PHƯƠNG PHÁP CHẾ tạo MÀNG ZnOAl BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL GEL

Bộ Giáo dục Đào tạo Trường Đại học Quy Nhơn TIỂU LUẬN BÀI THI GIỮA KÌ Mơn: Vật lý vật liệu nano Đề tài: HÃY ĐỀ XUẤT/XÂY DỰNG MỘT PHƯƠNG ÁN CHẾ TẠO MỘT LOẠI VẬT LIỆU NANO TẠI TRƯỜNG/ĐƠN VỊ CƠNG TÁC CỦA MÌNH: PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG ZnO:Al BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL Tên người làm: Lê Thị Diễm Hằng Lớp: Cao học Vật Lý-K20 Giáo viên: PGS.TS.Phạm Thành Huy Quy Nhơn, Năm 2018 MỤC LỤC : 1.Những đặc trưng ZnO 1.1 Cấu trúc tinh thể màng mỏng ZnO 1.2 Tính chất hóa lý ZnO 2 Phương pháp solgel 3 Kết chụp kính hiển vi điện tử quét SEM 1.Những đặc trưng ZnO 1.1 Cấu trúc tinh thể màng mỏng ZnO Trong tự nhiên ZnO tìm thấy ba dạng cấu trúc: haxagonal wurtzite, zinc blende, rocksalt Ở nhiệt độ phòng wurtzite dạng ổn định nhiệt động ,trong zinc-blende có kết tinh đế có cấu trúc lập phương, dạng rocksalt tồn áp suất cao ZnO dạng sáu phương có cấu trúc xếp chặt : Hình Cấu trúc mạng tinh thể ZnO dạng Wurtzite Cấu trúc wurtzite gồm hai mạng lục giác xếp chặt lồng vào cation Zn2+ anion O2- dịch chuyển chiều dài liên kết dọc theo trục c Mỗi mạng có nguyên tử ô đơn vị, nguyên tử loại (nhóm II) bao bọc xung quanh nguyên tử loại khác (nhóm IV) ngược lại, tạo thành khối tứ diện (hình 1) Trong đơn vị ZnO có chứa ngun tử Oxy nguyên tử Zn Zn (0 0) Zn (2/3, 1/3,1/2) O (0 u) O (2/3, 1/3,1/2+u ) Với a = b = 0,3249 nm, c = 0,5205 nm 1.2 Tính chất hóa lý ZnO Tinh thể ZnO có nhiệt độ nóng chảy cao (1,975 0C), khối lượng riêng 5,606 g/cm3, không tan nước, khơng mùi ZnO dạng bột có màu trắng Tuy nhiên ZnO dễ tan dung dịch axít tan dung dịch kiềm ZnO hợp chất bán dẫn hai cấu tử II-VI , bán dẫn loại n có độ rộng vùng cấm lớn Eg = 3,37eV nhiệt độ phòng với chuyển mức thẳng , tinh thể bất đẳng hướng có trục quang học Do tinh thể ZnO suốt, hấp thu riêng bước sóng lớn 370nm, với chiết suất cỡ 2,008 không dẫn điện điều kiện bình thường Tinh thể ZnO cịn có tính áp điện nhiệt sắc Hiện ý tưởng áp dụng ZnO vào spintronics theo đuổi nhiều phịng thí nghiệm giới Khi pha tạp Al, ZnO :Al bán dẫn suy biến loại n có điện trở nhỏ, có nồng độ hạt tải lớn mức Fermi nằm vùng dẫn Sự suy biến gây đồng thời nút khuyết oxy Al 3+các thay Zn2+hoạt động donor loại n Nồng độ hạt tải dao động khoảng 10 19đến 1021cm-3 độ linh động Hall khoảng từ 0,5 đến 30 cm2V-1s-1 Nồng độ hạt tải độ linh động thay đổi dẫn đến thay đổi độ dẫn điện 2 Phương pháp solgel Quá trình solgel biết từ lâu phổ biến, phương pháp hoá học ướt tổng hợp phần tử huyền phù dạng keo rắn chất lỏng sau tạo thành nguyên liệu lưỡng pha khung chất rắn, chứa đầy dung môi xảy trình chuyển tiếp solgel Các alkoxide M(OR) lựa chọn ban đầu để tạo dung dịch solgel với xúc tác thích hợp, axit bazơ cho kết cấu khác dung dịch từ ảnh hưởng lên cấu trúc màng nghiên cứu Thiết bị tạo màng đơn giản, dễ chế tạo, giá thành thấp tạo màng có độ tinh khiết đồng cao từ vật liệu ban đầu Bên cạnh phương pháp cịn nhiều ứng dụng việc tạo màng bảo vệ, màng có tính chất quang học, tạo màng chống phản xạ, nhớ quang, màng đa lớp tạo vi điện tử, tạo kính giao thoa… Đó yếu tố khiến cho việc đầu tư vào phương pháp dễ dàng Các alkoxide kim loại lựa chọn thích hợp cho việc tạo dung dịch solgel dựa tượng thủy phân ngưng tụ M(OR) +H2O -> M(OH) + ROH (thủy phân) 2M(OH) -> MOM + H2O (ngưng tụ) M(OH) + M(OR) -> MOM + ROH (ngưng tụ) a) b) Hình 2: Ảnh hưởng xúc tác đến cấu trúc hạt sol dung dịch (a, môi trường acid, b, mơi trường bazơ) Hình mơ tả giai đoạn dùng trình sol-gel bao gồm q trình: trộn lẫn, gel hóa, định hình, hóa rắn thiêu kết Giữa bước có ảnh hưởng nhiều yếu tố vật lý hóa học Hình :Thời gian hình thành Sol-Gel Hình : Phương pháp Sol-gel số sản phẩm Các nhóm sản phẩm từ phương pháp sol-gel, mơ tả hình bao gồm: - Màng mỏng: chế tạo màng mỏng có cấu trúc đồng với nhiều ứng dụng quang học, điện tử, pin mặt trời, … - Gel khối (monolithic gel) sử dụng để chế tạo oxide đa kim loại cho dụng cụ quang học: gương nóng, gương lạnh, thấu kính tách tia (beam splitter), … - Gel khí (aerogel) thu cách sấy siêu tới hạn gel ướt Gel khí có ứng dụng nhiều lĩnh vực: hấp thụ lượng mặt trời (silica aerogel), xúc tác (alumina aerogel có pha tạp kim loại), chất cách điện cách nhiệt (silica aerogel), … - Hạt nano đơn thành phần đa thành phần có kích thước đồng thu cách tạo kết tủa giai đoạn thuỷ phân- ngưng tụ - Sợi ceramic: sợi quang chất lượng cao sợi ceramic cách nhiệt Có nhiều kỹ thuật tạo màng từ dung dịch solgel như: kỹ thuật nhúng, phủ quay, dòng chảy (flow coating), phun (spray), … Quy trình chế tạo màng ZnO:Al phương pháp Sol-gel Quá trình chế tạo thực theo sơ đồ (hình 2.6) Diethanolamine (DEA)+Ethanol Zn(CH3COO)2.2H2O Al(NO3)3.9H2O Khuấy Dung dịch suốt DEA/Zn=1:1 [Zn(CH3COO)2.2H2O]=0,75mol.1-1 Lặp lại 1-6 lần Phủ quay Nung 4500C 10 phút Ủ nhiệt khơng khí 5000C ,1 Ủ nhiệt chân khơng 5000C ,1 Màng ZnO:AL Hình 2.6 : Sơ đồ chế tạo màng ZnO:Al phương pháp Sol-Gel Các thiết bị để tạo màng theo phương pháp bao gồm: hệ khuấy dung dịch, hệ tráng quay (spinner), máy rửa đế sóng siêu âm, lị sấy chân khơng, lị nung, hệ nung chân khơng Kết chụp kính hiển vi điện tử quét SEM Kết chụp ảnh chụp kính hiển vi điện tử qt ZnO lớp khơng pha tạp (hình 3.4) màng ZnO:Al với hàm lượng pha tạp Al 2% (hình) sau ủ nhiệt khơng khí 5000C khơng cho thấy khác biệt hình thái bề mặt màng Hình 3.4 : Ảnh SEM mẫu 0-1-6 (X 50000) Hình 3.5 : Ảnh SEM mẫu 2-1-6 ( X 50000) Hình 3.6 : Ảnh SEM mẫu 2-1-6 ( X 80000) Hình 3.7 :Ảnh SEM mẫu 2-2-6 (X 60.000) Hình 3.8 :Ảnh SEM mẫu 2-2-6 (X 100000) ... khơng khí 5000C ,1 Ủ nhiệt chân không 5000C ,1 Màng ZnO:AL Hình 2.6 : Sơ đồ chế tạo màng ZnO:Al phương pháp Sol-Gel Các thiết bị để tạo màng theo phương pháp bao gồm: hệ khuấy dung dịch, hệ tráng... vật liệu ban đầu Bên cạnh phương pháp cịn nhiều ứng dụng việc tạo màng bảo vệ, màng có tính chất quang học, tạo màng chống phản xạ, nhớ quang, màng đa lớp tạo vi điện tử, tạo kính giao thoa… Đó... từ phương pháp sol-gel, mơ tả hình bao gồm: - Màng mỏng: chế tạo màng mỏng có cấu trúc đồng với nhiều ứng dụng quang học, điện tử, pin mặt trời, … - Gel khối (monolithic gel) sử dụng để chế tạo