Kết quả và thảo luận
3.1.TỔNG HỢP VẬT LIỆU VÀ NGHIấN CỨU CẤU TRÚC 1 Kết quả tổng hợp vật liệu
3.1.1. Kết quả tổng hợp vật liệu
Cỏc nghiờn cứu tổng hợp dõy nano ZnO cho thấy quỏ trỡnh hỡnh thành và phỏt triển của cỏc sợi nano phụ thuộc vào ỏp suất, nhiệt độ, tốc độ thổi khớ, tỷ lệ thành phần giữa O2 và khớ mang. Để xỏc định kết quả tổng hợp ZnO nanowires trong cỏc trường hợp thực nghiệm đó tiến hành, mẫu được khảo sỏt hỡnh thỏi bề mặt bằng hiển vi điện tử quột (SEM).
3.1.1.1. ZnO nanorods mọc thẳng đứng
Quy trỡnh tổng hợp ở nhiệt độ thấp cho thấy: Tại nhiệt độ 530 oC hỡnh thành cỏc thanh nano rất ngắn mọc trờn nền cỏc hạt xỳc tỏc (hỡnh 3.1), hạt xỳc tỏc vàng đúng vai trũ như cỏc mầm đơn tinh thể.
Khi nhiệt độ tăng lờn 540 oC quỏ trỡnh tạo hơi Zn sẽ diễn ra nhanh hơn và kết quả là cỏc thanh nano được kộo dài thờm, độ dài trung bỡnh khoảng ~ 5μm (hỡnh 3.2 ).
Hỡnh 3.2 Ảnh SEM ZnO nanorods tổng hợp ở 540 oC trong 20’, (a)Ảnh bề mặt, (b)Ảnh mặt cắt ngang
Khi thời gian kộo dài thờm trờn bề mặt xuất hiện cỏc cấu trỳc tetrapod như được chỉ ra trong (hỡnh 3.3).
Hỡnh 3.3 Ảnh SEM ZnO nanorods tổng hợp ở 540 oC
3.1.1.2 ZnO nanowires và cơ chế Hơi-Lỏng-Rắn
(Hỡnh 3.4) chỉ ra kết quả ảnh SEM của ZnO nanowires tổng hợp ở nhiệt độ 950oC (nguồn vật liệu là bột ZnO & graphit), đường kớnh trung bỡnh khoảng 100nm, và xuất hiện hạt xỳc tỏc tại đầu của nanowires chứng tỏ cơ chế mọc là Hơi-Lỏng-Rắn.
Hỡnh 3.4 Ảnh SEM ZnO nanowires tổng hợp ở 950 oC, (a) Ảnh SEM độ phõn giải thấp, (b) Ảnh SEM độ phõn giải cao cho thấy cú hạt xỳc tỏc ở đầu của
nanowires.
Hỗn hợp ZnO & graphit khi nung ở nhiệt độ cao sẽ xảy ra quỏ trỡnh khử ZnO(s) thành Zn(v) theo phản ứng:
ZnO s C s Zn v CO v (1) Phản ứng này diễn ra thuận lợi ở nhiệt độ cao. Một khi hơi kẽm được sinh ra chỳng sẽ di chuyển đến vựng nhiệt độ thấp ở đú cú đặt đế. Hơi Zn lắng đọng lờn trờn bề mặt xỳc tỏc và bị tỏi oxy húa trở lại, kết quả là mọc thành nanowires. Cú 3 phản ứng cú thể xảy ra với O2 trong quỏ trỡnh bay hơi nhiệt cú mặt carbon 2 2C O to 2CO (2) 2 2 2CO O to2CO (3) (a) (b)
2
2Zn O to2ZnO (4)
Hơi Zn chỉ được tạo ra theo phản ứng (1). Phản ứng (1) chỉ xảy ra khi nhiệt độ lớn hơn 970 oC [16], nhưng trong thớ nghiệm của chỳng ta, lũ chỉ được đốt núng tới 950 oC; do đú một cõu hỏi đặt ra là điều gỡ làm cho nhiệt độ định xứ tại nguồn vật liệu đủ cao để cho phản ứng (1) cú thể xảy ra? Khi mới bắt đầu khụng cú khớ nào khỏc trong hệ, phản ứng chủ yếu bao gồm O2 là phản ứng (2), nú sinh ra nhiệt cũng như CO. Nhiệt đú cú thể được nguồn vật liệu hấp thụ (ZnO + C) và phản ứng (1) dễ dàng xảy ra để tạo hơi Zn [17].
Cơ chế Hơi-Lỏng-Rắn gồm 4 quỏ trỡnh (hỡnh 3.5). Đầu tiờn, một lớp mỏng khoảng 10 nm Au được phỳn xạ lờn trờn đế. Thứ 2 là, khi đế được nõng lờn đến một nhiệt độ thớch hợp (khoảng 500 oC), cỏc hạt xỳc tỏc được hỡnh thành do sự hiện tượng co bề mặt. Thứ ba, khi hơi của vật liệu cần tổng hợp di chuyển về phớa đế, chỳng kết hợp với cỏc hạt lỏng xỳc tỏc và dần dần trở nờn quỏ bỏo hũa, trạng thỏi eutectics được hỡnh thành. Và cuối cựng, trờn cơ sở trạng thỏi quỏ bỏo hũa của cỏc giọt eutectics, nanowires bắt đầu mọc.
Hỡnh 3.5 sơ đồ mụ tả cơ chế VLS
3.1.1.3 Cơ chế Hơi-Rắn và ZnO nanorods
(Hỡnh 3.6) là ảnh SEM của ZnO nanorods tổng hợp ở 850 oC, chỳng cú hỡnh thỏi khỏ đồng nhất, đầu của cỏc nanorods cú hỡnh lục giỏc và khụng xuất hiện
hạt xỳc tỏc. Hỡnh thỏi của cỏc nanorods thu được ở đõy tương tự với hỡnh thỏi của cỏc nanorods tổng hợp ở 540 oC xong chỳng cú xu hướng nằm nghiờng trờn bề mặt. Đường kớnh của chỳng khoảng 100 ữ 150 nm
Hỡnh 3.6(a) Ảnh SEM độ phõn giải thấp của ZnO nanowires tổng hợp ở
850 oC, (b) Ảnh SEM độ phõn giải cao.