CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU NANO ZnO-H VÀ NiO/ZnO H
3.1.1.3. Hiển vi điện tử quét
Hình thái bề mặt và kích thước của mẫu chế tạo được nghiên cứu bằng phương pháp chụp ảnh SEM.
Hình 3.4: Ảnh SEM của ZnO-NFs ở độ phóng đại khác nhau: (a) 10k và (b) 80k.
Hình 3.4 hiển thị ảnh SEM của các sợi nano ZnO-NFs ở độ phóng đại 10k lần và 80k lần. Các sợi ZnO được hình thành từ quá trình oxy nhiệt tại 500o
điện. Các sợi ZnO có đường kính trung bình từ 60 nm đến 150 nm và chúng phân bố một cách ngẫu nhiên. Có thể thấy rằng, ZnO-NFs được hình thành từ chuỗi các hạt nano ZnO với kích thước hạt trung bình từ 10 nm đến 20 nm. Các hạt nano ZnO đóng vai trị là mầm cho q trình mọc của các thanh nano ZnO trong bước thủy nhiệt tiếp theo. Khoảng không gian giữa các sợi lớn tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khuếch tán dễ dàng các ion trong dung dịch trong bước thủy nhiệt để có thể hình thành các thanh nano ZnO xung quanh sợi ZnO. Hình 3.5 cho thấy hình thái của cấu trúc ZnO phân nhánh (ZnO-H) ở độ phóng đại 10k lần và 100k lần. Cấu trúc ZnO-H thu được sau khi thủy nhiệt sợi ZnO-NFs ở 90oC trong 4 giờ, các thanh nano ZnO mọc tỏa tròn, đối xứng xung quanh sợi ZnO-NFs với độ dài trung bình khoảng 800 nm, có bề mặt các thanh ZnO tương đối nhẵn. Cấu trúc ZnO-H tạo thành các không gian mở, tạo điều kiện thuận lợi cho việc hấp phụ oxy và khuếch tán khí vào sâu bên trong, tiếp xúc với toàn bộ bề mặt vật liệu, dẫn đến tăng phản ứng bề mặt. Vì vậy, cấu trúc phân nhánh ZnO được kì vọng sẽ đạt được hiệu suất nhạy khí cao.
Hình 3.6: Ảnh SEM của NiO(16min)/ZnO-H ở độ phóng đại khác nhau: (a) 10k và (b) 100k.
Hình 3.6 cho thấy ảnh SEM của cấu trúc phân nhánh ZnO được biến tính bề mặt bởi các hạt nano NiO với thời gian chiếu xạ tia UV là 16 phút khi các thanh nano ZnO được ngâm trong dung dịch muối Nickel sau khi nung ở 350oC trong khơng khí. Từ ảnh SEM ta thấy, sau q trình biến tính NiO, cấu trúc phân nhánh của ZnO hầu như khơng thay đổi, tính chất khơng gian mở không bị phá vỡ. Bề mặt các thanh ZnO hơi gồ ghề có thể là do sự hình thành các hạt NiO bên trên bề mặt các thanh ZnO.
3.1.1.4. Phổ huỳnh quang
Để khảo sát tính chất bề rộng dải cấm và sai hỏng trong các mẫu vật liệu đã chế tạo, phổ huỳnh quang của các mẫu đã được đo và phân tích. Để có thể so sánh cường độ huỳnh quang của các mẫu một cách tương đối, phổ huỳnh quang của các mẫu được đo trong cùng điều kiện cho phép (kích thước hình học của mẫu, bước sóng kích thích, mật độ cơng suất của nguồn kích thích). Dựa vào hình dạng và cường độ phát xạ của mẫu ZnO-H, NiO(2min)/ZnO-H, NiO(8min)/ZnO-H, NiO(16min)/ZnO-H dưới bước sóng kích thích 325 nm ở
bề mặt bởi các hạt NiO đều có cường độ phổ huỳnh quang thấp hơn so với cấu trúc ZnO-H.
Hình 3.7: Phổ huỳnh quang của mẫu ZnO-H, NiO(2min)/ZnO-H, NiO(8min)/ZnO- H, NiO(16min)/ZnO-H dưới bước sóng kích thích 325 nm ở nhiệt độ 300K.
Ứng với bước sóng kích thích 325 nm, phổ huỳnh quang của cấu trúc ZnO-H gồm một dải phát xạ nằm trong vùng tia cực tím (UV) ứng với bước sóng 380 nm và một dải rộng phát xạ trong vùng ánh sáng nhìn thấy (cam, vàng, lục, tím). Đỉnh phát xạ tại 380 nm thường được coi là đỉnh phát xạ đặc trưng của ZnO và có liên quan mật thiết đến quá trình tái hợp vùng-vùng. Tại giá trị bước sóng phát xạ này chúng ta có thể ước lượng bề rộng vùng cấm của vật liệu ZnO cũng như NiO/ZnO cỡ khoảng 3,26 eV.
Các phát xạ trong vùng ánh sáng nhìn thấy của ZnO và NiO/ZnO được cho là có nguồn gốc từ sai hỏng mạng. Các nút khuyết oxy (Vo) và nút khuyết kẽm (VZn) được hình thành khi một nguyên tử trong mạng tinh thể bị mất đi và để lại một vị trí trống. Sai hỏng mạng do điền kẽ oxy (Oi) hay điền kẽ kẽm (Zni) được hình thành khi một nguyên tử dư đến chiếm vị trí và điền kẽ vào các hốc tứ diện trong mạng tinh thể. Các sai hỏng giả mạng gồm vị trí giả
oxy (OZn), vị trí giả kẽm (ZnO) được hình thành khi nguyên tử này đến chiếm vị trí của nguyên tử khác trong mạng tinh thể [22].
Trong số các cấu trúc NiO/ZnO-H được khảo sát, cấu trúc NiO(8min)/ZnO-H có cường độ các đỉnh phát xạ trong vùng ánh sáng nhìn thấy mạnh nhất. Cường độ đỉnh phát xạ trong vùng ánh sáng nhìn thấy tăng lên khi tăng thời gian lắng đọng NiO từ 2 phút lên 8 phút tăng chứng tỏ trong suốt q trình biến tính bề mặt bởi các hạt nano NiO, sự gia tăng quá trình hình thành của các mức donor trong dải cấm do sự khuếch tán Ni vào mạng tinh thể của ZnO làm tăng nút khuyết oxy tại lớp bề mặt của vật liệu ZnO cũng như sự hình thành các nguyên tử tạp chất Ni. Tuy nhiên khi tiếp tục tăng thời gian lắng đọng NiO cường độ đỉnh phát xạ trong vùng này lại giảm, điều này chúng tôi cho rằng nguyên nhân là do ảnh hưởng trội của hiệu ứng tiếp xúc p-n giữa NiO và ZnO. Khi thời gian chiếu xạ UV để lắng đọng Ni tăng lên dẫn đến sự lớn lên của các hạt NiO trên bề mặt ZnO, do đó lớp tiếp xúc p-NiO/n-ZnO được hình thành ngày càng nhiều và ngăn cản sự tái hợp của electron-lỗ trống (do điện trường nội tại lớp tiếp xúc) dẫn đến sự giảm cường độ huỳnh quang cả trong vùng ánh sáng nhìn thấy và trong vùng UV.