NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO CÁC LOẠI VẬT LIỆU LAI CƠ KIM HALOGEN PEROVSKITE CẤU TRÚC NANO ỨNG DỤNG TRONG QUANG ĐIỆN TỬ Tóm tắt luận văn thạc sĩ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHAN VŨ THỊ VÂN NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO CÁC LOẠI VẬT LIỆU LAI CƠ KIM HALOGEN PEROVSKITE CẤU TRÚC NANO ỨNG DỤNG TRONG QUANG ĐIỆN TỬ Ngành: Vật liệu Linh kiện nano Chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện bán dẫn nano Mã số: 8440126.01 QDT Tóm tắt luận văn thạc sĩ: Vật liệu Linh kiện nano Hà Nội-2018 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung vật liệu Perovskite 1.1.1 Phân loại vật liệu Perovskite 1.1.2 Vật liệu hữu vô halogen Perovskite 1.2 Vật liệu hữu vô halogen perovskite cấu trúc ba chiều (3D) 1.3 Vật liệu hữu vô halogen perovskite cấu trúc hai chiều (2D) 1.4 Vật liệu hữu vô halogen perovsksite cấu trúc chiều (1D) 1.5 Vật liệu hữu vô halogen perovskite cấu trúc không chiều (0D) 1.6 Pin mặt trời hữu vô halogen perovskite 1.6.1 Sự phát triển pin mặt trời perovskite 1.6.2 Cấu trúc pin mặt trời perovskite 1.7 Cấu trúc đi-ốt phát quang perovskite Chương THỰC NGHIỆM 2.1 Hóa chất dụng cụ 2.1.1 Hóa chất 2.1.2 Dụng cụ 10 2.2 Phương pháp chế tạo 10 2.2.1 Phương pháp chế tạovật liệu cấu trúc 3D, 2D, 0D 10 2.2.2 Phương pháp chế tạo pin mặt trời perovskite đi-ốt phát quang 10 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 12 3.1 Kết tổng hợp đánh giá tính chất quang học MAPbBr3 (3D) 12 3.2 Kết tổng hợp đánh giá tính chất quang học FAPbBr3 (3D) 13 3.3 Kết tổng hợp đánh giá tính chất quang học PEPI (2D) 15 3.4 Kết tổng hợp đánh giá tính chất quang học (FA)4PbBr6 (0D) 17 3.5 Kết chế tạo pin mặt trời perovskite 19 KẾT LUẬN 22 DANH MỤC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 Tài liệu tham khảo tiếng Việt 24 Tài liệu tham khảo tiếng Anh 24 Danh mục hình tham khảo Hình 1: : Sơ đồ phân loại vật liệu Perovskite Hình 2: Cấu trúc tinh thể vật liệu Perovskite có cơng thức chung MAX3 Cation M nằm vị trí trung tâm (màu xanh cây), cation kim loại A (màu xám), anion X (màu tím) [5] Hình 3: Hiệu suất số loại pin mặt trời nghiên cứu 1985-2015 Hình : Cấu trúc pin mặt trời perovskite Hình 1.4 a: Cấu trúc pin mặt trời perovskite dạng p-i-n, hình 1.4 b: Cấu trúc pin mặt trời dạng n-i-p Hình 5: Mơ hình cấu trúc đi-ốt phát quang đơn lớp perovskite (PeLED) Hình 1: Phổ huỳnh quang mẫu MAPbBr3 kích thích xung laser với bước sóng λ = 532 nm 12 Hình 2: Biểu đồ thể phụ thuộc vị trí đỉnh phát quang, diện tích đỉnh phát quang, độ bán rộng đỉnh phát quang, chiều cao đỉnh phát quang mẫu MAPbBr3 phát quang vào mật độ lượng xung laser 12 Hình 3: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu FAPbBr3 màng mỏng mẫu bột 13 Hình 4: Phổ hấp thụ mẫu màng mỏng FAPbBr3 13 Hình 5: Phổ huỳnh quang mẫu FAPbBr3 kích thích xung laser với bước sóng λ = 532 nm 14 Hình 6: Biểu đồ thể phụ thuộc vị trí (Xc), diện tích, FWHM, chiều cao mẫu MAPbBr3 phát quang vào mật độ lượng xung laser 14 Hình 7: Ảnh SEM mẫu màng mỏng PEPI với độ phân giản khác 15 Hình 8: Phổ nhiễu xạ tia X mẫu màng mỏng PEPI 15 Hình 9: Phổ hấp thụ mẫu màng mỏng PEPI 16 Hình 10: Phổ huỳnh quang màng mỏng PEPI 16 Hình 11: Phổ PL kích bước sóng laser λ = 405 nm 17 Hình 12: Kết ảnh SEM mẫu (FA)4PbBr6 đo độ phân giản khác 17 Hình 13: Phổ nhiễu xạ tia X mẫu (FA)4PbBr6 18 Hình 14: Phổ PL kích laser bước sóng λ = 325 nm 18 Hình 15: Đường đặc trưng J-V pin mặt trời perovskite cấu trúc p-i-n 19 Hình 16: Hình ảnh đi-ốt phát quang FAPbBr3 20 Hình 17: Phổ phát xạ điện tử mẫu đi-ốt phát quang FAPbBr3 perovskite 20 Hình 18: Đường đặc trưng I-V đi-ốt phát quang perovskite 21 Danh mục bảng tham khảo Bảng 1: Bảng thống kê số hóa chất sử dụng thí nghiệm Bảng 2: Bảng tên số dụng cụ, thiết bị sử dụng thí nghiệm 10 Bảng 3: Bảng thông số kỹ thuật phương pháp phún xạ phương pháp bốc bay nhiệt 11 MỞ ĐẦU Trên giới, theo diễn đàn kinh tế giới (WEF) tổng kết vào năm 2016, có 10 cơng nghệ bật Ngồi đóng góp cảm biến nano, cơng nghệ Blockchain, nội tạng nhân tạo vật liệu hệ đóng góp vào loại vật liệu ảnh hưởng tương lai vật liệu graphene vật liệu perovskite Ở Việt Nam, theo Khoa học công nghệ, công nghệ vật liệu bốn lĩnh vực trọng tâm nhà nước ưu tiên phát triển Việt Nam tập trung phát triển loại vật liệu như: vật liệu cảm biến, vật liệu chế tạo nhớ hệ mới, vật liệu nano, vật liệu composit… Vật liệu perovskite nhà khoáng vật học người Nga L A Perovski tìm thấy dãy núi Uran năm 1839 Nhưng đến kỉ XXI vật liệu nghiên cứu rộng rãi số nhóm nghiên cứu tìm khả hấp thụ phát xạ nhóm vật liệu Từ đó, hàng loại nghiên cứu khả ứng dụng vật liệu perovskite thiết bị quang điện tử Từ ứng dụng vật liệu perovskite giúp lựa chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo loại vật liệu lai kim halogen perovskite cấu trúc nano ứng dụng quang điện tử” với mục đích tìm hiểu tính chất quang vật liệu sau lựa chọn phương pháp kỹ thuật, phương pháp chế tạo phù hợp để phân tích tính chất đặc trưng vật liệu chế tạo pin mặt trời đi-ốt phát quang perovskite Trong đề tài có nội dung nghiên cứu sau:  Chế tạo vật liệu perovskite cấu trúc 3D, 2D, OD tiến hành phân tích cấu trúc tính chất quang học  Chế tạo pin mặt trời đi-ốt phát quang perovskite  Khảo sát thông số pin mặt trời đi-ốt phát quang Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung vật liệu Perovskite 1.1.1 Phân loại vật liệu Perovskite Công nghệ vật liệu ngành nghiên cứu mối quan hệ thành phần, cấu trúc, cơng nghệ chế tạo, xử lý tính chất vật liệu Thông thường đối tượng nghiên cứu vật liệu thể rắn, sau đến lỏng, thể khí Các tính chất nghiên cứu cấu trúc, tính chất điện từ, nhiệt, quang cơ… với mục đích tạo vật liệu để thỏa mãn nhu cầu, ứng dụng kỹ thuật Nhiều loại vật liệu đời ứng dụng lĩnh vực: điện tử, truyền thơng… phải kể đến vật liệu đa dạng perovskite Công thức phân tử chung vật liệu Perovskite MAX3 (R-NH3)AX4 [5, 6] Trong đó: A, M ion (cation) có bán kính khác X ion (anion) như: oxi, nhóm halogen (Clo, Brom, Iot) R nhóm hữu Vật liệu Perovskite chia làm hai loại là: vật liệu Perovskite oxit vơ vật liệu perovskite halogen Trong vật liệu perovskite oxit vơ gồm vật liệu perovskite tự nhiên (khoáng vật) vật liệu perovskite pha tạp; vật liệu perovskite halogen chia làm hai loại vật liệu perovskite halogen kim loại kiềm (alkali- halide perovskite) vật liệu perovskite hữu vơ halogen (organo-metal halide perovskite) Hình 1: : Sơ đồ phân loại vật liệu Perovskite 1.1.2 Vật liệu hữu vô halogen Perovskite Vật liệu hữu vơ halogen MAX3 (RNH3)2AX4 đó: M ion dương gốc hữu như: CH3NH3+, CH3CH2NH3+, HC(NH2)2, A ion dương kim loại như: Pb2+, Sn2+,… R gốc hữu như: C6H5(CH2)2+, FC6H4(CH2)2+ X ion âm nhóm halogen như: Cl-, I-, Br-… Hình 2: Cấu trúc tinh thể vật liệu Perovskite có cơng thức chung MAX3 Cation M nằm vị trí trung tâm (màu xanh cây), cation kim loại A (màu xám), anion X (màu tím) [5] Vật liệu perovskite hữu vơ halogen CH3NH3PbI3 đặc biệt có tính chất quang điện hấp dẫn với độ rộng vùng cấm Eg = 1.55 eV tương ứng với bước sóng λ = 800 nm, quãng đường khuếch tán hạt tải L = 100 nm đến µm làm cho vật liệu perovskite trở thành ứng cử viên lý tưởng cho tế bào lượng mặt trời Những tính chất hấp dẫn vật liệu nhờ vào kết lượng liên kết exciton thấp 30 meV độ linh động hạt tải cao Ví dụ hợp chất CH3NH3AX3 (A, Pb, Sn, X Cl, Br I) Cấu trúc tính chất vật lý loại hợp chất lần đưa Weber vào năm 1978 Trong ion Pb2+ Sn2+ chủ yếu ổn định với cấu trúc lập phương nhiệt độ thường Ví dụ CH3NH3PbI3, CH3NH3PbBr3, CH3NH3PbCl3 có cấu trúc thường gặp lập - Lớp PEDOT:PSS lớp FAPbBr3 chế tạo phương pháp phủ quay Lớp AZO điện cực Ag theo bảng 2.3 Thông số kỹ thuật phương pháp Phún xạ Lớp điện cực Ag Lớp AZO      Bia: AZO Áp suất: