3.2.1 Cấu tạo hệ đo.
Dựa vào điều kiện thực tiễn tại phịng vật lý chân khơng, chúng tơi thiết lập hệđo gồm: 1. đèn chiếu ánh sáng UV
2. một máy camara được gắn với máy tính.
Mẫu M47: RMS = 3.17
P=13mtoor Mẫu N20: RMS = 1.05 P=3mtoor
3.2.2: Cách đo
9 Mẫu TiO2được lau sạch sau đĩ đặt vào giá đỡđã gắn camara, sau dùng xi lanh nhỏ nhẹ giọt nước lên bề mặt mẫu.
9 Dùng camara chụp lại hình ảnh của giọt nước lúc đĩ.
9 Sau đĩ lấy mẫu ra và đem mẫu đi chiếu ánh sáng UV, sau khoảng thới gian 30 phút rồi đem mẫu lại nhỏ giọt nước, sau đĩ dùng camara ghi lại hình ảnh của giọt nước lúc đĩ và sau đĩ lấy mẫu ra rồi đi chiếu ánh sáng UV, quá trình lặp lại như vậy sau những khoảng thời gian 30 phút liên tiếp.
9 Sau đĩ dùng phần mềm fta32 Video để xác định gĩc tiếp xúc của giọt nước lúc
đĩ. Hình 3.6 Sơđồ bố trí hệđo quang xúc tác camara Máy tính Đèn UV Mẫuđã nhỏ giọt nước Kết quả Hình 3.5 camara đo gĩc tiếp xúc của giọt nước với mẫu.
Từ cách đo đĩ chúng ta cĩ bảng số liệu như sau:
Ngồi việc khảo sát tính chất quang xúc tác của màng TiO2 chúng tơi cịn khảo sát thêm tính chất siêu dính ướt của màng TiO2. Từ kết quảở bảng 3.3 và hình 3.5 cho thấy khả năng siêu dính ướt của màng ở các độ dày khác nhau trong bảng 3.1. Ta nhận thấy, ứng với độ dày 200nm, tức là mẫu N18 thì sự thay đổi gĩc tiếp xúc nước khơng nhiều, nhưng với độ dày 280nm trở lên thì gĩc tiếp xúc nước bắt đầu nhỏ đi. Với mẫu M47, gĩc tiếp xúc nước nhỏ hơn 100 sau thời gian chiếu sáng là 150 phút. Kết quả này khá phù hợp với phương pháp đo Metylen blue.
Stt Mẫu 0 30’ 60’ 90’ 120’ 150’ 1 N18 690 680 670 570 500 440 2 M45 700 500 350 250 200 150 3 M47 740 450 300 200 120 90 4 M35 720 580 370 270 180 150 5 M37 700 600 540 450 300 200 t (phút) θ(0) Hình 3.7 Gĩc tiếp xúc của giọt nước của các màng TiO2 Bảng 3.3 Gĩc tiếp xúc của giọt nước đối với màng TiO2
Như vậy mẫu M47 được ứng dụng làm lớp ngồi cùng của màng gương nĩng truyền qua quang xúc tác TiO2/TiN/ TiO2.
3.3 thơng số quang của màng TiO2, TiN.
3.3.1 Tính chất quang của màng TiO2
Ngồi tính chất
quang xúc tác của màng
TiO2 được trình bày ở phần (3.1), tính chất quang của màng cũng được khảo sát, cụ thể là tìm ra chiết suất n của màng TiO2 thay đổi theo bước sĩng, để ứng dụng nĩ cho việc tính tốn bài tốn ma trận màng đa lớp. Trong màng đa lớp TiO2/TiN/TiO2, lớp TiO2
ngồi cùng ngồi tính chất khử phản xạ cịn cĩ thêm tính chất quang xúc tác, nên nĩ
được lắng đọng ở áp suất cao. Lớp này cĩ chiết suất n thay đổi theo bước sĩng như
trình bày trong hình (3.6), kết quả này cĩ được từ phương pháp Swanapoel. Từđĩ hiệu chuẩn chiết suất của màng theo bước sĩng cĩ dạng Cosin như hình 3.8
Lớp TiO2 trong cùng của màng đa lớp, khơng cần cĩ tính chất quang xúc tác, nên nĩ được lắng đọng ở áp suất thấp với mục đích tăng chiết suất của nĩ, vì chiết suất càng lớn thì màng cĩ tính năng khử phản xạ cao. Kết quả chiết suất của lớp TiO2 trong cùng thay đổi theo bước sĩng cũng được trình bày ở hình 3.8. Như vậy ứng với bước sĩng λ=550nm thì chúng ta cĩ chiết suất của các lớp TiO2 như sau:
+ TiO2 lớp trên : 2.5 + TiO lớp dưới: 2.2
Hình 3.8: Chiết suất n của màng TiO2 thay đổi theo bước sĩng.
3.3.2 Xác định độ dày và chiết suất của màng TiN.
Độ dày, chiết suất n và hệ số tắt k của màng TiN được xác định bằng phương pháp Ellipsometry. Trong đĩ chiết suất và hệ số tắt được hiệu chuẩn theo bước sĩng cĩ dạng Cosin như hình 3.9
3.4 Tính tốn lý thuyết phổ truyền qua và phản xạ của màng đa lớp
Từ kết quảở phần 3.2.1 và 3.2.2, tìm được chiết suất n, k của các lớp màng TiO2
ngồi cùng, lớp TiN và lớp TiO2 trong cùng ở bước sĩng 550nm như được trình bày trong bảng 3.4:
TiO2 ngồi TiN TiO2 trong
N 2.3 1.13 2.5
K 0 2.18 0
Hình 3.9: Chiết suất và hệ số tắt của màng mỏng TiN (mẫu L1), được xác định bằng phương pháp Ellipsometer.
Dựa vào kết quả thực nghiệm từ bảng 3.4 và sử dụng lý thuyết ma trận O.S.HEAVENStính tốn để tìm ra bề dày thích hợp của từng lớp sao cho độ truyền qua cao ở bước sĩng 550 nm như trình bày ởbảng 3.5 bằng phần mềm máy tính.
Màng TiO2
Ngồi TiN
TiO2
Trong Tmax Mẫu
368 22 38 58.49 m1 367 24 37 56.43 m2 365 30 34 49.21 m3 Bề dày (nm) 364 26 257 54.23 m4
Bảng 3.5:Kết quả mơ phỏng độ dày của các lớp của màng đa lớp TiO2/TiN/TiO2
Từ bảng 3.5 và Từ phổ truyền qua và phổ phản xạđược mơ phỏng từ lý thuyết ma trận như trình bày trong hình 3.10, cho thấy rằng để màng cĩ độ phản xạ trên 70% ánh sáng từ bước sĩng 800nm trở lên, chúng tơi chọn mẫu m3, mẫu này cĩ độ truyền qua chỉ khoảng 50% trong vùng ánh sáng khả kiến như trình bày trong bảng 3.5. So với lớp Ag ở giữa thì lớp TiN ở giữa làm cho độ truyền qua của màng giảm xuống, nhưng bù lại lớp TiN rất bền về cơ học, hĩa học lẫn nhiệt độ, TiN bị oxy hĩa ở nhiệt độ khá cao khoảng 8000C. Hơn nữa khí hậu Việt Nam là khí hậu nhiệt đới cĩ lượng ánh sáng nhiều nên khả năng ứng dụng là rất tốt. Bề dày lớp TiN tối ưu nhỏ hơn 30 nm,vì bề dày lớp này quá lớn làm cho độ truyền qua của màng thấp hơn 40%. Bề dày của lớp TiO2 ngồi cùng khoảng 360nm, thích hợp cho việc ứng dụng quang xúc tác như đã nêu ở
trên, vì vậy chọn màng đa lớp m3 với bề dày tương ứng 365nm/30nm/34nm/thủy
tinh.
3.5 Phổ truyền qua và phản xạ của màng đa lớp TiO2/TiN/TiO2 được tạo từ thực
nghiệm.
Từ kết quả mơ phỏng ở phần 3.3 ,tiến hành thực nghiệm với thơng số như màng
m3 (365nm/30nm/34nm).
Màng nhận được cĩ cĩ kết quả khá phù hợp với kết quả mơ phỏng từ lý thuyết. Kết quả này được thể hiện rõ trong hình 3.11 và hình 3.12.
Hình 3.11: Màng đa lớp DL71 được chế tạo từ thực nghiệm, được phỏng theo mẫu m3 mơ phỏng từ lý thuyết.
Hình III.12: Màng đa lớp DL85 được chế tạo từ thực nghiệm,
Màng DL71 và màng DL85 từhình 3.11 và hình 3:12 cĩ lớp TiN đều được tạo
ở cường độ dịng phún xạ ngưỡng cở I = 0,9 A, áp suất phún xạ tồn phần p= 3.10-3 torr với tỉ lệ khí N2/Ar =10% nhưđã đề cập trong cơng trình[9].
Màng TiO2 ngồi cùng được tạo ở cường độ dịng phún xạ ngưỡng I = 0,45A,
áp suất p = 1,3.10-2 torr nhưđề cập ở trên để màng cĩ tính quang xúc tác tốt; trong khi lớp TiO2 trong cùng được chế tạo ở cường độ dịng phún xạ I =0,5A, áp suất phún xạ p
= 10-3 torr để màng cĩ chiết suất lớn và bề mặt màng mịn nhằm tăng khả năng phản xạ và làm lớp đệm chắc chắn.
Cả hai lớp màng TiO2đều được tạo với tỉ lệ khí O2/Ar = 0,08.
Kết quả cho thấy mẫu đa lớp DL 71 hình 3.11 và DL 85 hình 3.12 đều cĩ độ
truyền qua 40% sai khác 10% so với mẫu m3. Điều này cĩ thể giải thích là do bề dày của lớp TiN cĩ sai số chút ít trong quá trình thực nghiệm so với tính tốn lý thuyết. Tính tốn độ phản xạ trung bình của màng đa lớp DL85 trong khoảng bước sĩng từ
800nm tới 1100nm, kết quả cho thấy độ phản xạ trung bình khoảng 53%.
3.6 Tính quang xúc tác của một số màng đa lớp:.
Mẫu ΔABS
DL 71 0.19
DL85 0.18 Bảng3.6: Độ phân huỷ MB tương ứng của các màng.
Phổ nhiễu xạ tia X và Độ phân hủy MB của hai màng đa lớp được trình bày trên
Hình 3.13 và bảng 3.6 cho thấy các màng đa lớp TiO2/TiN/TiO2 cụ thể là hai mẫu DL 71 và DL 85 cĩ tính quang xúc tác tốt như màng đơn lớp TiO2 (mẫu M47). Từ phổ
nhiễu xạ tia X của mẫu DL71 và DL85 được trình bày ở hình 3.13 cho thấy màng cĩ suất hiện pha anatase mặt (004). Sự xuất hiện điều này là do lớp TiO2 phát triển tốt trên màng tinh thể TiN. Lớp TiO2 ngồi phát triển trên lớp TiN tốt hơn là nĩ phát triển trên thủy tinh vì thủy tinh là vơ định hình. Vì vậy, màng đa lớp TiO2/TiN/TiO2 cĩ cấu trúc tinh thể tốt hơn so với màng đơn lớp TiO2 trên đế thủy tinh, điều này được biểu hiện rỏ
qua sự suất hiện mặt A(004) của hai màng đa lớp trên.
Trong hình (3.9) và (3.10), độ phản xạ của màng chỉ được vẽ tới bước sĩng 1395 nm, bởi vì chiết suất và hệ số tắt k được đo từ phương pháp Elippsomety với bước sĩng
λ giới hạn( 395 nm ≤λ ≤ 1395 nm), Vì vậy phổ phản xạ tính từ lý thuyết chỉ giới hạn
đến bước sĩng 1395 nm, nên để so sánh phổ lý thuyết và thực nghiệm, thì độ phản xạ
của màng chỉ được vẽ tới bước sĩng 1395 nm. Tuy nhiên hình (3.14) trình
Hình 3.13: Phổ nhiễu xạ tia X của màng đa lớp TiO2/TiN/TiO2
bày phổ phản xạ của mẫu DL85 được vẽ từ 1395 nm đến 25000 nm, từ đồ thị ta nhận thấy màng cĩ độ phản xạ trên 70 % trong vùng hồng ngoại. Trong vùng cĩ bước sĩng từ 800nm tới 1000nm màng DL85 cĩ độ phản xạ tương đối cao thể hiện ở hình 3.16
Đây là một điều rất tốt đối với màng gương nĩng truyền qua.
Hình 3.14: Độ phản xạ của màng đa lớp TiO2/TiN/TiO2
3.7 Một số màng đa lớp khác đã tạo.
Hình 3.17: Màng đa lớp DL66 được chế tạo từ thực nghiệm, được phỏng theo mẫu m3 mơ phỏng từ lý thuyết.
Hình 3.18: Màng đa lớp DL69 được chế
tạo từ thực nghiệm, được phỏng theo mẫu m3 mơ phỏng từ lý thuyết. Hình 3.16: Phổ phản xạ của màng DL85 ở bước sĩng 700nm tới 1100nm
Từ phổ phản xạ và truyền qua và độ phân hủy MB của một số màng đa lớp được trình bày trên Hình 3.17, Hình 3.18 và bảng 3.7 Cĩ thể thấy rằng các mẫu tạo được cĩ tính lặp lại cao về khả năng quang xúc tác cũng như sự phù hợp của phổ phản xạ và truyền qua của các màng đa lớp so với phổ lý thuyết.
Mẫu ΔABS
DL66 0.13 DL69 0.15
KẾT LUẬN
Qua bài tốn mơ phỏng độ truyền qua và phản xạ của màng đa lớp và thực nghiệm của đề tài, màng TiO2/TiN/TiO2 được chế tạo theo hướng mơ phỏng và cho một số kết quả sau:
9 Tìm được bề dày ngưỡng ~340nm của lớp TiO2 ngồi cĩ tính chất quang xúc tác tốt vừa thỏa mãn tính gương nĩng truyền qua.
9 Xây dựng được bài tốn lý thuyết ma trận đối với màng đa lớp, cụ thể là 3 lớp TiO2/TiN/TiO2 kết hợp với số liệu thực nghiệm về chiết suất n, hệ số
tắt k của từng lớp. Cũng từ lý thuyết ma trận, mơ phỏng dạng phổ truyền qua của gương nĩng TiO2/TiN/TiO2.
9 Phổ phản xạ và truyền qua của gương nĩng TiO2/TiN/TiO2 từ thực nghiệm, khá trùng khớp vĩi phổ mơ phỏng từ lý thuyết, và độ lập lại trong thí nghiệm khá cao.
9 Màng gương nĩng TiO2/TiN/TiO2 tạo được vừa đáp ứng được tính chất của màng gương nĩng truyền qua, cụ thể là truyền qua trên 40% trong
vùng ánh sáng khả kiến và phản xạ trên 70% trong vùng bước sĩng từ
800nm trở đi lại vừa cĩ tính chất quang xúc tác gần bằng với màng đơn lớp TiO2 đã nêu. Loại màng này được ứng dụng làm cửa kính cho các tịa nhà cao ốc ở vùng khí hậu nhiệt đới.
HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Trong các đề tài sau, sẽ nghiên cứu thay thế màng TiN bằng màng ZrN để nâng
độ truyền qua ở vùng khả kiến và nâng độ phản xạ ở vùng hồng ngoại. Bởi vì màng ZrN cĩ tính chất quang, điện gần như giống với màng kim loại Ag nhưng hơn TiN. Thay lớp ngồi cùng TiO2 bàng lớp TiO2 pha tạp N2 để tăng tính quang xúc tác của màng ở vùng ánh sáng khả kiến.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lê Khắc Bình, Nguyễn Nhật Khanh, (2002), Vật lý chất rắn, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh.
[2] Võ Trung Chánh, (2005), Giáo Trình Tinh Thể Học Đại Cương, Nxb Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh, TP. Hồ Chí Minh.
[3] Nguyễn Hữu Chí, (2003), Điện động lực, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh.
[4] Lê Văn Hiếu, (2005), Vật Lý Điện Tử, Nxb Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh, TP. Hồ Chí Minh.
[5] Phùng Hồ và Phan Quốc Phơ, (2001), Giáo Trình Vật Lý Bán Dẫn, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật, Hà Nội.
[6] Trương Quang Nghĩa, (1997), Giáo trình Vật Lý Tinh Thể, Tủ sách Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TP. Hồ Chí Minh, TP. Hồ Chí Minh.
[7] Đồn Viên Duyên Oanh (2001), điều kiện tối ưu của “ Gương nĩng truyền qua” đa lớp: Điện mơi/kim loại/Điện mơi, Luận văn tốt nghiệp, GVHD GS-TS. Nguyễn Hữu Chí.
[8] Buhl R., Pulker H. K., and Moll E. (1981), Thin Solid films 80, 265.
[11] Cheng C.C., Erdemir A., Fenske G.R. (1989), Surf. and Coat. Technol., 139/40,
365.
[12] Chou W., Yu G., Huang J., (2000), Surf. and Coat. Technol., 140,206.
[13] Durusoy H.Z., Duyar O., Aydnl A. (2003), Ay F., Vacuum, 70, 21.
[9] Enoki H., Nakayama T., and Echigoya J. (1992), Physica Status Solidi A 129 (1),
181-191.
[10] Fujishima A., Rao N.T. and Tryk A.D, (2000), Titanium Dioxide Photocatalysis, Journal of Photochemistry and Photobiology, C: Photochemistry Reviews 1, pp. 1-21.
[16] Hans Bach, Dieter Krause, (1997), Thin films on glass, Springer - Verlag Berlin Heidelberg, page 137 – 161.
[15] Hatscheck R. L., Mach A.M., (1983), Special Report No. 752, pp. 129.
[17] Kaneko M. and Okura I. (Eds.) (2002), Photocatalysis Science and Technology, Kodansha Springer, Tokyo.
[35] Kazuhito Hashimoto, Hiroshi Irie and Akira Fujishima, (2005), TiO2 Photocatalysis: A
Historical Overview and Future Prospects, The Japan Society of Applied Physics.
[36] Kim N.Y., Son Y.B., Oh J.H., Hwangbo C.K., Park M.C. (2000), Surf. and Coat.
Technol., 128-129, 156.
[38] Leng J.M., Chen J., Fanton J., Senko M., Ritz K., Opsal J. (1998), Thin Solid
Films, 313-314, 308.
[18] Logothetidis S., Alexandrou I., Kokkou S. (1996), Surf. and Coat. Technol., 80,
66.
[19] Maheo D., Poitevin J.M. (1992), Thin Solid Films, 215, 8.
[31] Mardare D. and Rusu I.G. (1999), “On The Structure of Titanium Oxide Thin
Films”, An.Univ.Lasi, pp.201 – 208.
[32] Mattox D. M. (1963), J. Appl. Phys. 63, 2493.
[33] Meng L., Azevedo A., Santos M. P. (1995), Vacuum, 46 (3), 233.
[40] Ming- Show Wong, Hung Pang Chou, Tien- Syh Yang, (2006), Reactively
sputtered N-doped titanium oxide films as visible-light photocalyst, Department of Materials Science and Engineering, National Dong Hwa University, Hualien, Taiwan, ROC, Thin Solid Films 494, 244 – 249.
[39] Mills A. and Le Hunt S, (1997), An Overview of Semiconductor Photocatalysis, Journal of Photochemistry and Photobiology, A: Chemistry 108, pp. 1-35.
[37] Musil J. (2000), Surface and Coating Tech. 125, 341.
[20] Narayan J., Tiwari P., Singh J., Chowdhury R., and Zheleva T. (1992), Appl. Phys. Lett. 61, 1290.
[25] O.S.Heaven, Optical Properties of Thin Solid Films, London Butterworths
Scientific Publication, 1955,ch.4.
[26] Patsalas P., Charitidis C., Logothetidis S. (2000), Surf. and Coat. Technol., 125,
[29] Roquiny P., Mathot G., Tewagne G., Bodart F., and Van Den Brande P. (2000), Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, Section B 161-163, 600.
[21] Shenhar A., Gotman I., Radin S., Ducheyne P., and Gutmanas E.Y. (2000), Surface and Coating Tech. 126, 210.
[22] Shuichi Kanamori (1986), Thin Solid Films, 136, 195-214
[28] S.K. Zheng, T.M. Wang, G. Xiang, C. Wang, (2001), Photocatalytic activity of
nanostructured TiO2 thin films prepared by dc magnetron sputtering method, Center of Material Physics and Chemistry, School of Science, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 100083 Beijing, People’s Republic of China, Vacuum 62, 361–366. [23] S.M.A. Durrani, E.E. Khawaja, A.M. Al-Shukri, M.F. Al-Kuhaili, Dielectric/Ag/dielectric coated energy- efficient glass windows for warm climates,Energy and duildings 36 (2004)891-898.
[24] Spurr A.R. and Myers H. (1957), Quantitative Analysis of Anatase-Rutile Mixtures
With An X-Ray Diffractometer, Hughes Research Laboratories California, pp. 760-762. [30] Torok E. and Perry A. J., (1987), Thin solid films, 153, 37.
[34] Vershinin N., Filomov K., Straumal B., Gust W., Wiener I., Rabkin E., and
Kazakevich A. (2000), Surface and Coating Technol. 125, 229.
[37] Yavorsky and Detlaf A. (1975), Handbook of Physics, Mir Publishers, Moscow. [41] Y. Djaoued, M. Thibodeau, J. Robichaud, S. Balaji, S. Priya, N. Tchoukanova,
S.S. Bates, , (2008), Photocatalytic degradation of domoic acid using nanocrystalline
TiO2 thin films, Laboratoire de Micro-spectroscopies Raman et FTIR, Universit´e de
Moncton, Campus de Shippagan, Journal of Photochemistry and Photobiology A:
Chemistry 193 (2008) 271–283
[42] Wittmer M., Studer B., and Melchiar H. (1981), J. Appl. Phys. 52, 5722.