Nghiên cứu tính chất quang và định hướng ứng dụng của màng tio2 pha tạp nb chế tạo bằng phương pháp phún xạ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM THỊ HỊA NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CỦA MÀNG TiO2 PHA TẠP Nb CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội – 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Thị Hịa NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CỦA MÀNG TiO2 PHA TẠP Nb CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ Chuyên ngành : Quang học Mã số : 60440109 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HOÀNG CHÍ HIẾU TS HỒNG NGỌC LAM HƯƠNG Hà Nội - 2018 LỜI CẢM ƠN Lời xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới: Thầy giáo TS Hoàng Chí Hiếu, TS Hồng Ngọc Lam Hương người trực tiếp bảo tận tình, giúp đỡ tơi suốt thời gian học tập hoàn thành luận văn Đồng thời, tơi cảm kích trước ủng hộ giúp đỡ nhiệt tình TS Lưu Mạnh Quỳnh, TS Phạm Văn Thành thầy tận tình hướng dẫn, bảo cho tơi kiến thức lý thuyết thực nghiệm quý giá, giúp đỡ, động viên để tơi hồn thành khóa luận Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất thầy cô, tập thể cán Bộ mơn Quang học lượng tử, tồn thể người thân, gia đình bạn bè giúp đỡ, động viên để tơi hồn thành luận văn Qua đây, chân thành gửi lời cảm ơn đến Thầy Cô em sinh viên Khoa Vật lý Trung tâm Khoa học vật liệu tạo điều kiện thuận lợi cho suốt q trình học tập hồn thành luận văn Tác giả xin cám ơn hỗ trợ kinh phí đề tài “Giải pháp tiết kiệm lượng: nghiên cứu chế tạo màng dẫn điện suốt TiO2 pha tạp kim loại ứng dụng cho cửa sổ kính nhằm chống nóng chống bẩn” TS Hoàng Ngọc Lam Hương Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2018 Học viên cao học Phạm Thị Hòa i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Lý thuyết chế phản xạ tia hồng ngoại màng có nồng độ điện tử cao…………………………………………………………………………………3 1.2 Màng mỏng suốt dẫn điện (TCO) 13 1.3 Các sản phẩm suốt chắn tia hồng ngoại .14 1.4 Cấu trúc, tính chất vật liệu TiO2 16 1.4.1 Cấu trúc tinh thể TiO2 16 1.4.2 Một số tính chất hố học TiO2 .18 1.4.3 Một số tính chất vật lý đặc trưng vật liệu nano TiO2 .18 1.5 Ứng dụng vật liệu TiO2 19 1.6 Vật liệu TiO2 pha tạp 20 1.7 TiO2 pha tạp Niobium (Nb) 21 1.8 TNO kết hợp với Ag .23 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM .26 2.1 Phương pháp phún xạ .26 2.1.1 Định nghĩa 26 2.1.2 Các loai phún xạ .27 2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng màng trình phún xạ .30 2.1.5 Ưu điểm hạn chế phún xạ [2] 30 2.2 Chế tạo màng TNO đồng phún xạ Ag .32 2.2.1 Quy trình chế tạo 32 2.2.2 Thực hành chế tạo mẫu .33 ii 2.3 Một số phép đo khảo sát tính chất màng 37 2.3.1 Phân tích cấu trúc màng giản đồ nhiễu xạ tia X [2] 37 2.3.2 Kính hiển vi điện tử quét SEM [2] 39 2.3.3 Phương pháp phổ tán xạ Raman .39 2.3.4 Phổ tán xạ, hấp thụ truyền qua [2] 41 2.4 Thiết lập mơ hình thí nghiệm đo hiệu ứng chắn nhiệt loại màng khác 41 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44 3.1 Tính chất màng TNO đồng phún xạ Ag 44 3.1.1 Phổ nhiễu xạ tia X (XDR) 44 3.1.2 Phổ tán xạ Raman 46 3.1.3 Ảnh SEM mặt cắt ngang màng 47 3.2 Tính chất quang màng 49 3.2.1 Năng lượng vùng cấm màng .49 3.2.2 Năng lượng trung bình ánh sáng mặt trời truyền qua màng vùng ánh sáng khả kiến 52 3.2.3 Độ truyền qua trung bình màng vùng ánh sáng hồng ngoại (800 – 2600 nm) 54 3.3 Tính chất chắn nhiệt màng mỏng TNO đồng phún xạ Ag 55 3.3.1 Xây dựng phương trình tính tốn hiệu ứng chắn nhiệt 55 3.3.2 Sự tăng nhiệt độ bên hộp kín chiếu đèn hơng ngoại qua cửa sổ khác 59 3.3.3 Sự phụ thuộc tốc độ truyền nhiệt 𝝆(𝑺)/𝑪, tốc độ tỏa nhiệt 𝝈(𝑺)/𝑪 theo tỉ lệ diện tích cửa sổ .60 3.3.4 Hiệu suất chắn nhiệt màng .64 3.3.5 Đánh giá tính chất màng định hướng ứng dụng thực tế 68 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Một số thông số vật lý tinh thể TiO2 pha anatase, rutile brookite [14] 18 Bảng 1.2: Độ phát xạ E, phản xạ R số vật liệu thông dụng [71] 24 Bảng 2.1: Các thông số chế tạo màng mỏng TNO đồng phún xạ Ag 36 Bảng 3.1: Giá trị số mạng màng mỏng TNO, TNO-Ag 2p, TNO-Ag 4p mẫu TiO2 pha Anatase 45 Bảng 3.2: Năng lượng ánh sáng mặt trời trung bình độ truyền qua màng vùng bước sóng khả kiến từ 380nm đến 760 nm: 53 Bảng 3.3: Độ truyền qua trung bình vùng hồng ngoại gần (800 – 2600 nm) vùng ánh sáng khả kiến (380 – 760 nm) loại màng khác 54 Bảng 4: Độ tăng nhiệt độ bão hòa bên hộp qua loại cửa sổ 65 Bảng 3.5: Tỷ số tốc độ truyền nhiệt tỷ số truyền qua màng TNO, TNO-Ag2p, TNO-Ag 4p 66 Bảng 3.6: Bảng tổng kết tính chất màng: 68 iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Đồ thị  ( ) 𝜔/𝜔𝑝 [69] Hình 1.2: Sự lan truyền sóng điện từ trường hợp κ ảo 10 Hình 1.3: Sự lan truyền sóng điện từ trường hợp κ thực 11 Hình 1.4: Cơ chế phản xạ xạ nhiệt theo thay đổi thời tiết [18] 15 Hình 1.5: Cấu trúc tinh thể TiO2 pha anatase (a), rutile (b), brookite (c) [67] 16 Hình 1.6: Khối bát diện TiO2 [67] 17 Hình 1.7: Cơ chế pha tạp Nb vào mạng tinh thể TiO2 pha Anatase [19] 22 Hình 1.8: Ý tưởng để tạo màng TNO kết hợp Ag phương pháp đồng phún xạ quy trình bước 25 Hình 2.1: Nguyên lí hoạt động chung phương pháp phún xạ [66] 26 Hình 2.2: Sơ đồ hệ phóng điện cao áp chiều (a), cao tần có tụ chặn làm tăng hiệu suất bắn phá ion (b) [65] 27 Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý bẫy điện tử từ trường hệ phún xạ magnetron[65] 29 Hình 2.4: Thiết bị phún xạ súng SP-01 hãng SYSKEY 32 Hình 2.5: Các dung dịch rửa đế: aceton, ethanol, axit H2SO4, H2O2 máy rung siêu âm 33 Hình 2.6: Bia TNO (a) lắp vào súng RF2, bia Ag (b) lắp vào súng RF1 buồng phún xạ (c) 34 Hình 2.7: Đế giữ gá đưa vào buồng phún xạ 34 Hình 2.8: Sơ đồ mơ thí nghiệm q trình đồng phún xạ tạo màng TNO kết hợp Ag 35 Hình 2.9: Nhiễu xạ tia X tinh thể 38 Hình 2.10: Thu phổ nhiễu xạ tia X 38 Hình 2.11: Nhiễu xạ kế tia X 38 Hình 2.12: Thiết bị đo kính hiển vi điện tử quét (SEM), Model NANOSEM450, Hà Lan 39 Hình 2.13: Cơ chế thu phổ Raman [40] 39 v Hình 2.14: Thiết bị đo phổ tán xạ Raman Labram HR800 hãng Horiba 40 Hình 2.15: Hệ đo phổ hấp thụ UV-VIS 41 Hình 2.16: Sơ đồ mơ thí nghiệm đo truyền nhiệt từ đèn hồng ngoại qua loại cửa sổ khác 42 Hình 2.17: Hệ thí nghiệm đo hiệu ứng chắn nhiệt màng 43 Hình 3.1: Phổ XRD màng TNO, TNO-Ag 2p, TNO-Ag 4p 44 Hình 3.2: Phổ tán xạ Raman màng TNO, TNO-Ag 2p, TNO-Ag 4p 46 Hình 3.3: Ảnh SEM mặt cắt ngang màng: TNO-Ag 2p(a) TNO-Ag 4p(b) 47 Hình 3.4: Phổ truyền qua màng mỏng TNO, TNO-Ag 2p, TNO-Ag 4p vùng ánh sáng tử ngoại - khả kiến – hồng ngoại gần 49 Hình 3.5: Đồ thị Tauc màng mỏng TNO, TNO-Ag 2p, TNO-Ag 4p 50 Hình 3.6: Đồ thị thể mối quan hệ lượng độ rộng vùng cấm thời gian đồng phún xạ 51 Hình 3.7: Năng lượng ánh sáng mặt trời truyền qua màng 52 Hình 3.8: Diện tích bề mặt chiếu sáng S0 diện tích đặt kính S 55 Hình 3.9: Đồ thị thể mối quan hệ tăng nhiệt độ bên hộp thời gian chiếu đèn hồng ngoại, diện tích cửa sổ 59 Hình 3.10: Sự phụ thuộc tốc độ truyền nhiệt S   S  (a), tốc độ tỏa nhiệt (b) C C theo tỉ lệ diện tích S/S0 61 Hình 3.11: Đồ thị thể thể mối quan hệ tốc độ truyền nhiệt ρ (S = S0 )/C(a), tốc độ tỏa nhiệt σ(S = S0 )/C (b) loại màng khác vào thời gian đồng phún xạ 62 Hình 3.12: Đồ thị thể mối quan hệ tốc độ truyền nhiệt ρ (S = 0)/C (a), tốc độ tỏa nhiệt σ(S = 0)/C (b) loại màng khác với thời gian đồng phún xạ 63 vi BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ag Kim loại bạc AZO Màng ZnO pha tạp nhơm CG Kính thủy tinh Corning DC sputtering Phún xạ chiều ĐH KHTN Đại học khoa học tự nhiên ĐH QGHN Đại học Quốc gia Hà Nội Eg Độ rộng vùng cấm ITO (indium tin oxide) Kính phủ lớp dẫn điện suốt ITO PED (pulsed electron deposition) Lắng đọng xung chùm điện tử PLD (pulsed laser deposition) Lắng đọng xung lade RF sputtering Phún xạ xoay chiều SEM (scanning electron microscope) Kính hiển vi điện tử quét TC (Transparents conductor) Chất dẫn điện suốt TCO (Transparent Conducting Oxide) Vật liệu xít dẫn điện suốt TNO (Ti0.94Nb0.09O2) Màng TiO2 pha tạp Nb % TNO-Ag 2p Màng TNO 9% đồng phún Ag phút TNO-Ag 4p Màng TNO 9% đồng phún Ag phút UV-Vis (ultraviolet - visible - Phổ tử ngoại - khả kiến spectroscopy) XRD (X-ray diffraction) Nhiễu xạ tia X vii MỞ ĐẦU Ngày nay, nhu cầu sử dụng lượng người ngày cao, nguồn lượng gió, mặt trời, thủy điện… nhà nghiên cứu quan tâm Tuy nhiên, hiệu suất nguồn lượng chưa cao Năng lượng hạt nhân đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ lượng lại tiềm ẩn nhiều nguy rủi ro Vì thế, nguồn lượng truyền thống dầu mỏ khí đốt sử dụng song song để đáp ứng nhu cầu sử dụng lượng toàn Thế Giới Việc sử dụng nguồn lượng gây hậu tượng nóng lên tồn cầu, mơi trường bị nhiễm, hay ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người Sử dụng lượng, người hạn chế biến đổi khí hậu tiết kiệm mặt kinh tế Vì vậy, ngồi việc tìm nguồn lượng tiết kiệm lượng trở thành nhiệm vụ hàng đầu nhà khoa học Gần đây, nhà khoa học hướng tới tạo sản phẩm làm mát có khả giảm nóng trực tiếp, khơng làm ảnh hưởng tới q trình nóng lên tồn cầu đồng thời tiết kiệm lượng Một sản phẩm màng chắn tia hồng ngoại sản xuất từ vật liệu xít dẫn điện suốt (TCO: Transparent Conducting Oxide) Vật liệu TCO sử dụng nhiều làm điện cực cho loại hình pin mặt trời mà cịn có nhiều ứng dụng lĩnh vực tiết kiệm lượng nhờ vào số xạ nhiệt thấp ngăn xạ hồng ngoại Tính chất cho phép lớp màng dẫn điện suốt phủ lên kính cửa sổ phản xạ lại tia hồng ngoại, cải thiện đáng kể khả chống nóng lớp kính Hiện nay, vật liệu TCO nhà nghiên cứu quan tâm để tối ưu hóa tính chất điện quang Các vật liệu chế tạo thành công màng Indium Tin Oxide (ITO) [22]; màng ZnO pha tạp nhôm (AZO) [53, 39]; hay TiO2 pha tạp Nb (TNO) [47]… Trong loại vật liệu này, TNO loại TCO mới, có tính dẫn điện độ suốt cao, so sánh với ITO AZO giá thành lại thấp nhiều, đặc biệt, TNO bền khơng khí mơi trường có tính khử cao [63, 56, 46] Hơn TiO2 chất có khả tự làm sạch, độ ổn định hóa học Từ phương trình (3.22) ta thấy tốc độ truyền nhiệt S  loại màng C khác điều kiện chiếu đèn diện tích chiếu sáng phụ thuộc hồn tồn vào k1 (hệ số truyền nhiệt vật liệu làm cửa sổ) Từ ta thấy hệ số truyền nhiệt k1 giảm dần theo thời gian đồng phún xạ Màng TNO-Ag 4p có tốc độ truyền nhiệt thấp Theo phương trình (3.23), tốc độ tỏa nhiệt  S  , việc phụ thuộc C vào 𝜎1 (hệ số tỏa nhiệt vật liệu làm cửa sổ) phần lớn chúng phụ thuộc vào 𝜎2 (hệ số tỏa nhiệt vật liệu làm hộp) Mà ta biết hộp làm xốp cách nhiệt nên hầu hết giá trị  S  có thay đổi nhỏ thể Hình C 3.11b b, Tốc độ truyền nhiệt S   S  , tốc độ tỏa nhiệt tính tốn với loại C C cửa sổ khác ứng với điều kiện biên S = 0: Thời gian đồng phún xạ Thời gian đồng phún xạ Hình 3.12: Đồ thị thể mối quan hệ tốc độ truyền nhiệt 𝝆 (𝑺=𝟎) 𝑪 (a), tốc độ tỏa nhiệt 𝝈(𝑺=𝟎) 𝑪 (b) loại màng khác với thời gian đồng phún xạ Từ Hình 3.12 (a) ta thấy điều kiện biên S = tốc độ truyền nhiệt 𝜌(𝑆=0) 𝐶 có giá trị nhỏ Những giá trị giống khoảng sai số 63 tiêu chuẩn, phù hợp với mơ hình thí nghiệm Kết tương tự đạt tốc độ tỏa nhiệt 𝜎(𝑆 = 0) 𝐶 thể Hình 3.12 (b) Điều giải thích sau: diện tích cửa sổ S = cơng thức tốc độ truyền nhiệt có biến đổi: S  0 PS  k2 C C (3.24)  S  0 5PS  2 C C (3.25) Từ hai phương trình (3.24) (3.25), trường hợp S = 0, tốc độ truyền nhiệt, tốc độ tỏa nhiệt phụ thuộc vào k2, 𝜎2 hệ số truyền nhiệt, tỏa nhiệt vật liệu làm hộp Mà hộp làm xốp cách nhiệt chiếu đèn hồng ngoại lượng nhiệt truyền vào hộp lượng nhiệt giải phóng khỏi hộp thấp, nhiệt độ bên hộp gần không thay đổi Từ công thức hai phương trình (3.24) (3.25), ta rút tỷ số 𝑘1 𝑘2 số liệu cụ thể trường hợp điều kiện biên (S = S0 S = 0) ta thu kết k1  Điều chứng tỏ hệ số truyền nhiệt vật liệu làm hộp (k2) nhỏ k2 so với hệ số truyền nhiệt vật liệu làm cửa sổ (k1)  Kết luận: Từ phân tích thấy:  Tốc độ hay hệ số truyền nhiệt tốc độ hệ số tỏa nhiệt màng phụ thuộc hồn tồn vào tính chất màng theo thứ tự giảm dần: CG, TNO, TNO-Ag 2p, TNO-Ag 4p  Phương trình xây dựng để đánh giá tính chất màng xác 3.3.4 Hiệu suất chắn nhiệt màng Thay giá trị tốc độ tuyền nhiệt vào phương trình (3.18): S  S   T S , t   T0   e  S   S    S t C , ta tính độ tăng nhiệt độ bão hòa bên hộp, chúng có giá trị tương ứng thể bảng sau: 64 Bảng 3.4: Độ tăng nhiệt độ bão hòa bên hộp qua loại cửa sổ Các loại màng làm cửa sổ CG TNO TNO-Ag 2p TNO-Ag 4p 30,93 20,18 17,48 12,78 34,75 43,48 58,68 Độ tăng nhiệt độ bão hòa bên hộp (0C) Hiệu suất chắn nhiệt màng so với CG (%) Từ Bàng 3.4 ta thấy độ tăng nhiệt độ bão hòa bên hộp qua loại cửa sổ theo thứ tự giảm dần từ CG, TNO, TNO-Ag 2p, TNO-Ag 4p Nói cách khác, so với hộp cấu thành từ cửa sổ CG, lượng làm mát cần thiết để nhiệt độ bên hộp cân với nhiệt độ bên hộp giảm cửa sổ làm từ TNO, TNOAg 2p, TNO-Ag 4p số liệu tính tốn cách cụ thể Bảng 3.4, ta định nghĩa cách ngắn gọn hiệu suất chắn nhiệt màng TNO, TNO-Ag 2p, TNO-Ag 4p so với kính CG Bảng 3.4 cho ta thấy hiệu suất chắn nhiệt màng: TNO, TNO-Ag 2p, TNO-Ag 4p tăng lượng Ag kết hợp vào màng tăng Từ công thức (3.22): S  S  PS o  k1 C 1 ta tính tỷ số tốc C C   độ truyền nhiệt màng so với kính thủy tinh CG: 𝜌𝑇𝑁𝑂 (𝑆=𝑆0 ) 𝐶 𝐶𝐺 𝜌 (𝑆=𝑆0 ) 𝐶 = 𝑘1𝑇𝑁𝑂 𝑘1𝐶𝐺 𝑇𝑁𝑂−𝐴𝑔 2𝑝 ; 𝑘1 𝑘1𝐶𝐺 𝑇𝑁𝑂−𝐴𝑔 4𝑝 ; 𝑘1 𝑘1𝐶𝐺 Tỷ số tốc độ truyền nhiệt thể bảng sau: 65 (3.26) Bảng 3.5: Tỷ số tốc độ truyền nhiệt tỷ số truyền qua màng TNO, TNO-Ag 2p, TNO-Ag 4p Tỷ số tốc độ truyền nhiệt so TNO TNO-Ag2p TNO-Ag 4p 63,47% 49,28% 31,61% 62,46% 28,79% 12,93% với kính CG (%) Tỷ số độ truyền qua vùng hồng ngoại gần (%) Bảng 3.5 thể kết tỷ số tốc độ truyền nhiệt TNO, TNO-Ag 2p, TNO-Ag 4p so với CG có xu hướng giảm dần lượng Ag kết hợp vào màng tăng Như ta đề cập phần tính chất quang trước độ truyền qua màng vùng ánh sáng hồng ngoại có xu hướng giảm dần tương ứng với thời gian đồng phún xạ Ag tăng Từ thu kết tỷ số độ truyền qua loại màng TNO, TNO-Ag 2p, TNO-Ag 4p so sánh với độ truyền qua kính CG có xu hướng giảm dần tương ứng với thời gian đồng phún xạ tăng Như có mối tương quan tỷ số tốc độ truyền nhiệt tỷ số truyền qua ánh sáng vùng hồng ngoại chúng có khuynh hướng giảm thời gian đồng phún xạ tăng Nhưng giá trị có chênh lệch Sự chênh lệch hai giá trị nhiệt độ bề mặt cửa sổ làm mát thụ động hệ thống thơng gió, với tương quan phổ đèn hồng ngoại phổ truyền qua vùng hồng ngoại vật liệu [50] Bên cạnh đó, tốc độ giải phóng nhiệt  S  S0  gồm hai phần chính: dẫn C nhiệt vật liệu giải phóng nhiệt xạ Boltzmann, đại lượng tương đối nhỏ so với nhiệt lượng giải phóng từ hộp mơi trường xung quanh [38] Để giải thích gia tăng nhiệt độ bên hộp kín từ nguồn chiếu sáng ánh sáng mặt trời [49-50] nguồn sáng hồng ngoại nhân tạo [37-52], 66 nhà nghiên cứu đưa số mơ hình mơ hình áp dụng mái suốt cửa sổ Trong số mơ hình nghiên cứu mơ hình Mohelnikova tương tự mơ hình nghiên cứu [37-38] Tuy nhiên Trong mơ hình Mohelnikova, truyền nhiệt khơng gian bên hộp bên ngồi phức tạp có kết hợp dẫn nhiệt, đối lưu vật liệu tường, xạ nhiệt Stefan-Boltzmann nguồn đèn hồng ngoại Do đó, tham số truyền nhiệt khơng thể ước tính cách dễ dàng Trong mơ hình đo nhiệt này, gia tăng nhiệt độ bên hộp kín đơn giản hố với hai tham số cho vật liệu: tỷ lệ hệ số truyền nhiệt tỷ lệ hệ số giải phóng nhiệt Các tỷ lệ bao gồm dẫn nhiệt vật liệu giải phóng nhiệt xạ Sự dẫn nhiệt tỉ lệ với nhiệt độ tăng hộp Còn giải phóng nhiệt xạ viết phương trình Stefan-Boltzmann trình bày Do đó, tỷ lệ hệ số truyền nhiệt tỷ lệ giải phóng nhiệt coi số Bên cạnh đó, phép đo phụ thuộc tăng nhiệt độ bên vào thời gian chiếu đèn diện tích cửa sổ, ta đánh giá tỷ lệ truyền nhiệt vật liệu cửa sổ hộp Trong nghiên cứu giảm thiểu dẫn nhiệt xạ Boltzmann không gian bên khơng gian bên ngồi hộp Do đó, tốc độ truyền nhiệt coi tỷ lệ với độ truyền qua trung bình vật liệu cửa sổ kính vùng hồng ngoại 67 3.3.5 Đánh giá tính chất màng định hướng ứng dụng thực tế Bảng 3.6: Bảng tổng kết tính chất màng Tỷ số tốc độ truyền nhiệt TNO TNO-Ag2p TNO-Ag 4p 63,47 % 49,28 % 31,61 % 62,46 % 28,79 % 12,93 % 34,75 % 43,48 % 58,68 % 5,86 × 10-6 4,73 × 10-6 2,82 × 10-6 2,03 × 10-4 2,06 × 10-4 1,65 × 10-4 (%) Tỷ số độ truyền qua vùng NIR (%) C - Khả làm mát (%) E - Năng lượng mặt trời truyền qua vùng khả kiến (W/m2.nm) CxE Từ kết phân tích tính tốn chúng tơi đánh giá tính chất màng thơng qua tích số giá trị lượng mặt trời truyền qua vùng khả kiến (E) khả làm mát (C) nhận thấy màng TNO-Ag 2p màng có chất lượng tốt Tuy nhiên tùy theo điều kiện mơi trường thực tế mà loại màng có ứng dụng cụ thể:  Màng TNO, TNO-Ag 2p: có độ truyền qua khoảng 70% - 80% vùng ánh sáng nhìn thấy có khả chắn nhiệt tốt, phù hợp với trường hợp ưu tiên độ truyền qua  Màng TNO-Ag 4p có độ truyền qua trung bình vùng nhìn thấy (50%), khả chắn nhiệt lại cao phù hợp với trường hợp ưu tiên làm mát 68 KẾT LUẬN Để hoàn thành mục tiêu chế tạo nghiên cứu tính chất quang, tính chất chắn nhiệt vật liệu chúng tơi tiến hành hệ công nghệ phân tích hệ thiết bị đại Các kết luận văn: Nghiên cứu tổng quan vật liệu TCO, TiO2, TiO2 pha tạp Nb, TNO kết hợp Ag Nghiên cứu tổng quan lý thuyết khả chắn nhiệt màng mỏng có nồng độ hạt tải cao Chế tạo thành công màng TNO TNO kết hợp Ag phương pháp đồng phún xạ quy trình bước Đã khảo sát: giản đồ nhiễu xạ tia X, phổ tán xạ Raman, ảnh SEM để xác định thành phần cấu trúc, hình thái màng TNO, TNO-Ag 2p, TNO-Ag 4p Đã khảo sát tính chất quang màng thu thơng qua phổ truyền qua vùng bước sóng từ 250 nm đến 2600 nm màng: Các màng có độ truyền qua tương đối vùng ánh sáng khả kiến (50 – 76 %) có độ truyền qua thấp vùng hồng ngoại gần (13 – 60 %) Xây dựng thành cơng mơ hình đo hiệu suất chắn nhiệt, đồng thời xây dựng phương trình tính tốn lý thuyết để khảo sát hiệu ứng chắn nhiệt màng Đã khảo sát hiệu ứng chắn nhiệt màng mỏng mơ hình hộp xốp:  Hiệu suất chắn nhiệt cải thiện kết hợp Ag vào màng TNO  Hiệu suất chắn nhiệt có xu hướng tăng dần theo lượng Ag kết hợp vào màng: Tăng từ 34,75% đến 58,68% tương ứng với thời gian đồng phún xạ Ag từ đến phút  Hiệu suất chắn nhiệt có mối liên hệ với tính chất quang màng vùng hồng ngoại gần  Màng TNO-Ag 2p màng có tính chất tốt màng chế tạo  Từ kết đạt khẳng định: Màng TNO, TNO-Ag 2p, TNO-Ag 4p màng dẫn điện suốt vùng nhìn thấy có khả chắn nhiệt 69 Các màng mỏng có tiềm cao việc ứng dụng sản xuất loại kính đa chức chống nóng, chống bẩn mang đến yếu tố Việt Nam quốc tế Do thời gian điều kiện có hạn nên kết nghiên cứu luận văn chưa thật đầy đủ Hơn mơ hình thí nghiêm chống nóng phù hợp với hợp cách nhiệt với bề mặt làm mát chủ động Bên cạnh đó, tương quan đèn hồng ngoại hệ số truyền qua hồng ngoại mẫu cửa sổ cần nghiên cứu thêm để tạo phù hợp tốt thực nghiệm lý thuyết Nếu điều kiện cho phép, tác giả mong muốn thực đề tài mô hình mơ nhà thực tế khảo sát đo hiệu ứng chắn nhiệt nhiều địa điểm ngồi phịng thí nghiệm với nguồn cấp nhiệt ánh sáng mặt trời Từ đánh giá hiệu ứng chắn nhiệt màng nhiều điều kiện khác 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: Tạ Đình Cảnh, Các phương pháp chế tạo màng mỏng, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội Nguyễn Năng Định, Vật lý kỹ thuật màng mỏng, Trường Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN, Nhà xuất Đại học Quốc Gia Hà Nội Trần Tứ Hiếu (2003), Phân tích trắc quang phổ hấp thụ UV-Vis, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội TS Nguyễn Thị Huệ, “Nghiên cứu xử lý ô nhiễm khơng khí vật liệu sơn nano TiO2/Apatite, TiO2/Al2O3 TiO2/bông thạch anh”, (2010) Nguyễn Ngọc Hùng (2011), Nghiên cứu chế tạo hạt nano bạc khả sát khuẩn nó, Khóa luận tốt nghiệp trường ĐH Công nghệ - ĐH Quốc gia Hà Nội Nguyễn Cao Khang (2012), Chế tạo vật liệu Nano TiO2 Pha Fe, Co, Ni, N, vật liệu TiO2/GaN nghiên cứu số tính chất vật lí chúng, ĐH Sư phạm Hà Nội Nguyễn Thị Lan (2017), Nghiên cứu tính chất quang xúc tác vật liệu TIO2 pha tạp Nb Ag chế tạo phương pháp đồng phún xạ, Khóa luận tốt nghiệp ĐH KHTN - ĐH Quốc gia Hà Nội Hồng Nhâm (2005), Hóa vơ tập III, NXB GD, Hà Nội Ngô Văn Thanh (2009), Bài giảng Vật lý II 10 ThS Vũ Thị Hạnh Thu, Các giảng Vật Lý Màng Mỏng, Trường ĐH KHTN TPHCM 11 Nguyễn Phúc Thuần (1996), Điện động lực học, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 12 Phạm Văn Tường (2007), Vật liệu vô cơ, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội 71 13 Nghiêm Bá Xuân, Mai Tuyên (2006), Nghiên cứu chế điều kiện chế tạo vật liệu nano TiO2 dạng anatase dùng làm xúc tác quang hóa, Tạp chí khoa học ứng dụng, Số (54) Tiếng Anh: 14 AbdElmoula M (2011), Optical, electrical and catalytic properties of titania nanotubes, Northeastern University 15 A Dawar and J Joshi (1984), J Mater Sci., 19, pp 1-23 16 Akira Fujishima, Kazuhito Hashimoto, Toshiya Watanabe (1999), “TiO2 photocatalysis fundamentals and applications”, CMC, Co., Ltd 1999 17 A.K.P.D Savio, J Fletcher, F.C Robles, (2012), “Sonosynthesis of nanostructured of TiO2 doped with transition metals having bandgrap”, Ceramics International, Available online at www Sciencedirect.com, www.elsevier.com /locate/ceramint 18 Ali Tahouri (2015), “Evaluation of Windows and Energy Performance CaseStudy”, Thesis for: Master of Science, Ali TahouriEastern Mediterranean University 19 Benjamin J Morgan, David O Scanlon, Graeme W Watson (2009), “Small polarons in Nb- and Ta-doped rutile and anatase TiO2”, J Mater Chem., 19, pp 5175-51725 20 B Neumann, F Bierau, B Johnson, C A Kaufmann, K Ellmer and H Tributsch (2008), Phys Status Solidi B, 245, pp 1849-1857 21 Breckenridge R G., Hosler W R (1953), “Electrical properties of titanium dioxide semiconductors”, Phys Rev; 91(4):793–802 22 C.G Granqvist, A Hultaker (2002), “Transparent and conducting ITO films: new developments and applications”, Thin Solid Films, Vol 411, p 1-5 23 C.G Granqvist (2007), Sol Energ Mat Sol C 91, pp 1529-1598 24 Choi WY, Termin A, Hoffmann MR (1994), “The role of metal ion dopants in quantum-sized TiO2: correlation between photoreactivity and charge carrier recombination dynamics”, J Phys Chem; 84: 13669–79 72 25 Colm Durkan (2007), Current at the nanoscale – An Introduction to Nanoelectronics, Imperial College Press 26 David K Ferry and S M Goodnick (1997), Transport in nanostructures, Cambridge University Press 27 Donald M Mattox and Vivienne Harwood Mattox (2008), “Review of Transparent Conductive Oxides (TCO)”, Fall Bulletin, pp 38 – 45 28 Edwards P P (2004), “Basic materials physics of transparent conducting oxides”, Dalton Trans., The Royal Society of Chemistry UK, 2995 29 Erika IvethCedillo-González, RaffaeleRiccò, MoniaMontorsi, MauroMontorsi, PaoloFalcaro, CristinaSiligardi (2014), “Self-cleaning glass prepared from a commercial TiO2 nano-dispersion and its photocatalytic performance under common anthropogenic and atmospheric factors”, Building and Environment, Volume 71, Pages 7-14 30 Geotrey I N Waterhouse, Graham A Bowmaker and James B Metson (2001), "The thermal decomposition of silver (I, III) oxide : A combined XRD, FT-IR and Raman spectroscopic study”, Phys Chem Chem Phys., 3, pp 3838-3845 31 Goutam Kumar Dalapati, Ajay Kumar Kushwaha, Mohit Sharma, Vignesh Suresh, Santiranjan Shannigrahi, Siarhei Zhuk, Saeid Masudy (2018), “Transparent Heat Regulating (THR) Materials and Coatings for Energy Saving Window Applications: Impact of Materials Design, Micro-Structural, and Interface Quality on the THR Performance”, Progress in Materials Science, https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2018.02.007 32 H Kima, U.A Piquéb, J.S Horwitzb, H Muratab, Z.H Kafafib, C.M Gilmorea and D.B Chrisey (2000), Thin Solid Films 377-378, 798-802 33 H Lina, Abdul K Rumaizb, Meghan Schulzc, DeminWanga, Reza Rockd, C.P Huanga, and S Ismat Shah (2008), “Photocatalytic activity of pulsed laser deposited TiO2 thin films”, Materials Science and Engineering B 151, p 133 34 Hwu Y., Yao Y D., Cheng N F., Tung C Y., Lin H M (1997),“X-ray absorption of nanocrystal TiO2”, Nanostructured Materials 9:355-358 73 35 I.M Arabatzis et al (2003), “Silver-modified titanium dioxide thin films for efficient photodegradation of methyl orange”, Applied Catalysis B : Environmental 42, pp 187- 201 36 Jérôme Labille et al (2010), “Aging of TiO2 nanocomposites used in sunscreen Dispersion and fate of the degradation products in aqueous environment”, Environmental Pollution 158, pp 3482-3489 37 J Mohelnikova (2009), “Materials for reflective coatings of window glass applications”, Construction and Building ws`Materials 23, 1993-1998 38 J Mohelnikova (2008), "Method for evaluation of radiative properties of glass samples”, Applied Thermal Engineering 28, 388-395 39 Joana Loureiro, et al (2014), “Transparent aluminium zinc oxide thin films with enhanced thermoelectric properties”, Journal of Materials Chemistry A 40 John R.Ferraro, Kazuo Nakamoto (1994), “Introduction Raman Spectroscopy”, Academic Press 41 J Yang, X Zhang, C Wang, P Sun, L Wang, B Xia, and Y Liu (2012), “Solar Photocatalytic Activities of Porous Nb-Doped TiO2 Microspheres Prepared by Ultrasonic Spray Pyrolysis”, Solid State Sci., 14, 139 – 44 42 L Bedikyan, S Zakhariev, M Zakharieva, (2013), “Titannium dioxide thin films: preparation and optical properties”, Journal of Chemical Technology and Metallurgy, 48, 6, 2013, 555-558 43 L M Quynh, N T Tien, P V Thanh, N M Hieu, S C Doanh, N T Thuat, N V Tuyen, N H Luong and N L H Hoang, Physica B: Condensed Matter, doi: 10.1016/j.physb.2017.05.024, 2017, in press 44 Luu Manh Quynh, Nguyen Thi Tien, Nguyen Ba Loc, Vu Quang Tho, Nguyen Thi Lan, Pham Van Thanh, Nguyen Minh Hieu, Ngoc Lam Huong Hoang, Nguyen Hoang Luong (2017), "Thermal resistant efficiency of Nb-doped TiO2 thin film based glass window", Journal of Science: Advanced Materials and Devices 2, pp 392-397 74 45 M.B Suwarnkar, R.S Dhabbe, A.N Kadam, K.M Garadkar (2014), "Enhanced photocatalytic activity of Ag doped TiO2 nanoparticles synthesized by a microwave assisted method”, Ceramics International 40, pp 5489–5496 46 Meagen A Gillispie, Maikel F.A.M van Hest, Matthew S Dabney, John D Perkins and David S Ginley (2007), Journal of Materials Research 22, pp 2832-2837 47 NaoomiYamada, et al (2008), “Structural, electrical and optical properties of sputter-deposited Nb-doped TiO2 (TNO) polycrystalline films”, Thin Solid Films, Vol 516, pp 5754-5757 48 N L H Hoang, M Q Luu, V T Pham, M H Nguyen, T L Nguyen, T H Pham, C H Hoang, H L Nguyen (2018), “Influence of Ag on properties of Ag combined Nb-doped TiO2 (TNO) thin films deposited by co-sputtering process”, Indian journal of physics, https://doi.org/10.1007/s12648-018-1245-x 49 R Levinson, H Akbari and J C Reilly (2007), “Cooler tile-roofed buildings with near-infrared-reflective non-white coatings”, Building and Environment 42, 2591-2605 50 R Levinson, P Berdahl and H Akbari (2005), “Solar spectral optical properties of pigments - Part I: model for deriving scattering and absorption coefficients from transmittance and reflectance measurements”, Solar Energy Materials & Solar Cells 89, 319-349 51 R.S Rusu, G.I.Rusu (2005), “On the electrical of TiO2 thin film”, Journal of optoelectronics and advanced materials 7P234 52 R Yang, A Han, M Ye, X Chen and L Yuan, Synthesis (2017), “Characterization and thermal performance of Fe/N co-doped MgTiO3 as a novel high near-infrared reflective pigment”, Solar Energy Materials & Solar Cells 160, pp 307-318 53 S Saini, et al (2014), “Thermoelectric Properties of Al-Doped ZnO Thin Films”, Journal of Electronic Materials 54 S Seegera, K Ellmerb, M Weisea, D Gogovac, D Abou-Rasb, and R Mientusa (2016), "Reactive magnetron sputtering of Nb-doped TiO2 films: 75 Relationships between structure, composition and electrical properties", Thin Solid Films 605, pp 44–52 55 S Sen, S Mahanty, S Roya, O Heintz, S Bourgeois and D Chaumont (2005), Thin Solid Films, 474, pp 245 56 Taro Hitosugi, Yutaka Furubayashi, Atsuki Ueda, Kinnosuke Itabashi, Kazuhisa Inaba, Yasushi Hirose, Go Kinoda, Yukio Yamamoto, Toshihiro Shimada and Tetsuya Hasegawa (2005), Jpn J Appl Phys 44, L1063 57 Taro Hitosugi, Naoomi Yamada1, Shoichiro Nakao1, Yasushi Hirose, and Tetsuya Hasegawa (2010), “Properties of TiO2-based transparent conducting oxides”, Phys Status Solidi A 207, No 7, pp 1529–1537 58 Tim Luttrell, Sandamali Halpegamage, Junguang Tao, Alan Kramer, Eli Sutter & Matthias Batzill, (2014), “Why is anatase a better photocatalyst than rutile?”, Scientific Reports volume 4, Article number: 4043 59 T Ohsaka, F Izumi, Y Fujiki (1978), “Raman Spec 7”, pp 321 60 Wenjuan Li, Robert Liang, Anming Hu, Zhaohui Huang, Y Norman Zhou (2014) , “Generation of oxygen vacancies in visible light activated onedimensional iodine TiO2 photocatalysts”, RSC Adv., 2014, 4, 36959 61 Xu JC, Shi YL, Huang JE, Wang B, Li HL (2004), “Doping metal ions only onto the catalyst surface” J Mol Cata A: Chem;219:351–5 62 Ye X., Sha J., Jiao Z., Zhang (1998), “Thermoanalytical characteristic of nanocrystalline brookite-based titanium dioxide”, L.Nanostruct Mater, 8, 919927.7 63 Y Furubayashi, H Hitosugi, Y Yamamoto, K Inaba, G Kinoda, Y Hirose, T Shimada, and T.Hasegawa (2005), Appl Phys Lett 86, 252101 64 Y Yang, J Wen, J Wei, R Xiong, J Shi and C Pan (2013),"PolypyrroleDecorated Ag-TiO2 Nanofibers Exhibiting Enhanced Photocatalytic Activity under Visible-Light Illumination", ACS Appl Mater Interfaces 5, 6201- 6207 76 Website: 65 http://mientayvn.com/Mang_mong/SERMINAR/New_1/Phun_xa_MAGNET RON_RF.pdf 66 https://vi.wikipedia.org/wiki/Phún_xạ_cathode 67 https://vi.wikipedia.org/wiki/Titan 68 https://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_oscillation 69 http://uw.physics.wisc.edu/~himpsel/551/Lectures/Plasmonics.pdf 70 https://www.britannica.com/science/plasma-oscillation 71 https://www.engineeringtoolbox.com/emissivity-coefficients-d_447.html 77 ... Hịa NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CỦA MÀNG TiO2 PHA TẠP Nb CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ Chuyên ngành : Quang học Mã số : 60440109 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG... vọng màng TNO kết hợp Ag tăng hiệu suất chống nóng mà cịn sử dụng màng đa chức Trên sở tơi chọn đề tài ? ?Nghiên cứu tính chất quang định hướng ứng dụng màng TiO2 pha tạp Nb chế tạo phương pháp phún. .. đi-ốt phát quang hữu (OLED) [57] TCO nghiên cứu sử dụng vào năm 1907 với CdO Từ đến nhiều vật liệu TCO dạng màng mỏng nghiên cứu chế tạo ZnO pha tạp, SnO2 pha tạp, In2O3 pha tạp, TiO2 pha tạp Cuối