Tổng hợp và phân tích đặc tính quang của các vi hạt cầu ZnO

Bài viết tiến hành thực nghiệm tổng hợp hạt ZnO hình cầu, kích thước micro mét với bề mặt trơn bằng phương pháp tăng trưởng thủy nhiệt. Đặc tính cấu trúc của hạt được phân tích chi tiết bằng kỹ thuật tán xạ tia X và phổ tán xạ đàn hồi Raman.

78 Nguyễn Thanh Hội, Nguyễn Linh Nam TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH QUANG CỦA CÁC VI HẠT CẦU ZnO SYNTHESIS AND ANALYSIS OF OPTICAL PROPERTIES OF ZnO MICROSPHERES Nguyễn Thanh Hội, Nguyễn Linh Nam Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng; nlnam911@dct.udn.vn Tóm tắt - Trong lĩnh vực khoa học vật liệu, việc nghiên cứu tổng hợp loại vật liệu có cấu trúc nano/micro với hình dạng đồng quan tâm nghiên cứu Ở đây, hạt ZnO hình cầu kích thước micro mét với bề mặt trơn tổng hợp phương pháp tăng trưởng thủy nhiệt Đặc tính cấu trúc hạt ZnO phân tích chi tiết kỹ thuật tán xạ tia X phổ tán xạ đàn hồi Raman Bằng việc sử dụng điều khiển nano với đầu dị làm từ sợi cáp quang, chúng tơi tạo hạt ZnO với cấu trúc khác đơn, đơi ba hạt Đặc tính phát quang cấu trúc đo khảo sát cho thấy nhiều đặc tính nội bật khả hấp thụ tia cực tím tốt đặc biệt xuất đỉnh cộng hưởng phổ phát quang cấu trúc khác hạt ZnO Abstract - In the field of material science, the study of synthesis of new materials with uniform nano/micro structures has attracted more and more attention In this work, the ZnO microspheres with smooth particle surface are synthesized by hydrothermal growth technique The structural properties of ZnO microsphere are characterized by X-ray diffraction and Raman spectrum techniques By using nano-manipulator with optical fiber tip mounted inside a field emission scanning electron microscope we can form single, dimer and trimer ZnO structures When photoluminesence properties of these structures are measured, they exhibit many new features such as strong ultraviolet light absorption and, especially, the appearance of the resonance peaks in the photoluminescence spectrum of different structures of ZnO microsphere particles Từ khóa - ZnO; hạt cầu micro mét; tổng hợp vật liệu; đặc tính phát quang; phổ tán xạ tia X Key words - ZnO; microsphere particle; material synthesis; photoluminescene properties; X-ray diffraction Giới thiệu Trên giới, lĩnh vực khoa học vật liệu, việc nghiên cứu tổng hợp loại vật liệu với hình dạng, cấu trúc khác quan tâm nghiên cứu Đặc biệt vật liệu có cấu trúc nano/micro với hình dạng đồng thể nhiều đặc tính lý, hóa đặc trưng cho thấy khả ứng dụng lớn nhiều lĩnh vực khác Nhiều nghiên cứu tổng hợp vật liệu cấu trúc nano/micro báo cáo, tiêu biểu Si [1], Ge [2], TiO2 [3] kể vật liệu ZnO [4, 5] ZnO vật liệu bán dẫn II-VI có nhiều đặc tính bật: với độ rộng vùng cấm lớn (3.37eV) tương ứng vùng tia cực tím (Ultraviolet-UV) hiệu suất tái hợp xạ cao nhiệt độ phịng có lượng liên kết exiton lớn (60meV), thu hút ý, quan tâm nhiều nhà nghiên cứu tính chất điện quang điện độc đáo cho thấy tiềm ứng dụng lớn lĩnh vực huỳnh quang, quang xúc tác, hóa điện, cảm biến, pin lượng mặt trời Đặc biệt, vật liệu ZnO hình thành cấu trúc nano/micro, thể nhiều đặc tính lý hóa mà vật liệu kích thước lớn khơng thể Hơn nữa, có giá thành thấp thân thiện với mơi trường, ZnO xem có khả thay vật liệu bán dẫn khác TiO2, GaN ứng dụng nhiều lĩnh vực khác ZnO vật liệu nghiên cứu sâu rộng từ lâu nhóm nghiên cứu giới, nhiên thực tế nhiều hướng nghiên cứu mới, mở triển vọng thách thức đòi hỏi cần tập trung nghiên cứu thêm Đặc biệt việc nghiên cứu đưa quy trình tổng hợp ZnO đơn giản, giá thành rẻ phân tích chi tiết đặc tính vật liệu để từ đề xuất, triển khai việc ứng dụng vật liệu thực tế Vật liệu ZnO cấu trúc nano/micro tổng hợp có hình thái vơ phong phú tuỳ thuộc vào phương pháp tổng hợp khác dạng màng, dạng dây, dạng tứ giác, dạng lục giác, dạng ống, dạng đĩa, cấu trúc đa chiều hình zic zac, hình bơng hoa Trong hình dạng này, ZnO hình cầu ln thu hút quan tâm nghiên cứu đặc biệt lĩnh vực chế tạo cộng hưởng quang laser Thêm nữa, vật liệu ZnO với bề mặt trơn giúp hạn chế tiêu hao lượng gốc cạnh vật liệu so với hình lục giác [6] hay vật liệu có bề mặt lồi lõm [7] Do đó, để cao hiệu suất quang việc tổng hợp vật liệu có dạng đồng ZnO hình cầu với bề mặt tương đối trơn yêu cầu thiết yếu cần đạt Trong nghiên cứu này, tiến hành thực nghiệm tổng hợp hạt ZnO hình cầu, kích thước micro mét với bề mặt trơn phương pháp tăng trưởng thủy nhiệt Đặc tính cấu trúc hạt phân tích chi tiết kỹ thuật tán xạ tia X phổ tán xạ đàn hồi Raman Bằng điều khiển nano với đầu dò làm từ sợi cáp quang, cấu trúc đơn, đôi ba hạt tạo thành Tồn trình điều khiển thực quan sát trực tiếp kính hiển vi điện tử quét Đặc tính phát quang cấu trúc đo khảo sát cho thấy nhiều đặc tính nội bật khả hấp thụ tia cực tím mạnh đặc biệt hình thành đỉnh cộng hưởng phổ phát quang Vật liệu phương pháp Hạt ZnO hình cầu, kích thước micro tổng hợp phương pháp tăng trưởng thủy nhiệt theo quy trình mơ tả Hình Trước tiên chuẩn bị 20ml 0.05M(mol/l) dung dịch Zinc Nitrate (Zn(NO3)2.6H2O) + Hexamethylenetetramine (HMT) Tiếp đó, chúng tơi chuẩn bị tiếp 20ml 0.03M(mol/l) dung dịch Trisodium Citrate (Na3C6H5O7) Trộn dung dịch Zinc Nitrate+HMT với dung dịch Trisodium Citrate theo tỉ lệ 2:1 lọ thủy tinh đậy kín, dùng máy rung trộn hỗn hợp dung dịch 30 giây đặt hỗn hợp dung dịch lò nung nhiệt độ 90ºC 12 tiếng đồng hồ Sau trình hạt ZnO màu trắng hình ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN thành lắng xuống đáy lọ Chúng tiến hành rửa dung dịch chứa hạt ZnO với nước cất để loại bỏ dung mơi hịa tan tiếp tục rửa dung dịch chứa hạt với alcohol cho vào tủ lạnh (4ºC) để bảo quản Để tăng chất lượng tinh thể hạt ZnO, chúng tơi ủ hạt lò sấy nhiệt độ 550ºC khoảng 12 tiếng đồng hồ mơi trường khơng khí thơng thường 79 Kết nghiên cứu thảo luận Hình dạng hạt ZnO sau tổng hợp phương pháp tăng trưởng thủy nhiệt kiểm tra kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscope), kết phân tích trình bày Hình Kết phân tích ảnh SEM cho thấy, hạt ZnO tổng hợp thành cơng có dạng hình cầu đồng Kết kiểm tra kích thước hạt thể hầu hết hạt có kích thước micro mét Thêm nữa, thấy rõ rằng, bề mặt hạt sau tổng hợp trơn Hình cầu đồng với bề mặt trơn giúp tăng cường hiệu suất quang học vật liệu [6, 7] Hình Quy trình tổng hợp hạt ZnO hình cầu kích thước micro mét phương pháp tăng trưởng thủy nhiệt Kết phân tích hình dạng hạt ZnO thực kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscope) Đặc tính cấu trúc hạt nano ZnO khảo sát cách sử dụng máy phân tích tán xạ tia X (XRD: X-ray Diffraction) dùng nguồn Cu:Kα (λ=1.5415Å) thiết bị đo phổ tán xạ không đàn hồi Raman (Horiba Jobin Yvon HR-800 dùng nguồn kích thích He-Cd laser bước sóng 325nm) Thành phần tỷ lệ nguyên tử hạt ZnO phân tích máy đo phổ tán xạ lượng tia X (EDS: Energy-dispersive X-ray Spectroscopy) cài đặt kính hiển vi điện tử quét đường hầm TEM (Tunneling Electron Microscope) Đây phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu dùng phổ biến cơng trình nghiên cứu vật liệu Thực nghiệm điều khiển hạt ZnO tiến hành cách sử dụng điều khiển nano (Zyvex S100) cài đặt kính hiển vi điện tử quét SEM Đây công cụ hữu ích cho nghiên cứu ứng dụng nano/micro Sự di chuyển đầu dị kích thước nano/micro mét thực hệ tay cầm điều khiển bên ngồi giao diện điều khiển máy tính Các đầu dò sử dụng nghiên cứu đầu dị sợi quang với đầu mũi kích thước khoảng 1µm, chế tạo kỹ thuật đốt nóng kéo [8] Nguồn nhiệt laser khí CO2 dùng để đốt nóng tập trung vào điểm sợi cáp quang tách lớp vỏ bảo vệ bên ngồi, sau thiết bị kéo cáp (Sutter-Instruments P-2000) sử dụng để kéo sợi quang hai bên điểm đốt tách rời thành hai sợi cáp Bằng cách cài đặt thời gian đốt lực kéo, đầu dò sợi quang với đầu mũi kích thước micro mét chế tạo thành cơng Hình (a) (b) Ảnh SEM hạt cầu ZnO sau tổng hợp Đặc tính cấu trúc hạt cầu ZnO phân tích cách dụng kỹ thuật phân tích tán xạ tia X (XRD: Xray Diffraction) phổ lượng liên kết phân tử Raman Thành phần tỷ lệ nguyên tử hạt ZnO phân tích máy đo phổ tán xạ lượng tia X (TEM-EDS) Các hạt ZnO phân tích nằm cỏc li ng (Cu) cú kớch thc 20ì20àm2 Ph lượng tán xạ tia X cho hạt ZnO phân tích kết trình bày Hình 3a Kết thể phổ tán xạ cho thấy có mặt nguyên tử Zn, O Cu Chi tiết tỷ lệ hai nguyên tử Zn O thể Bảng cho thấy tỷ lệ Zn O gần đạt tỷ lệ 1:1 với tỷ trọng nguyên tử Zn:O 4:1, theo đặc tính cấu trúc thành phần cấu tạo phân tử ZnO thực tế Bảng Kết phân tích thành phần nguyên tử hạt cầu ZnO Nguyên tử Tỉ lệ tỷ trọng (%) Tỉ lệ nguyên tử (%) O 17.81 46.96 Zn 82.19 53.04 Tổng 100 100 80 Nguyễn Thanh Hội, Nguyễn Linh Nam Hình Quá trình điều khiển hạt ZnO điều khiển nano với đầu dò làm từ sợi cáp quang cài đặt kính hiển vi điện tử qt SEM Hình (a) Phân tích TEM-EDS tỷ lệ thành phần nguyên tử cho đơn hạt ZnO; (b) Phổ X-ray hạt ZnO; (c) Phổ lượng Raman hạt ZnO Kết phân tích hạt cầu ZnO máy quét tia X (dùng nguồn Cu:Kα, λ=1.5415Å) thể Hình 3b Phổ tán xạ XRD hạt ZnO xuất đỉnh phổ rõ, chứng tỏ hạt ZnO có cấu trúc tinh khiết tất đỉnh phổ tương ứng với mặt cấu trúc tinh thể wurtzit ZnO [9] Để phân tích rõ tinh khiết cấu trúc tinh thể hạt ZnO, đồng thời sử dụng máy phân tích phổ tán xạ khơng đàn hồi Raman Hình 3c trình bày kết phân tích phổ Raman qt từ 200cm-1 đến 2500cm-1dùng nguồn kích thích He-Cd laser bước sóng 325nm với đỉnh phổ tương ứng với rung lưới tinh thể cấu trúc wurtzit ZnO [10] Theo đó, đỉnh phổ 574cm-1 590cm-1 tương ứng với hai chế độ đối xứng dao động quang ngang A1(LO) E1(LO) cấu trúc tinh thể ZnO, cịn hai đỉnh phổ sau tương ứng với sóng hài bậc hai bậc ba chế độ dao động quang ngang A1(LO) Những kết phân tích cấu trúc vật liệu cho thấy, hạt cầu ZnO có cấu trúc tinh thể tốt với pha tạp sau q trình tổng hợp Để đo khả hấp thụ phát quang hạt cầu ZnO với cấu trúc khác hạt đơn, hạt đôi hay ba hạt liên kết, sử dụng điều khiển nano với đầu dò làm sợi cáp quang Toàn hệ thống điều khiển nano đặt bên kính hiển vi điện tử quét SEM để quan sát trực tiếp việc điều khiển vật thể (hạt cầu ZnO) Hình trình bày q trình điều khiển đơn hat ZnO (đường kích hạt khoảng 3µm) Theo đó, hạt ZnO sau đặt đế silicon kiểm soát điều khiển điều khiển nano với đầu dò làm từ sợi cáp quang có kích thước khoảng 1µm Đầu dò quang điều khiển để lấy đơn hạt (Hình 4a) cho đơn hạt dính vào đầu dị, nhờ di chuyển đơn hạt (Hình 4b) khơng gian đến vị trí mong muốn để thả hạt xuống lại đế (Hình 4c) Để thực thành cơng thí nghiệm này, lực tiếp xúc bề mặt, hạt đầu dò phải kiểm sốt cách xác Tham khảo tài liệu để biết thêm chi tiết công dụng điều khiển nano, kỹ thuật chế tạo đầu dò sợi cáp quang, kỹ thuật điều khiển hạt Bằng cách sử dụng kỹ thuật điều khiển chúng tơi tạo hạt cầu ZnO với cấu trúc khác cấu trúc đơn, cấu trúc đôi cấu trúc ba trình bày Hình Cấu trúc đơn hình thành đơn giản việc điều khiển lấy-nhả đơn hạt, cịn cấu trúc đơi hay ba chọn đơn hạt cấu ZnO có kích thước tương đương để điều khiển cho chúng tạo liên kết với ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN Rõ ràng rằng, nhiều cấu trúc hạt tạo ra, nhiên để thể khả thực kỹ thuật điều khiển, chúng tơi trình bày cấu trúc đôi ba Các cấu trúc hạt ZnO sau kích thích nguồn sáng để nghiên cứu, khảo sát đặc tính phát quang vật liệu 81 phản xạ liên tục trường sóng bề mặt bên vật liệu, kết tạo sóng dao động di chuyển xung quanh bề mặt vật liệu Hiện tượng quan sát thực nghiệm tính tốn lý thuyết vật liệu có cấu trúc đồng với bề mặt trơn [9, 13] Hình Phổ quang đơn hạt đặt đế Si với kích thước hạt 5.8µm Hình Các cấu trúc đơn (a), đôi (b) ba (c) hạt tạo thành kỹ thuật điều khiển hạt Phổ phát quang (350÷800nm) cấu trúc hạt ZnO đo kích thích hạt ZnO nguồn tia cực tím từ nguồn bước sóng 325nm Hình trình bày kết đo phổ phát quang đơn hạt cầu ZnO với đường kính hạt khoảng 5.8µm Kết phân tích phổ cho thấy hạt ZnO phát quang với cường độ mạnh vùng tia cực tím tương ứng với phát xạ ánh sáng vùng hóa trị vùng dẫn dải lượng ZnO, điều cho thấy khả hấp thụ tia cực tím mạnh vật liệu Thêm nữa, dễ dàng nhận thấy đỉnh phát xạ ánh sáng phổ phát quang vùng ánh sáng thấy (~620nm) Những kết nghiên cứu khảo sát tương tự báo cáo, mà nguyên nhân thiếu hụt phần nguyên tử O cấu trúc tinh thể ZnO [11, 12] Điều hoàn toàn phù hợp với kết phân tích thành phần nguyên tử thể Bảng trình bày Điều đặc biệt thú vị xuất đỉnh nhỏ bước sóng cách phổ phát quang hạt cầu ZnO, mà nguyên nhân dao động cộng hưởng WGM (Whispering Gallery Modes) WGM chế độ cộng hưởng trường sóng bị giam hảm bên vật liệu với bề mặt trơn Kết đo phổ phát quang hạt ZnO với cấu trúc đôi cấu trúc ba thể Hình Hình Chúng ta thấy rằng, phổ phát quang cấu trúc tương tự phổ hạt đơn gồm đỉnh phổ lớn vùng tia cực tím vùng ánh sáng thấy được, đỉnh phổ dao động cộng hưởng WGM Tuy nhiên, điểm khác biệt cường độ sáng đỉnh cộng hưởng WGM có biên độ lớn có tượng chia tách đỉnh phổ với xuất đỉnh phổ cường độ nhỏ bên cạnh Hiện tượng dự đốn lý thuyết [14], ngun nhân có liên kết phổ hạt đơn ZnO với Kết liên kết phổ làm cho đỉnh phổ có cường độ mạnh hơn, xuất thêm đỉnh phổ khác bước sóng khác dãy phổ phát quang vật liệu Tuy nhiên, cần có thêm nhiều khảo sát thực nghiệm tính tốn lý thuyết để giải thích chi tiết tượng Hình Phổ quang đơi hạt đặt đế Si với kích thước hạt khoảng 4.3µm 82 Nguyễn Thanh Hội, Nguyễn Linh Nam [3] [4] [5] [6] [7] Hình Phổ quang ba hạt đặt đế Si với kích thước hạt khoảng 1.8µm Kết luận Tóm lại, nghiên cứu chúng tơi tổng hợp thành cơng hạt ZnO hình cầu kích thước micro mét với bề mặt trơn Kết phân tích đặc tính cấu trúc hạt kỹ thuật tán xạ tia X tán xạ đàn hồi Raman cho thấy hạt cầu ZnO có cấu trúc tinh thể tốt với pha tạp Đặc tính quang hạt ZnO với cấu trúc đơn, đôi ba đo phân tích Đặc tính phát quang cấu trúc thể nhiều đặc tính nội bật khả hấp thụ tia cực tím mạnh đặc biệt hình thành đỉnh dao động cộng hưởng WGM phổ phát quang [8] [9] [10] [11] [12] [13] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M M Silván, M A Hernández, V T Costa, R J Martín Palma, J M Martínez Duartet, “Structured porous silicon sub-micrometer wells grown by colloidal lithography”, Europhys Lett 76, 690 (2006) [2] C O'Regan, S Biswas, N Petkovab, J D Holmes, “Recent advances in the growth of germanium nanowires: synthesis, growth [14] dynamics and morphology control”, J Mater Chem C 2, 14-33 (2014) L Sang, Y Zhao, C Burda, “TiO2 Nanoparticles as Functional Building Blocks”, Chem Rev 114, 9283–9318 (2014) H M Xiong, D Xie, X Guan, Y Tana, Y Xia, “Water-stable blue-emitting ZnO@polymer core–shell microspheres”,Journal of Materials Chemistry 24, 2490 (2007) A Zhang, L Zhang, L Sui, D Qian, M Chen, “Morphologycontrollable synthesis of ZnO nano-/micro- structures by a solvothermal process in ethanol solution”, Cryst Res Technol 48, 947–955 (2013) R Chen, B Ling, X W Sun, and H D Sun, “Room temperature excitonic whispering gallery mode lasing from high-quality hexagonal ZnO microdisks,” Adv Mater (Deerfield Beach Fla.) 23, 2199–2204 (2011) M Wang, Y Zhou, Y Zhang, E J Kim, S H Hahn, and S G Seong, “Near-infrared photoluminescence from ZnO,” Appl Phys Lett 100, 101906 (2012) L N Nguyen, M C Lin, H S Chen, Y W Lan, C S Wu, K S Chang-Liao, C D Chen, “Photo-response of a nanopore device with a single embedded ZnO nanoparticle”, Nanotechnology 23, 165201 (2012) R S Moirangthem, P Cheng, P C Chien, B T H Ngo, S Chang, C Tien, Y Chang, “Optical cavity modes of a single crystalline zinc oxide microsphere”, Optics Express 21, 3010-3020 (2013) R Cuscó, E A Lladó, J Ibáđez, L Artús, J Jiménez, B Wang, M J Callahan, “Temperature dependence of Raman scattering in ZnO,” Phys Rev B 75, 165202 (2007) J Liu, N Motta, S Lee, “Ultraviolet photodetection of flexible ZnO nanowire sheets in polydimethylsiloxane polymer”, Beilstein J Nanotechnol 3, 353–359 (2012) J Liu, S Lee, Y H Ahn, J Y Park, K H Koh, “Tailoring the visible photoluminescence of mass-produced ZnO nanowires” , Phys D: Appl Phys 42, 095401 (2009) A Paunoiu, R S Moirangthem, A Erbe, “Whispering gallery modes in intrinsic TiO2 microspheres coupling to the defect-related photoluminescence after visible excitation”, Physica status solidi (RRL) 9, 241–244 (2015) L I Deych, C Schmidt, A Chipouline , T Pertsch, A Tünnermann, “Propagation of the fundamental whispering gallery modes in a linear chain of microspheres”, Appl Phys B 93, 21–30 (2008) (BBT nhận bài: 28/07/2015, phản biện xong: 05/09/2015) ... đầu dò sợi quang với đầu mũi kích thước micro mét chế tạo thành cơng Hình (a) (b) Ảnh SEM hạt cầu ZnO sau tổng hợp Đặc tính cấu trúc hạt cầu ZnO phân tích cách dụng kỹ thuật phân tích tán xạ... nghiên cứu tổng hợp thành công hạt ZnO hình cầu kích thước micro mét với bề mặt trơn Kết phân tích đặc tính cấu trúc hạt kỹ thuật tán xạ tia X tán xạ đàn hồi Raman cho thấy hạt cầu ZnO có cấu... tinh thể tốt với pha tạp Đặc tính quang hạt ZnO với cấu trúc đơn, đơi ba đo phân tích Đặc tính phát quang cấu trúc thể nhiều đặc tính nội bật khả hấp thụ tia cực tím mạnh đặc biệt hình thành đỉnh