi u x tia X (XRD).ấ ể ẫ ằ ổ ễ ạ
Xác đ nh hình thái b m t c a các m u b ng nh đị ề ặ ủ ẫ ằ ả ược ch p t kính hi nụ ừ ể
vi đi n t quét (SEM), t đó bi t đệ ử ừ ế ượ ực s ph thu c c a kích thụ ộ ủ ước vi h t vàoạ công ngh ch t o.ệ ế ạ
Ph tán x Raman đ xác đ nh các mode dao đ ng đ c tr ng trong m ngổ ạ ể ị ộ ặ ư ạ tinh th ể
Phân tích ph hu nh quang (PL) c a m u ZTO.ổ ỳ ủ ẫ
Ph h p th quang h c UV Vis.ổ ấ ụ ọ