Ứng dụng phổ tán xạ năng lượng tia x để phân tích thành phần hóa học của vật liệu quang có cấu trúc nano

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH TRƯƠNG ĐẮC DUY ỨNG DỤNG PHỔ TÁN XẠ NĂNG LƯỢNG TIA X ĐỂ PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN HỐ HỌC CỦA VẬT LIỆU QUANG CÓ CẤU TRÚC NANO LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Nghệ An, 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH TRƯƠNG ĐẮC DUY ỨNG DỤNG PHỔ TÁN XẠ NĂNG LƯỢNG TIA X ĐỂ PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN HỐ HỌC CỦA VẬT LIỆU QUANG CĨ CẤU TRÚC NANO Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: PGS TS LƯU TIẾN HƯNG Nghệ An, 2016 i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin trân trọng cảm ơn quý Thầy giáo, Cô giáo khoa Vật lý Công nghệ trường Đại học Vinh trang bị kiến thức khoa học tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình thực hiện, hồn thiện bảo vệ luận văn Tôi xin trân trọng tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến Thầy giáo, PGS.TS Lưu Tiến Hưng, hướng dẫn, giúp đỡ, cung cấp kiến thức quý giá tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành luận văn Xin cảm ơn tập thể lớp Quang học khóa 22 học Trường Đại học Vinh động viên tơi suốt q trình học tập thực hoàn thành luận văn Tinh thần đoàn kết giúp đỡ thành viên tập thể lớp giúp vượt qua khó khăn, thử thách sống để hồn thành khóa học Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, ban giám hiệu Trường THPT Quỳnh Lưu 4, bạn bè đồng nghiệp bên tơi động viên, khích lệ chia sẻ giúp tơi hoàn thành tốt luận văn Xin trân trọng cảm ơn tất cả! Nghệ An, tháng năm 2016 Tác giả Trương Đắc Duy ii MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC CÁC BẢNG iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v MỞ ĐẦU CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ KỸ THUẬT PHỔ TÁN XẠ NĂNG LƯỢNG TIA X 1.1 Tổng quan phép phân tích phổ EDX 1.1.1 Nguyên lý phép phân tích EDX 1.1.2 Kĩ thuật ghi nhận độ xác EDX 13 1.2 Kỹ thuật phổ EDX thực kính hiển vi điện tử 14 1.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động kính hiển vi điện tử 14 1.2.2 Kỹ thuật ghi phổ tán xạ lượng tia X kính hiển vi điện tử 20 1.2.3 Độ phân giải phổ EDX 30 1.2.4 Các thông tin thu từ phổ EDX kính hiển vi điện tử 31 1.3 Ưu điểm hạn chế kỹ thuật phân tích EDX 32 1.3.1 Ưu điểm 32 1.3.2 Hạn chế 32 Kết luận chương 33 CHƯƠNG THÀNH PHẦN HÓA HỌC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU NANO ZnO VÀ ZnO PHA TẠP 34 2.1 Vật liệu nano ZnO 34 2.1.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu nano ZnO 34 2.1.2 Các tính chất đặc trưng ZnO 36 2.2 Thành phần hóa học tính chất quang số vật liệu nano ZnO chế tạo phương pháp kết tủa 40 iii 2.2.1 Về cấu trúc tinh thể 41 2.2.2 Về thành phần hoá học 45 2.2.3 Về tính chất quang 47 2.3 Thành phần hóa học tính chất quang vật liệu nano ZnO pha tạp Co 49 2.3.1 Về cấu trúc tinh thể 50 2.3.2 Về thành phần hoá học 52 2.3.3 Về tính chất quang 53 2.4 Thành phần hóa học tính chất quang vật liệu nano ZnO pha tạp Mn 56 2.4.1 Về cấu trúc tinh thể 56 2.4.2 Về thành phần hoá học 57 2.4.3 Về tính chất quang 59 Kết luận chương 61 KẾT LUẬN CHUNG 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 iv DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1 Thành phần nguyên tố mẫu ZnO24 46 Bảng 2.2 Thành phần nguyên tố ZnO75 46 Bảng 2.3 Thành phần nguyên tố ZnO600 46 Bảng 2.4 Hấp thu cực đại, độ rộng vừng cấm bán kínhcủa hạt nano ZnO 49 Bảng 2.5 Kích thước độ rộng vùng cấm hạt mẫu ZnO pha tạp Co 52 Bảng 2.6 Phần trăm khối lượng nguyên tố có mẫu 1% Mn-Zn 58 Bảng 2.7: Hiệu suất xử lý xanh metylen vật liệu ZnO Mn-ZnO 60 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Tương tác chùm điện tử với vật mẫu nghiên cứu ………….9 Hình 1.2 Chùm tia điện tử có lương cao tương tác với mẫu mỏng 11 Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 15 Hình 1.4 sơ đồ cấu tạo kính hiển vi điện tử quét (SEM) 18 Hình 1.5 Tương tác chùm tia điện tử với mẫu nghiên SEM 18 Hình 1.6 sơ đồ cấu tạo nguyên tử tia X phát 20 Hình 1.7 Sơ đồ phổ kế tán sắc lượng 23 Hình 1.8 Phổ EDX ZnO pha tạp Ag 24 Hình 1.9 Sơ đồ xác định số đếm tia X cho pic đặc trưng phơng….… 25 Hình 1.10 Sự phân bố số đếm Pic….………………….…………… 31 Hình 2.1 Cấu trúc tinh thể hạt ZnO 34 Hình 2.2 Cấu trúc Rocksalt Zn Blende ZnO 35 Hình 2.3 Một số dạng hình học ZnO cấu trúc nano 36 Hình 2.4 Giản đồ lượng mức sai hỏng donor tự nhiên tinh thể ZnO 37 Hình 2.5 (a) Cấu trúc mặt phân cực tinh thể ZnO, (b) Đồ thị biểu diễn hệ số áp điện dây nano ZnO so với ZnO khối 39 Hình 2.6 Ảnh SEM ZnO24 42 Hình 2.7 Ảnh SEM ZnO75 42 Hình 2.8 Ảnh SEM ZnO600 43 Hình 2.9 Phổ XRD ZnO24 43 Hình 2.10 Phổ XRD ZnO75 44 Hình 2.11 Phổ XRD ZnO600 44 Hình 2.12 Phổ EDX ZnO24 45 Hình 2.13 Phổ EDX ZnO75 45 vi Hình 2.14 Phổ EDX ZnO600 46 Hình 2.15 Phổ UV mẫu ZnO24 48 Hình 2.16 Phổ UV mẫu ZnO75 48 Hình 2.17 Phổ UV mẫu ZnO600 49 Hình 2.18 Phổ nhiễu xạ tia X cấu trúc ZnO, Co – ZnO với đỉnh pha WZ - ZnO (*), ZB - ZnO (♦ , CoO (●) Co (o) 51 Hình 2.19 Ảnh (a) TEM HR-TEM, (b) hình ảnh Co-ZnO(M) nhiễu xạ SEAD tương ứng 53 Hình 2.20 Phổ EDX mẫu ZnO(a) mẫu ZnO pha tạp 10%Co(b) 53 Hình 2.21 Phổ UV-DRS ZnO tinh khiết, Co - ZnO(S) Co - ZnO(M) 54 Hình 2.22 Phổ huỳnh quang ZnO tinh khiết, Co - ZnO (S) Co - ZnO (M) 55 Hình 2.23 Giản đồ XRD vật liệu ZnO 57 Hình 2.24 Giản đồ XRD vật liệu % Mn-ZnO 57 Hình 2.25 Phổ EDX vật liệu % Mn-ZnO 58 Hình 2.26 Phổ hấp thụ UV–Vis ZnO nguyên chất ZnO pha tạp Mn 61 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm gần đây, khoa học công nghệ vật liệu nano thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học giới nước ta Công nghệ nano phát triển với tốc độ nhanh chóng, đem lại nhiều thành tựu kỳ diệu ứng dụng nhiều lĩnh vực khác cho lồi người Do có kích thước đặc trưng cỡ nm, so sánh với kích thước tới hạn tính chất vật liệu nên vật liệu nano có tính chất vơ độc đáo mà vật liệu có kích thước lớn khơng thể có độ bền học, độ tinh khiết, độ rộng vùng cấm lớn, lượng liên kết exiton lớn, độ bền hóa học cao, có tinh chất quang đặc trưng, độ dẫn nhiệt cao Chính tính chất ưu việt mở cho vật liệu nano ứng dụng to lớn nhiều lĩnh vực từ công nghệ điện tử, viễn thông, lượng đến vấn đề sức khỏe, y tế, môi trường, thực phẩm, dược phẩm, quang, điện, dệt may, từ công nghệ thám hiểm vũ trụ đến thiết bị đơn giản đời sống hàng ngày Với phạm vi ứng dụng lớn vậy, công nghệ nano làm thay đổi nhiều lĩnh vực đời sống ngày thập niên vừa qua thập niên tới Oxit kẽm (ZnO), vật liệu bán dẫn thuộc nhóm bán dẫn II-VI, có độ rộng vùng cấm khoảng (3,4 eV) Đó vật liệu có tiềm loạt ứng dụng thực tế thiết bị áp điện, điot phát quang, cảm biến hóa học, tách sóng quang Chính vậy, ZnO vật liệu thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu nhà khoa học Sự phát triển tính chất cấu trúc nano ZnO nghiên cứu rộng rãi thu nhiều thành tựu Tính chất quang vật liệu ZnO nghiên cứu lâu thu nhiều kết lý thú Tuy nhiên tính chất quang khả ứng dụng vật liệu nhiều vấn đề hấp dẫn chúng pha tạp nguyên tố đất kim loại chuyển tiếp chế tạo phương pháp khác Mục tiêu pha tạp thường để cải thiện độ dẫn điện, thay đổi tính chất nhiệt, quang tạo vật liệu có tính chất đặc biệt Để nghiên cứu tính chất quang vật liệu nano nói chung, vật liệu nano ơxít kẽm ZnO ZnO pha tạp nói riêng, nhà khoa học sử dụng phương pháp đo, phân tích khác Các phương pháp phân tích cấu trúc, thành phần hố học tính chất quang vật liệu nano thường sử dụng phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD), ảnh mẫu qua kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscope) qua kính hiển vi điện tử truyền qua TEM (transmission electron microscopy), phân tích phổ tán xạ lượng tia X EDX (Energy dispersive X-ray spectroscopy, phương pháp đo phổ hấp thụ, phổ truyền qua (UV-VIS) Các phương pháp giúp nhà khoa học phân tích cấu trúc vật liệu, xác định định tính thành phần định lượng vật liệu, từ góp phần định hướng ứng dụng vật liệu kỹ thuật đời sống Với phương pháp phân tích phổ EDX giúp nhà nghiên cứu xác định thành phần nguyên tố hoá học tỉ phần ngun tố có mặt mẫu Kết hợp thơng tin thành phần hóa học với ảnh hiển vi điện tử, ảnh nhiễu xạ điện tử cho ta thông tin vi cấu trúc mẫu nghiên cứu cách đầy đủ chi tiết Từ đó, giúp nhà nghiên cứu có mối liện hệ tường minh vi cấu trúc với tính chất vật liệu, chẳng hạn với vật liệu quang, nghiên cứu mối quan hệ cấu trúc với tính chất quang Khi biết mối liên hệ giúp lựa chọn điều kiện tối ưu cho việc tổng hợp mẫu 51 Hình 2.18 Phổ nhiễu xạ tia X cấu trúc ZnO, Co – ZnO với đỉnh pha WZ - ZnO (*), ZB - ZnO (♦ , CoO (●) Co (o) [6] Như vậy, phương pháp không tạo cấu trúc ZnO pha tạp Co pha, thay vào dẫn đến tồn loại vật liệu hai pha Đối với mẫu không pha tạp nung 4000C tồn pha wurtzite Kích thước hạt mẫu Co-ZnO (M) (mẫu nung 400oC), Co-ZnO (S) (mẫu nung 400oC) ZnO (mẫu nung 400oC) tính từ phương trình Debye-Scherrer d k  cos  (2.2) d kích thước tinh thể, λ bước sóng tia X (CuKα = 0,15406 nm), k số mô hình (0.9), β tồn chiều rộng nửa tối đa đỉnh cường độ θ góc nhiễu xạ biểu thị bảng 2.5 [6] 52 Bảng 2.5 Kích thước độ rộng vùng cấm hạt mẫu ZnO pha tạp Co TT Mẫu Kích thước hạt (nm) Độ rộng vùng cấm ZnO 11.3 (WZ) 3,25eV Co-ZnO (S) 13.3 (WZ) 2,69eV Co-ZnO (M) 16.4 (WZ), 29 (ZB) 2,5eV Pha đôi Co- ZnO tìm thấy hạt có kích thước 16,4 nm miền phụ wurtzite hạt có kích thước 29 nm miền phụ zincblende [6] Các thông số cấu trúc cho mạng wurtzite ước tính a = 3.17 A c = 5.49 A0, tương ứng với thông số ZnO (JCPDF = 891.397, a = 3.25 A0, c = 5,213 A0) Điều cho thấy thay Co2+ có bán kính ion nhỏ Zn 2+ Nhưng giá trị tham số cấu trúc cho miền phụ zincblende ước tính a = 4.67 A0 phù hợp với thông số ZB - ZnO (JCPDF = 652.880, a = 4,629 A0) Đối với ZnO (S) kích thước hạt 13,3 nm mà cấu trúc ZnO, WZ có kích thước hạt nhỏ ZB Mẫu WZ - ZnO không pha tạp có kích thước hạt 11,3 A0 Hình hình 2.19a ảnh hiển vi điện tử truyền qua TEM cho thấy kích thước hạt khoảng 20-30 nm, phù hợp với kích thước hạt tính tốn từ phổ XRD Hình 2.19b cho thấy mặt phẳng mạng xác định rõ ràng hai cấu trúc với khoảng cách d 0,25 nm 0,20 nm tương ứng với cấu trúc WZ ZB cho thấy tồn tiếp giáp hai pha [6] 2.3.2 Về thành phần hoá học Thành phần mẫu phân tích kỹ thuật EDX kính hiển vi điện tử truyền qua Hình 2.20 phổ EDX mẫu ZnO chưa pha tạp ZnO pha tạp 10% Co Trên hình 2.20a cho thấy xuất ngun tố Zn O, hình 2.20b có xuất thêm thành phần Co Phân tích định lượng thành phần hóa học mẫu cho kết phù hợp 53 với hợp thức ban đầu [6] Hình 2.19 Ảnh (a) TEM HR-TEM, (b) hình ảnh Co-ZnO(M) nhiễu xạ SEAD tương ứng [6] Hình 2.20 Phổ EDX mẫu ZnO (a) mẫu ZnO pha tạp 10% Co(b)[6] 2.3.3 Về tính chất quang Tính chất quang mẫu thu nhiều kết lý thú Hình 2.21 phổ UV-VIS phản xạ khuếch tán (UV-DRS) So sánh đường phổ UV- DRS cho thấy hai mẫu đồng pha tạp có thay đổi, dịch chuyển phía màu đỏ so với WZ-ZnO Độ rộng vùng cấm Co - ZnO (S), 54 Co – ZnO (M) tính cách sử dụng hệ thức Tauc cho giá trị tương ứng 2,69 eV 2,5 eV, vật liệu WZ- ZnO 3,25 eV Các giá trị vùng cấm thu Co - ZnO (S) WZ - ZnO phù hợp với nghiên cứu trước Độ rộng vùng cấm Co - ZnO (M) dịch chuyển phía màu đỏ có mặt cấu trúc ZB nồng độ Co hai mẫu giống hệt Cấu trúc ZB cho có khả hịa tan Co cao mô tả quang phổ tia cực tím UV [6] Hình 2.21 Phổ UV-DRS ZnO tinh khiết, Co - ZnO (S) Co - ZnO (M)[6] 55 Hình 2.22 Phổ huỳnh quang ZnO tinh khiết, Co - ZnO (S) Co - ZnO (M) [6] Hình 2.22 phổ huỳnh quang WZ - ZnO, wurtzite Co - ZnO (S) Co-ZnO (M) Có thể thấy phổ, bờ phát xạ vùng cấm vùng tia cực tím/màu xanh dương có bước sóng gần 380 nm tương ứng với ZnO Sự phát xạ yếu vùng nhìn thấy từ 420 nm đến 541 nm có nguồn gốc chủ yếu từ vị trí khuyết oxy khuyết tật bề mặt bên bên ZnO Co - ZnO Ở đây, dập tắt đỉnh phát xạ Co - ZnO ZnO giảm vị trí khuyết oxy pha tạp Co Ngồi tách ánh sáng gây hạt mang điện giao diện WZ - ZB giao diện Co - ZnO (M) Sự dịch chuyển phía màu đỏ chủ yếu thay ion Zn2+ ion Co2+ 56 2.4 Thành phần hóa học tính chất quang vật liệu nano ZnO pha tạp Mn Nhóm nghiên cứu gồm Hồng Thị Hương Huế, Nguyễn Đình Bảng, Bùi Thị Ánh Nguyệt Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học quốc gia Hà Nội tổng hợp thành công vật liệu ZnO pha tạp Mn phương pháp đốt cháy nhằm thay đổi hoạt tính quang xúc tác vật liệu [1,7,8] Sau nghiên cứu mẫu vật liệu phương pháp: phổ nhiễu xạ tia X (XRD) vật liệu ghi máy D8 ADVANCE (Bruker-Đức, Khoa Hoá học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên) với xạ CuK ( = 0,15406 nm, 40 kV, 40 mA), góc đo 25-70o Kích thước tinh thể trung bình tính theo phương trình Debye-Scherrer , phổ tán xạ lượng tia X (EDX) vật liệu đo máy JEOL JED - 2300 - Analysis station phổ hấp thụ UV-Vis đo máy JASCO - V - 670 UV-Vis Spectrophotometer Các kết mà nhóm nghiên cứu thu sau: 2.4.1 Về cấu trúc tinh thể Để xác định thành phần pha vật liệu, nhóm nghiên cứu ghi giản đồ nhiễu xạ tia X ZnO nguyên chất % Mn-ZnO Kết hình 2.23 2.24 Từ giản đồ XRD mẫu ZnO hình 2.23 1% MnZnO hình 2.24 cho thấy, sản phẩm thu có pha với pic đặc trưng vị trí 2θ = 31,68o; 34,36o; 36,18o tương ứng với họ mặt mạng (100), (002), (101) ZnO có cấu trúc tinh thể lục giác wurtzite Đây dạng tinh thể phổ biến có hoạt tính quang xúc tác cao ZnO Từ giá trị độ rộng nửa chiều cao vạch nhiễu xạ cực đại (FWHM) giản đồ XRD áp dụng cơng thức (2.2) tính kích thước tinh thể trung bình ZnO khoảng 29,2 nm (FWHM ZnO 0,286 o) kích thước tinh thể trung bình vật liệu % Mn-ZnO khoảng 18,6 nm (FWHM % Mn-ZnO 0,449o) Như vậy, việc pha tạp Mn vào ZnO không 57 làm thay đổi cấu trúc lục giác wurtzite ZnO, làm giảm mạnh kích thước tinh thể trung bình Kích thước tinh thể trung bình % MnZnO nhỏ ZnO nguyên chất nguyên nhân làm hoạt tính quang xúc tác ZnO biến tính mangan cao ZnO nguyên chất Hình 2.23 Giản đồ XRD vật liệu ZnO[1] Hình 2.24 Giản đồ XRD vật liệu % Mn-ZnO [1] 2.4.2 Về thành phần hố học Để kiểm tra có mặt nguyên tố vật liệu, nhóm nghiên 58 cứu tiến hành ghi phân tích phổ EDX vật liệu % Mn-ZnO Kết thu hình 2.25 Phần trăm khối lượng nguyên tố có vật liệu ZnO pha tạp % Mn bảng 2.6 Bảng 2.6 Phần trăm khối lượng nguyên tố có mẫu 1% Mn-ZnO [1] Nguyên tố Oxi (O) Phần trăm khối lượng (%) 24,13 Mangan (Mn) Kẽm (Zn) 0,71 75,16 Tổng 100 Hình 2.25 Phổ EDX vật liệu % Mn-ZnO[1] Trên phổ EDX hình 2.25 cho thấy, ngồi pic đặc trưng Zn với cường độ lớn có pic Mn vị trí 5,9 keV chứng tỏ có mặt Mn2+ vật liệu ZnO ion Mn2+ thay phần vị trí ion Zn2+ cấu trúc lục giác Wurtzite ZnO Bảng 2.6 phần trăm khối lượng Mn 0,71 % tương đối phù hợp với tỷ lệ Mn2+ cho vào thực tế; phần trăm khối lượng Zn 75,16 % nhỏ so với lượng thực tế cho vào (79,7 %), điều 59 Mn2+ thay phần Zn2+ mạng lưới ZnO 2.4.3 Về tính chất quang Hàm lượng Mn2+ oxit ZnO yếu tố ảnh hưởng lớn đến thành phần cấu trúc vật liệu Mn-ZnO, ảnh hưởng nhiều đến hoạt tính quang xúc tác vật liệu Trong thí nghiệm này, nhóm nghiên cứu tổng hợp mẫu Mn-ZnO có tỉ lệ mol Mn:Zn khác nhau: %; 0,5 %; 1,0 %; 1,5 % 2,0 % Đồng thời giữ cố định pH dung dịch phản ứng 10, thể tích dung dịch xanh metylen 10 ppm 200 ml, lượng xúc tác 0,15g Hiệu suất trình quang xúc tác tính theo cơng thức: H C0  Csau 100% C0 (2.3) Trong đó, H (%): hiệu suất trình quang xúc tác, C0 Csau nồng độ xanh metylen dung dịch trước sau tiến hành phân hủy quang xúc tác Kết xử lý xanh metylen bảng 2.7 Từ bảng 2.7 thấy rằng, hiệu suất xử lý xanh metylen vật liệu ZnO pha tạp Mn2+ cao so với ZnO nguyên chất Khi tỷ mol Mn:Zn tăng từ 0,5 % đến %, hiệu suất xử lý xanh metylen tăng từ 74,3 % đến 97,9 % Nhưng tỷ lệ mol Mn:Zn lớn % hiệu suất xử lý xanh metylen lại giảm từ 97,9 % xuống 76,2 % Vậy ZnO pha tạp % mangan có hoạt tính quang xúc tác cao Kết giải thích sau, hàm lượng Mn2+ pha tạp vào ZnO nhỏ (dưới % số mol), ion Mn2+ thay phần vị trí ion Zn2+ cấu trúc lục giác ZnO, tạo nên khuyết tật điểm ion lạ cấu trúc ZnO Chính tạo thành khuyết tật làm giảm độ rộng vùng cấm vật liệu Nhưng hàm lượng Mn2+ pha tạp tiếp tục tăng đến giá trị 60 (lớn % tỷ lệ mol), xảy phản ứng oxi hóa tạo thành oxit Mn (MnxOy) phủ bề mặt ZnO làm cản trở trình hấp thụ ánh sáng ZnO dẫn đến làm hoạt tính quang xúc tác ZnO giảm Mặt khác, bán kính ion Mn2+ 0,66 Ǻ lớn bán kính ion Zn2+ 0,60 Ǻ nên việc thay nhiều ion Mn2+ cấu trúc ZnO làm thay đổi cấu trúc lục giác ZnO Điều đáng ý lượng vùng cấm oxit mangan (4,2 eV) lớn nhiều so với ZnO (3,27 eV) nên hàm lượng pha tạp Mn tăng cao làm tăng lượng vùng cấm, làm hoạt tính quang xúc tác vật liệu giảm Từ kết cho thấy ZnO pha tạp % Mn có hoạt tính quang xúc tác cao Bảng 2.7 Hiệu suất xử lý xanh metylen vật liệu ZnO Mn-ZnO[1] Phần trăm mol Mn, % 0,5 1,5 Csau, ppm 2,65 2,57 0,21 2,29 2,38 Hiệu suất, % 73,5 74,5 97,9 77,1 76,2 Do ZnO có lượng vùng cấm cao (3,27 eV) nên đặc tính quang xúc tác chủ yếu thể vùng tử ngoại Việc biến tính ZnO mangan nhằm mục đích làm giảm lượng vùng cấm để mở rộng hấp thụ ánh sáng ZnO vùng khả kiến Khả hấp thụ quang ZnO % Mn-ZnO xác định phương pháp phổ UV–Vis Từ hình 2.26 cho thấy, vùng ánh sáng tử ngoại (λ từ 200 đến 400 nm), khả hấp thụ ánh sáng ZnO nguyên chất ZnO pha tạp Mn cao, nhiên độ hấp thụ ZnO pha tạp Mn nhỏ khơng đáng kể so 61 Hình 2.26 Phổ hấp thụ UV–Vis ZnO nguyên chất ZnO pha tạp Mn[1] với ZnO nguyên chất Trong vùng ánh sáng khả kiến (λ từ 400 đến 800 nm), khả hấp thụ ánh sáng ZnO nguyên chất ZnO pha tạp Mn giảm, khả hấp thụ ánh sáng ZnO nguyên chất giảm mạnh Trong vùng này, độ hấp thụ ánh sáng ZnO nguyên chất đạt 0,1 độ hấp thụ ZnO pha tạp Mn nằm khoảng 0,15÷0,6 Điều chứng tỏ độ hấp thụ quang vùng khả kiến ZnO pha tạp Mn cải thiện rõ rệt Kết số ion Mn 2+ thay vị trí ion Zn2+ tạo nên khuyết tật mạng lưới ZnO, đồng thời tương tác electron d Mn với electron p Zn O dẫn đến việc làm giảm lượng vùng cấm ZnO pha tạp Mn so với ZnO nguyên chất Kết luận chương Ở chương chúng tơi trình bày tổng quan cấu trúc tinh thể, dạng hình thái, thành phần hố học, tính chất quang học vật liệu nano oxit kẽm ZnO, ZnO pha tạp Co ZnO pha tạp Mn thông qua phương pháp 62 phân tích cấu trúc tính chất vật liệu nano phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD), ảnh SEM, TEM mẫu, phân tích phổ EDX, phương pháp đo phổ hấp thụ, phổ truyền qua (UV-VIS) Từ kết thu giúp cho nhà nghiên cứu tổng hợp mẫu nano có thành phần hố học ứng dụng đáp ứng yêu cầu thực tiễn mong muốn 63 KẾT LUẬN CHUNG Với mục đích nghiên cứu đề ra, thu kết sau: Tìm hiểu kỹ thuật phân tích phổ EDX: nguyên lý phép phân tích phổ EDX, kỹ thuật ghi phổ, thông tin thu từ phép phân tích phổ EDX, chế phát xạ tia X đặc trưng mẫu nghiên cứu Trình bày tổng quan kính hiển vi điện tử TEM SEM thiết bị mà kỹ thuật ghi phân tích phổ EDX thường thực kính hiển vi điện tử Tìm hiểu vật liệu nano ZnO, ZnO pha tạp Co ZnO pha tạp Mn cấu trúc chung, tính chất quang ứng dụng vật liệu đời sống, kĩ thuật cơng nghệ Tìm hiểu kết phương pháp phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD), ảnh SEM, TEM mẫu, phân tích phổ EDX, phương pháp đo phổ hấp thụ, phổ truyền qua (UV-VIS) mẫu ZnO, ZnO pha tạp Co ZnO pha tạp Mn Từ kết đạt được, tính ưu việt việc tìm hiểu nghiên cứu phổ tán xạ lượng tia X ứng dụng khoa học vật liệu tiếp tục phát triển kỹ thuật cho lĩnh vực khác 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO A Tiếng Việt [1] Hồng Thị Hương Huế, Nguyễn Đình Bảng, Bùi Thị Ánh Nguyệt (2015), “Hoạt tính quang xúc tác ZnO Mn-ZnO tổng hợp phương pháp đốt cháy”, Tạp chí hố học, DOI: 10.15625/08667144.2015-00133, T.53(3), tr 301-305 [2] Lưu Tiến Hưng (2009), Chuyên đề Tổng quan phương pháp hiển vi điện tử truyền qua, Đại học Vinh [3] Nguyễn Thị Hương (2012), Chế tạo nghiên cứu tính chất quang vật liệu nano ZnO, Luận văn thạc sĩ, Đại học quốc gia Hà nội [4] Phạm Ngọc Ngun (2005), Giáo trình kỹ thuật phân tích vật lý, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội [5] Trần Thái Phúc (2015), Nghiên cứu tính chất quang học vật liệu nano ơxít kẽm pha tạp, Luận văn thạc sĩ, Đại học Vinh [6] Trương Thị Huyền Trang (2014), Tính chất quang học vật liệu ơxít kẽm có cấu trúc nano, Luận văn thạc sĩ, Đại học Vinh B Tiếng Anh [7] K Rajendran, S Banerjee, N Gayathri, M Sardar S Senthilkumar and V Sengodan (2008), “Change the Room Temperature Magnetic Property of ZnO upon Mn Doping,” Journal of Applied Physics, Vol 104, No 4, Article ID: 043913 doi:10.1063/1.2969945 [8] P.Thamarai selvan, M.Venkatachalam, M.Saroja, P.Gowthaman, S.Ravikumar, S.Shankar (2016), “Structural, morphological, optical and magnetic characterization of Mn Doped ZnO”, International Journal of Multidisciplinary Research and Development, 3(3), pp 102-104 65 [9] Sonet Kumar Saha, M Azizar Rahman, M R H Sarkar, M Shahjahan, and M K R Khan (2015), “Effect of Co doping on structural, optical, electrical and thermal properties of nanostructured ZnO thin films”, Journal of Semiconductors, 36(3), 033004 (1-6) [10] Susmita Boruah, Syeda Mustafiza, Devojit Saikia, Heerok Jyoti Saikia, Partha P Saikia and Mrinal K Baruah (2016), “Synthesis of ZnO Nanoparticles from Zinc Formate and Their Optical Properties”, American Chemical Science Journal, 11(4), pp 1-10 ... ĐẠI HỌC VINH TRƯƠNG ĐẮC DUY ỨNG DỤNG PHỔ TÁN X? ?? NĂNG LƯỢNG TIA X ĐỂ PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN HỐ HỌC CỦA VẬT LIỆU QUANG CÓ CẤU TRÚC NANO Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT... tổng hợp mẫu vật liệu để có tính chất mong muốn Vì thế, chúng tơi chọn đề tài luận văn là: ? ?Ứng dụng phổ tán x? ?? lượng tia X để phân tích thành phần hố học vật liệu quang có cấu trúc nano? ?? Qua q... tinh thể… Phổ tán x? ?? lượng tia X hay phổ tán x? ?? lượng kĩ thuật phân tích thành phần hoá học vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát từ vật rắn chùm điện tử có lượng cao tương tác với vật rắn