CẤU TRÚC một CHIỀU zno

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN KHOA VẬT LÝ ÔÔ TIU LUN: CU TRC MT CHIỀU ZnO, TÍNH CHẤT, CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO (PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ) VÀ ỨNG DỤNG Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS PHẠM THÀNH HUY Người thực : PHAN TƯỜNG NHÂN Lớp Bộ môn : Vật Lý Chất Rắn K20 : Vật lý vật liệu nano Quy Nhơn, 01/2018 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ZnO .3 1.1.Vật liệu nano 1.2.Vật liệu ZnO 1.3.Tính chất điện quang ZnO CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO 14 2.1.Chuẩn bị 14 2.2.Các bước thực nghiệm 15 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CẤU TRÚC MỘT CHIỀU ZnO 19 3.1.Cảm biến khí 19 3.2.Lưu trũ điện 21 3.3.Kháng khuẩn zinc oxide .23 3.4.Hóa chất kháng khuẩn ZnO Nano 24 KẾT LUẬN 25 Phan Tường Nhân – Vật Lý Chất Rắn K20 MỞ ĐẦU Vật liệu công nghệ nano vấn đề nghiên cứu quan tâm mạnh mẽ nhờ vào nhiều tiềm ứng dụng chúng thực tiễn đời sống xã hội Đây lĩnh vực nghiên cứu (đặc biệt vấn đề phát triển cấu trúc vật liệu linh kiện mới) mà khoảng cách khoa học nước công nghệ phát triển nước phát triển Việt Nam thu hẹp Hiện có nhiều loại vật liệu nano cấu trúc khác Trong đó, cấu trúc nano thấp chiều dựa hợp chất oxi với kim loại mối quan tâm đặc biệt nhiều nhóm nghiên cứu giới Ở Việt Nam, loại vật liệu nano nhiều nhóm quan tâm nghiên cứu từ cuối năm 1990 đạt thành tựu đáng kể Điển nghiên cứu ôxit nano (ZnO, ZnS, TiO 2), chấm lượng tử bán dẫn (AIIIBV, AIIBVI) ứng dụng quang điện tử, y sinh chiếu sáng rắn; hạt cầu nano SiO2 ứng dụng thông tin quang học; hạt ôxit sắt nano ứng dụng xử lý môi trường, điều trị chuẩn đoán bệnh; hạt nano Y 2O3 pha tạp đất ứng dụng quang điện tử, đánh dấu huỳnh quang y sinh bảo mật… Cấu trúc nano nói chung, nano chiều nói riêng có nhiều tính chất tốt, trội so với cấu trúc khối có hiệu ứng giam hãm lượng tử Cả tính chất chế giải thích nghiên cứu, chưa có lý thuyết đầy đủ cho hiệu ứng kích thước nano Nano 1-D ZnO hứa hẹn nhiều ứng dụng laser bước sóng ngắn (short-wavelength laser), transitor hiệu ứng trường (field-effect transitor), cảm biến khí độ nhạy cao (ultrasensitive nanosized gas sensor), cộng hưởng nano (nanoresonator), chuyển đổi tín hiệu (transducers), nhiều vật liệu khác Si, InP, GaAs, CdS, SnO2… Cấu trúc nano chiều ZnO (1-D) tổng hợp nhiều phương pháp vật lý hóa học Chẳng hạn phương pháp hóa ướt, lắng tụ vật lý, Phan Tường Nhân – Vật Lý Chất Rắn K20 lắng tụ hóa học hữu kim loại (MOCVD), epitaxy chùm phân tử (MBE), lắng tụ laser xung, phún xạ, chế - lỏng - rắn có xúc tác khơng có xúc tác, phương pháp bốc bay nhiệt sử dụng hệ lò nằm ngang Tùy theo phương pháp chế tạo nhiệt độ ni mà thu cấu trúc nano chiều dạng sợi (nanowires), dải (nanobelts), ống (nanotubes), vòng (rings), dạng đĩa (disks) Phương pháp bốc bay nhiệt sử dụng hệ lò nằm ngang phương pháp chế tạo cấu trúc nano chiều ZnO (1-D) nói đến phương pháp vật lý Với phương pháp vật liệu bay cách đốt nóng rực tiếp nguồn nhiệt sử dụng phổ biến cho kim loại hợp kim Ưu điểm phương pháp đơn giản, giá thành rẻ, khơng có xạ Tuy nhiên, sử dụng phương pháp vật liệu dễ bị nhiễm bẩn Phan Tường Nhân – Vật Lý Chất Rắn K20 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ZnO 1.1.Vật liệu nano Ngày nay, vật liệu nano khơng cịn khái niệm mà trở thành lĩnh vực nghiên cứu sâu rộng toàn giới nhằm chế tạo nghiên cứu vật liệu có kích thước nano mét Vật liệu nano thu hút nhà khoa học ứng dụng vượt trội từ tính chất khác biệt so với vật liệu khối dựa theo hiệu ứng đặc biệt sau a Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước giảm tỉ số nguyên tử bề mặt tổng số nguyên tử tăng dẫn tới hiệu ứng bề mặt tăng Ví dụ, xét vật liệu tạo thành từ hạt nano hình cầu Gọi n s số nguyên tử nằm bề mặt, n tổng số nguyên tử ta có: ns = 4n2/3 (1.1) Tỉ số số nguyên tử bề mặt tổng số ngun tử là: (1.2) Trong đó: r0 bán kính nguyên tử r bán kính hạt nano Như vậy, từ (1.2) ta thấy kích thước vật liệu giảm tỉ số f tăng lên Do nguyên tử bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất nguyên tử bên long vật liệu nên kích thước vật liệu hiệu ứng có liên quan đến nguyên tử bề mặt, hay gọi hiệu ứng bề mặt tăng lên tỉ số f tăng Khi kích thước vật liệu giảm đến nano mét giá trị f tăng đáng kể Sự thay đổi tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt khơng có tính đột biến theo thay đổi kích thước f tỉ lệ nghịch với r Phan Tường Nhân– Vật Lý Chất Rắn K20 theo hàm liên tục Khác với hiệu ứng thứ ta đề cập hiệu ứng ln có tác dụng với tất giá trị kích thước, hạt bé hiệu ứng lớn ngược lại Ở vật liệu khối hiệu ứng bề mặt nhỏ thường bỏ qua, cịn vật liệu nano hiệu ứng quan trọng, vậy, việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt vật liệu nano tương đối dễ dàng Bảng 1: Số nguyên tử lượng hạt nano hình cầu Năng lượng Đường kính Số Tỉ số ngun tử hạt nano nguyên bề mặt (nm) tử (%) 10 30.000 20 4.08 x 1011 7.6 4.000 40 8.16 x 1011 14.3 250 80 2.04 x 1012 35.3 30 90 9.23 x 1012 82.2 Năng lượng bề bề mặt/năng mặt (erg/mol) lượng tổng (%) b Hiệu ứng kích thước Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước vật liệu nano làm cho vật liệu đặc biệt thu hút quan tâm nhà khoa học nhiều so với vật liệu khối Đối với vật liệu, tính chất có độ dài đặc trưng, độ dài đặc trưng vật liệu kích thước nano mét Ở vật liệu khối, kích thước lớn nhiều lần độ dài đặc trưng, vật liệu nano kích thước so sánh với độ dài đặc trưng làm cho tính chất liên quan tới độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột khác hẳn tính chất vật liệu dạng khối Ở khơng có chuyển tiếp cách liên tục chuyển từ vật liệu khối sang vật liệu nano hiệu ứng bề mặt Vì vậy, việc chế tạo nghiên cứu vật liệu nano ngày nhà khoa học quan tâm sâu sắc Phan Tường Nhân– Vật Lý Chất Rắn K20 Bảng 2: Bảng độ dài đặc trưng số tính chất vật liệu Tính chất Điện Từ Quang Siêu dẫn Cơ Xúc tác Siêu phân tử Thông số Độ dài đặc trưng (nm) Bước sóng điện tử 10 – 100 Quãng đường tự trung bình – 100 Hiệu ứng đường ngầm – 10 Vách đô men, tương tác trao đổi 10 – 100 Quãng đường tán xạ spin – 100 Giới hạn siêu thuận từ – 100 Hố lượng tử – 100 Độ dài suy giảm 10 – 100 Độ sâu bề mặt kim loại 10 – 100 Hấp thụ Plasmon bề mặt 10 – 500 Độ dài liên kết cặp cooper 0.1 – 100 Độ thẩm thấu Meisner – 100 Tương tác bất định xứ – 1000 Biên hạt – 10 Bán kính khởi động đứt vỡ – 100 Sai hỏng mầm 0.1 – 10 Độ nhăn bề mặt – 10 Hình học topo bề mặt – 10 Độ dài Kuhn – 100 Cấu trúc nhị cấp – 10 Cấu trúc tam cấp 10 – 100 c.Phân loại vật liệu nano: Có nhiều cách để phân loại vật liệu nano, vài cách phân loại thường dùng: Phan Tường Nhân– Vật Lý Chất Rắn K20 • Phân loại theo hình dáng: − Vật liệu nano khơng chiều: chiều có kích thước nano (ví dụ: đám nano, hạt nano…) − Vật liệu nano chiều: có chiều tự do, chiều có kích thước nano (ví dụ: dây nano, ống nano) − Vật liệu nano hai chiều: có chiều tự do, chiều có kích thước nano (ví dụ màng mỏng dày kích thước nano) Ngồi ra, vật coi vật liệu có cấu trúc nano dù phần vật liệu có kích thước nano cấu trúc có kích thước nano khơng chiều, chiều hai chiều đan xen • Phân loại theo tính chất vật liệu: − Vật liệu nano kim loại − Vật liệu nano bán dẫn − Vật liệu nano từ tính − Vật liệu nano sinh học Như vậy, nghiên cứu vật liệu nano trở thành hướng nghiên cứu nhiều ngành khoa học công nghệ chúng ứng dụng rộng rãi 1.2.Vật liệu ZnO 1.2.1 Cấu trúc tinh thể ZnO Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể ZnO Phan Tường Nhân– Vật Lý Chất Rắn K20 Vật liệu ZnO có dạng cấu trúc bản: cấu trúc lập phương giả kẽm (Zinc blend) cấu trúc lục giác (Wurtzite) Cấu trúc Wurtzite ZnO cấu trúc ổn định, bền vững nhiệt độ phịng áp suất khí Nhóm đối xứng không gian tinh thể cấu trúc C6v – p6 3mc Mỗi nguyên tử kẽm (Zn) liên kết với nguyên tử ôxi (O) nằm đỉnh tứ diện Ở nhiệt độ phòng ZnO có thơng số sau: số mạng là: a = b = 2,2458 5,2060 ; tương ứng với thể tích sở có giá trị V = 47,623 ;c= ; khối lượng riêng 5,606 g/cm3 khối lượng phân tử 81,38 Hình 2: Cấu trúc Wurtzite lục giác xếp chặt mạng ZnO Các thông số mạng ZnO phụ thuộc chủ yếu vào yếu tố: • Các điện tử tự tập trung dọc theo đường đáy vùng dẫn • Nguyên tử lạ thay nguyên tử mạng tinh thể, khuyết tật điểm ngun tử bị • Nhiệt độ • Ứng suất nội Tại áp suất khí ZnO bắt đầu mềm nhiệt độ khoảng 1000 oC đến nhiệt độ 1975oC ZnO bắt đầu nón chảy Liên kết hoá học ZnO hỗn hợp liên kết cộng hoá trị liên kết ion, liên kết cộng hố trị chiếm 33%, liên kết ion chiếm 67% Trong hợp chất, cấu hình điện tử Zn 4s2 O 2s22p6 Phan Tường Nhân– Vật Lý Chất Rắn K20 Bảng 1.1 Các thơng số vật lý thể tính chất vật liệu ZnO Thông số Giá trị Khối lượng riêng 5,606 g/cm3 Hằng số mạng a =b=3,2458 , c = 5,2060 Pha bền vững 300K Wurtzite Nhiệt độ nóng chảy 1975 Hằng số điện mơi 8,656 Chiết suất 2,008 Độ rộng vùng cấm 300K 3,37 eV Độ hòa tan nước 0,16 mg/100 ml (30oC) 1.2.2 Cấu trúc vùng lượng ZnO Tinh thể wurzite ZnO vùng Brillouin có dạng khối lục lăng mặt Trên biểu đồ mô tả cấu trúc vùng lượng E(k) ZnO ta thấy vùng lục giác Brillouin có tính đối xứng đường cao, khoảng cách hai dấu gạch ngang hình thể độ rộng vùng cấm có giá trị khoảng 3.4 eV Vùng hóa trị xác định khoảng -5 eV đến eV, vùng tương ứng với obital 2p oxi đóng góp vào cấu trúc vùng lượng, tận vùng hóa trị khoảng 20 eV (khơng đây) giới hạn obital 2s oxi, vùng khơng đóng góp mật độ electron dẫn vùng dẫn Vùng dẫn mức khoảng eV Hình 3: Sơ đồ cấu trúc vùng lượng ZnO Phan Tường Nhân– Vật Lý Chất Rắn K20 vật liệu Nếu độ linh động hạt tải nhiều chế tán xạ gây ra, độ linh động tổng cộng thấp thành phần riêng Giá trị giới hạn độ linh động cho tán xạ phonon tinh thể đơn ZnO pha tạp (n ~ 1016 cm-3) xấp xỉ µa = 250 cm2/V.s nhiệt độ phòng Đối với dẫn kim loại bán dẫn, tán xạ phonon phụ thuộc vào nhiệt độ, độ linh động tăng nhiệt độ giảm Tán xạ tạp ion hóa chế tán xạ trội vật liệu ZnO Khi màng ZnO pha tạp nặng, chúng chuyển tiếp thành đặc trưng kim loại Nồng độ tạp bị ion hóa cao cho tương tác nhiều độ linh động thấp Đối với trường hợp không suy biến, độ linh động tán xạ tạp bị ion hóa tăng theo nhiệt độ Phương trình cho mối liên hệ độ linh động từ tán xạ tạp bị ion hóa, nhiệt độ mật độ tạp bị ion hóa (Ni): (1.10) Phương trình (1.10) dựa hàm phân bố Maxwell - Boltzmann, hàm phân bố Fermi-Dirac sử dụng cho trường hợp bán dẫn pha tạp suy biến Zhang cộng cho độ linh động tán xạ tạp bị ion hóa gây ra, khơng phụ thuộc vào nhiệt độ hàm phân bố Fermi-Dirac sử dụng cho trường hợp bán dẫn suy biến Tán xạ tạp trung hòa thu từ tán xạ khuyết với hạt tải Trong trường hợp bán dẫn, chế tán xạ quan trọng nhiệt độ thấp ion hóa ngun tử tạp khơng xảy Trái lại, tạp trung hòa chế tán xạ dẫn kim loại Vật liệu bán dẫn có độ tinh khiết cao phần lớn nguyên tố ngoại đưa vào để ion hóa pha tạp vật liệu Tán xạ tạp trung hịa khơng phải hàm nhiệt độ, biến thiên theo nồng độ tạp trung hòa Tăng nồng độ tạp trung hòa, làm giảm độ linh động Trong trường hợp dẫn kim loại, tạp trung hòa tán xạ hạt tải cách làm đứt quãng chu kỳ mạng 11 Phan Tường Nhân– Vật Lý Chất Rắn K20 Tán xạ biên hạt xảy nồng độ khuyết lệch mạng vật liệu tăng, làm giảm độ linh động Độ linh động chế hàm mật độ lệch mạng (nd) nhiệt độ: (1.11) 1.3.2.Tính chất quang ZnO Tính phát quang ZnO người ta cho có liên quan đến khuyết tật điểm cặp exciton Chúng ta biết rằng, trình quang bán dẫn thay đổi trạng thái electron hấp thụ phát xạ photon, thay đổi trạng thái dao động nguyên tử tinh thể Những trình phải tuân theo quy tắc chọn lựa định luật quan trọng a Bảo toàn lượng Ephoton = Ef – Ei Trong đó: (1.12) Ef trạng thái cuối tinh thể (bao gồm thay đổi trạng thái dao động), Ei trạng thái đầu tinh thể Hình 1.6: Năng lượng photon bảo toàn 12 Phan Tường Nhân– Vật Lý Chất Rắn K20 b Bảo tồn vectơ sóng động lượng tinh thể Kphoton = kf – ki Trong đó: kf trạng thái cuối ki trạng thái đầu Hình 1.7 Bảo tồn véctơ sóng 13 (1.20) Phan Tường Nhân– Vật Lý Chất Rắn K20 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO 2.1 Chuẩn bị 2.1.1.Các thiết bị sử dụng Việc tổng hợp dây ZnO theo phương pháp bốc bay nhiệt sử dụng thiết bị bốc bay nhiệt mơ tả Hình 2.1, chi tiết sau: - Lị nhiệt nằm ngang có tốc độ tăng nhiệt khoảng 60oC/phút đường kính ống lị cm (Lingdberg/Blue M, Mini-Mite TM, model: TF55030A, USA) - Buồng phản ứng ống thạch anh có đường kính cm chiều dài 150 cm (gọi ống TA1) với hai đầu bịt kín với khớp nối chân khơng - Hệ điều khiểu lưu lượng khí điện tử (Aalborg-Model: GFC17S-VALD2A0200, USA) điều khiển lưu lượng khí Ar O khoảng 0-500 sccm 0-10 sccm với sai số 0,15% - Bơm chân khơng (sử dụng bơm học) đạt chân không ~ 5.10-3 torr - Đầu đo chân khơng có dải đo khoảng 0-10-4 torr - Ngun lý hoạt động hệ bốc bay nhiệt hình ảnh minh họa hệ bốc bay nhiệt sử dụng thực tế trình bày Hình 2.1 Hình 2.4 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hệ bốc bay nhiệt 14 Phan Tường Nhân – Vật Lý Chất Rắn K20 2.1.2.Vật liệu dụng cụ Các nguyên liệu dụng cụ sau: - Bột ZnO có độ tinh khiết 99,9% xuất xứ Merck - Bột bon có độ tinh khiết 99,99% xuất xứ Merck - Đế Si đơn tinh thể - Ống thạch anh có đường kính 2,5 cm chiều dài 63 cm (ống TA2) - Khí Ar 99,999%; Khí O2 99,999% - Axít HNO3 100% tinh khiết (cấp độ phân tích) xuất xứ Merck - Dung dịch HNO3 65% tinh khiết (cấp độ phân tích) xuất xứ Merck - Dung dịch HF 1% tinh khiết (cấp độ phân tích) xuất xứ Merck - Nước khử ion siêu tinh khiết (~18 MΩ) Trước thực chế tạo dây nano, vật liệu nguồn đế chuẩn bị sau: - Bột ZnO bột các-bon trộn với tỷ lệ mol 1:1 làm vật liệu nguồn cho trình bốc bay nhiệt - Đế Si xử lý quy trình làm tiêu chuẩn (standard cleaning process) dung dịch HNO3 100%, HNO3 65% (110oC), HF (1%), cuối rửa nước khử ion quay khô - Tiến hành phủ lớp vàng xúc tác (có chiều dày 5-10 nm) sử dụng hệ phún xạ mini với công suất 15 W thời gian phún xạ khoảng 20-30 giây - Cắt đế Si phủ vàng thành miếng nhỏ có kích thước cm x cm 2.2.Các bước thực nghiệm Việc chế tạo dây nano ZnO tiến hành theo bước sau: 15 Phan Tường Nhân – Vật Lý Chất Rắn K20 - Cân g hỗn hợp bột ZnO/C chuẩn bị cho vào thuyền Al 2O3 (chiều dài cm, chiều rộng 0,5 cm) Cho thuyền chứa hỗn hợp đế Si phủ vàng vào ống thạch anh nhỏ có đường kình 2,5 cm chiều dài 63 cm (ống TA2) Đế Si đặt cách thuyền chứa vật liệu bốc bay khoảng từ đến cm Sau cho ống thạch anh nhỏ vào buồng phản ứng hệ bốc bay nhiệt (ống TA1) (xem chi tiết Hình 2.2) - Bơm chân khơng hệ phản ứng thời gian 1-2 Trong trình này, tiến hành sục khí Ar với lưu lượng khoảng 200 sccm bơm chân không (lặp lại khoảng đến lần) - Thiết lập chương trình nhiệt độ cho lị sau: nâng nhiệt độ lò lên nhiệt độ tổng hợp (900, 950 1000oC) thời gian 30 phút Nhiệt độ tổng hợp trì thời gian từ 30 phút đến (tùy theo yêu cầu chiều dày lớp dây nano) cuối lò tắt để nguội tự nhiên nhiệt độ phòng (chi tiết Hình 2.3) - Thiết lập lưu lượng khí Ar (50 sccm) O2 (1 sccm) đưa vào lị đồng thời Trong q trình này, ta tiếp tục bơm chân không áp suất lò đạt trạng thái ổn định Khi áp suất lị ổn định, chạy chương trình nhiệt độ cài đặt để tiến hành trình tổng hợp vật liệu Sau chạy hết chương trình nhiệt độ, lò để nguội tự nhiên nhiệt độ phòng, tắt bơm chân không, tắt hệ điều khiển lưu lượng khí, mở đầu bịt chân khơng để lấy mẫu dây nano tổng hợp đế Si 16 Phan Tường Nhân – Vật Lý Chất Rắn K20 Hình 2.2: Sơ đồ bố trí vật liệu nguồn đế cho trình chế tạo dây nano ZnO Các chế độ gia nhiệt chế tạo nano ZnO theo phương pháp bốc bay nhiệt: Hình 2.3: Sơ đồ bước nâng, giữ, hạ nhiệt độ hệ bốc bay nhiệt 17 Phan Tường Nhân – Vật Lý Chất Rắn K20 Hình 2.4: Hệ bốc bay nhiệt sử dụng thực tể Hình 2.5: Ảnh SEM Nano ZnO tạo phương pháp bốc bay nhiệt 18 Phan Tường Nhân – Vật Lý Chất Rắn K20 CHƯƠNG ỨNG DỤNG CẤU TRÚC MỘT CHIỀU ZnO 3.1.Cảm biến khí Vật liệu nano nói chung dây nano nói riêng quan tâm nghiên cứu ứng dụng nhiều năm gần Dây nano ZnO nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực khác laser, quang điện tử, LED, phát xạ trường, áp điện nano, cảm biến,… Một số nghiên cứu ứng dụng dây nano ơxít kim loại có tính chất bán dẫn vào cảm biến khí Cảm biến khí dựa vật liệu ơxít kim loại có tính chất bán dẫn đề cập nghiên cứu từ năm 70 kỷ trước Cảm biến khí dựa hiệu ứng thay đổi độ dẫn cấu trúc nano ơxít kim loại có tính bán dẫn có kích thước chiều (one dimensional nano structured semiconductor metal oxide) quan tâm nghiên cứu lớn tiện dụng chế tạo, kích thước nhỏ, có độ nhạy cao, độ bền tốt, độ chọn lọc tốt, cơng suất tiêu thụ nhỏ, diện tích riêng bề mặt lớn, độ tinh thể cao, có kích thước đường kính dây xấp xỉ chiều dài Debye vật liệu có độ nhạy khí cao Trong vật liệu ơxít kim loại có tính chất bán dẫn dùng cho cảm biến khí SnO2, ZnO, In2O3, WO3, … ZnO sử dụng phổ biến, chiếm 32% 19 Phan Tường Nhân – Vật Lý Chất Rắn K20 Hình 3.1: Tỷ lệ 10 loại vật liệu ơxít kim loại có tính chất bán dẫn nghiên cứu nhiều nhằm ứng dụng cho cảm biến khí tính từ năm 2002 đến năm 2010 (a), cấu trúc nano nghiên cứu nhằm ứng dụng cho cảm biến khí (b) Dây nano ơxít kim loại bán dẫn quan tâm nhiều cảm biến khí độ dẫn ngồi ưu điểm diện tích riêng bề mặt lớn chúng cịn có tính chất đặc biệt sau: (i) chiều dài Debye tương đương với đường kính dây (ii) chiều dài dây nano kênh bán dẫn lý tưởng cho trình truyền tải điện Các tính chất ứng dụng dây nano lĩnh vực cảm biến nghiên cứu mạnh mẽ 10 năm vừa qua Các nghiên cứu trước rằng, dây nano có độ nhạy cao độ ổn định tốt, nhiên độ chọn lọc loại cảm biến phải cần cải thiện trước chúng ứng dụng thực tế Để cải thiện tính chất nhạy khí cảm biến khí sở dây nano người ta sử nhiều phương pháp khác pha tạp (doping) tạo cấu trúc lõi - vỏ (core-shell), hỗn hợp dây nano (composite) lai hóa với vật liệu nano khác hoạt tính thích hợp nhằm tăng cường tính chất nhạy khí chúng Trong phương pháp này, phương pháp lai hóa cấu trúc bề mặt phương pháp hiệu đơn giản cho việc nâng cao tính chất nhạy khí cảm biến khí dây nano Một loại dây nano nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực cảm biến khí nano ZnO 20 Phan Tường Nhân – Vật Lý Chất Rắn K20 3.2.Lưu trũ điện Các pin, ắc quy "những gã đầy tớ" trung thành cho thiết bị điện trường hợp mà hệ thống điện khơng thích hợp Thế nhưng, việc lưu trữ điện sử dụng pin giai đoạn xuống, điều bao gồm vấn đề thời gian lưu trữ, thời gian sống ngắn, vấn đề độc tố, vấn đề kích thước Máy phát điện sử dụng dây nano ZnO (kẽm ơxit) loại trừ điểm yếu này, có ưu việc điều khiển linh kiện nhỏ ví dụ sensor sinh học cấy ghép - theo lời Zhong Lin Wang, chuyên gia Viện Công nghệ Georgia, Hoa Kỳ Các nhà nghiên cứu phát triển linh kiện hệ nano không dây cho nhiều ứng dụng khác nhau, ví dụ kiểm soát thay đổi tế bào ung thư, hay thăm dị khí vùng địi hỏi điều khiển từ xa, truyền dẫn, đo đạc trực tiếp áp suất dòng máu thể, hay tỉ lệ đường máu Tất ứng dụng đòi hỏi nguồn cung cấp lượng, ví dụ trường hợp sensor sinh học không dây, lượng cần phải cung cấp hệ pin, vấn đề độc tố hóa học pin lại vấn đề khó giải chúng gây hại cho thể, cách giải tốt vướng mắc tăng cường khả "tự cung cấp lượng" cho sensor Hình 3.2: Ảnh chụp nanowire ZnO 21 Phan Tường Nhân – Vật Lý Chất Rắn K20 Tại Viện Cơng nghệ Georgia Atlanta (Hoa Kỳ), nhóm nghiên cứu Zhong Lin Wang phát minh kỹ thuật dựa ma trận dây nano ZnO, cho phép khai thác lượng từ môi trường xung quanh Bằng cách tổ hợp tính chất bán dẫn áp điện ZnO, biến dạng đàn hồi lớn tạo nanowire giúp cho việc chuyển đổi từ thành lượng điện Ban đầu, nhóm tạo dây nano ZnO định hướng, viên gạch tảng cho máy phát điện kích thước nano kỹ thuật vật lý tổng hợp hóa học Kỹ thuật chế tạo từ pha - lỏng - rắn vật lý cho phép tạo vật liệu với chất lượng tốt nhất, kỹ thuật tổng hợp hóa lại đáp ứng yêu cầu cao kích thước Nguyên lý tạo điện tổ hợp tính chất bán dẫn áp điện ZnO tạo rào Schttky lớp tiếp xúc kim loại bán dẫn Hình 3.3: Nguyên lý kiểm tra khả phát điện dây nano ZnO Nhóm nghiên cứu sử dụng đầu dị kính hiển vi ngun tử lực để kiểm tra ước tính chất lượng máy phát điện tí hon cách dùng mũi dò để bẻ cong dây riêng biệt Khi dây bị bẻ cong, hai phía dây (một phía bị kéo, phía bị nén) tạo điện tích dương âm Rào Schottktt tạo mũi dò AFM dây nano giữ điện tchs Điện sản sinh dây đo sau chúng rời khỏi đầu mũi dị Q trình qt mũi dị cho phép xác định khả phóng nạp điện ma trận nanowire Và kết cho thấy rằng, hệ khoảng 500 dây 22 Phan Tường Nhân – Vật Lý Chất Rắn K20 nano ZnO đế polymer cho phép tạo dòng điện tới nA điện cịn tạo nhờ tác động sóng siêu âm Hình 3.4: Thiết bị chuyển đổi điện kết phóng nạp điện 3.3.Kháng khuẩn zinc oxide Trong gốm sứ tốt, việc sử dụng tác dụng khối lượng, hiệu ứng bề mặt oxit kẽm nanowire, làm giảm đáng kể nhiệt độ thiêu kết, thấp nhiệt độ áp suất, oxit kẽm sử dụng trực tiếp từ nguyên liệu sản phẩm gốm sứ, để sản xuất xuất sáng, kết cấu dày đặc, hiệu suất cao gốm sứ Zinc oxide dây nano Có tác dụng kháng khuẩn, kết hợp vào loạt k2cao cấp gốm sứ vệ sinh công cụ Trong vật tư y tế, dệt may, ngành công nghiệp mỹ phẩm, việc sử dụng uv tính tác dụng kháng khuẩn oxit kẽm dây nano, kết hợp với polyme tự nhiên, làm sợi kháng khuẩn Zinc oxide dây nano có bề mặt cao - hoạt động hiệu quả, có triển vọng tốt công nghiệp Hơn nữa, kể từ dây nano oxit kẽm có hoạt động bề mặt cao, mà nhiều cải thiện hiệu quang, có nhiều vật liệu chịu lửa hữu bị phân hủy thành nước carbon dioxide vật liệu vô khác, vật liệu thân thiện với môi trường 23 Phan Tường Nhân – Vật Lý Chất Rắn K20 Hình 3.5: Kháng khuẩn zinc oxide 3.4.Hóa chất kháng khuẩn ZnO Nano Hóa chất kháng khuẩn ZnO Nano dung dịch keo có tính diệt vi khuẩn, nấm bệnh số vi rút gây bệnh trồng chế bất hoạt enzyme vi khuẩn, nấm bệnh vi rút Các hóa chất kháng khuẩn có tác dụng trị bệnh lúa (như cháy lá, khô cổ gié, lem lép hạt, cháy bìa lá, đốm nâu, vàng lá), rau màu (thối nhũn, nấm rễ), ăn trái (nấm hồng, gỉ sắt, đốm bồ hóng, tuyến trùng rễ, rụng trái nấm bệnh khác) Hình 3.6: Hóa chất kháng khuẩn ZnO Nano 24 Phan Tường Nhân – Vật Lý Chất Rắn K20 KẾT LUẬN Oxyt kẽm (ZnO) vật liệu đồng thời có tính chất bán dẫn, tính áp điện tính hỏa điện Một vài loại hình dạng nano ZnO nano hình lược, nano hình trịn, nano xoắn, nano thắt, nano dây nano lưới … tạo Các cấu trúc ZnO có ứng dụng hữu hiệu quang điện tử, sensơ, máy biến khoa học y sinh độ an tồn sinh học ZnO Hơn nữa, ZnO ứng dụng rộng rãi mỹ phẩm để chống lại tia tử ngoại y học điều trị chống lại tác hại vi khuẩn Do có nhiều thuộc tính đặc biệt nên vật liệu ZnO nghiên cứu sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác Hiện nay, bên cạnh hướng nghiên cứu loại vật liệu việc tiếp tục phát triển kĩ thuật công nghệ tổng hợp hiệu cấu trúc vật liệu ZnO, khảo sát tính chất quang điện chúng, vấn đề nghiên cứu sử dụng tạp chất thích hợp để biến đổi/cải hóa thuộc tính vật liệu ZnO, cộng đồng khoa học quan tâm Trong lĩnh vực công nghiệp chiếu sáng, nhu cầu tiết kiệm lượng loại đèn huỳnh quang compact, đèn LED phát triển mạnh mẽ nhằm thay hoàn toàn loại đèn sợi đốt Vật liệu ZnO với việc pha tạp thích hợp kim loại đất Eu, Tb, Ce… quan tâm sử dụng làm chất phát quang loại đèn ống huỳnh quang, độ ổn định cấu trúc cao ZnO tác động xạ mạnh Việc nghiên cứu tổng hợp vật liệu bán dẫn ZnO hợp chất sở ZnO ứng dụng vào lĩnh vực xúc tác quang hố, sensor khí, sensor điện hố xúc tác xử lý mơi trường cần thiết có ý nghĩa mặt lý thuyết thực hành 25 ... liệu ZnO 1.2.1 Cấu trúc tinh thể ZnO Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể ZnO Phan Tường Nhân– Vật Lý Chất Rắn K20 Vật liệu ZnO có dạng cấu trúc bản: cấu trúc lập phương giả kẽm (Zinc blend) cấu trúc. .. do, chiều có kích thước nano (ví dụ màng mỏng dày kích thước nano) Ngồi ra, vật coi vật liệu có cấu trúc nano dù phần vật liệu có kích thước nano cấu trúc có kích thước nano khơng chiều, chiều. .. khơng chiều: chiều có kích thước nano (ví dụ: đám nano, hạt nano…) − Vật liệu nano chiều: có chiều tự do, chiều có kích thước nano (ví dụ: dây nano, ống nano) − Vật liệu nano hai chiều: có chiều