CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.2. TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO-Fe2O3 PHA TẠP Sn
Qua khảo sát sự phụ thuộc của lớp vật liệu nano -Fe2O3 mọc trên đế FTO vào tiền chất, nhiệt độ tổng hợp và nồng độ tiền chất, chúng tôi thấy mẫu F04 có độ đồng đều cao. Do đó, chúng tôi tiến hành chế tạo các mẫu nano - Fe2O3 pha tạp Sn theo quy trình như mục 2.2.3 ở chương 2 và được pha tạp trên mẫu F04. Nghĩa là, đầu tiên, chế tạo vật liệu nano -Fe2O3 với tỉ lệ nồng độ FeCl3/CO(NH2)2 là 2/3, thời gian thuỷ nhiệt 16 giờ ở nhiệt độ 100 oC (mẫu F04); tiếp theo, các mẫu F04 được pha tạp Sn với nồng độ pha tạp thiếc(II) clorua (SnCl2.2H2O) lần lượt là 20 mM, 40 mM, 80 mM, 160 mM và 320 mM, tiến hành quay li tâm (nhỏ 0,5 ml dung dịch pha tạp lên mẫu F04 chia thành 3 lần, mỗi lần quay 15 s). Sau đó, mang các mẫu đã được pha tạp ủ
nhiệt ở 500 oC trong 2h để hình thành vật liệu -Fe2O3, sau đó ủ nhiệt tại 750
o
C trong 20 phút. Ta thu được các mẫu Sn-F20, Sn-F40, Sn-F80, Sn-F160 và Sn-F320 tương ứng với nồng độ pha tạp 20 mM, 40 mM, 80 mM, 160 mM và 320 mM. Bảng tổng hợp mẫu vật liệu -Fe2O3 pha tạp Sn với nồng độ khác nhau được trình bày trong bảng 3.4.
Bảng 3.4. Bảng tổng hợp mẫuvật liệu pha tạp Sn theo nồng độ khác nhau
Kí hiệu mẫu Nồng độ pha tạp Sn (mM) Nhiệt độ ủ mẫu (oC) Sn-F20 20 750 Sn-F40 40 750 Sn-F80 80 750 Sn-F160 160 750 Sn-F320 320 750
Ảnh chụp các mẫu vật liệu thanh nano Fe2O3 pha tạp Sn với các nồng độ pha tạp khác nhau khi tổng hợp và sau khi ủ nhiệt tại 750 oC của được thể hiện trong hình 3.7. Hình 3.7(a) là ảnh chụp khi tổng hợp của các mẫu vật liệu pha tạpSn với các nồng độ 20 mM (mẫu Sn-F20); 40 mM (mẫu Sn-F20); 80 mM (mẫu Sn-F80); 160 mM (mẫu Sn-F160) và 320 mM (mẫu Sn-F320). Qua ảnh chụp ta thấy, các mẫu vật liệu độ dày cao và đồng đều. Mẫu Sn-F80 lớp vật liệu mọc dày và có đồng đều cao nhất so với các mẫu còn lại. Hình 3.3(b) là ảnh chụp sau khi ủ nhiệt tại 750 oC của các mẫu vật liệu được tổng hợp trên đế FTO với nồng độ pha tạp Sn khác nhau. Sau khi ủ nhiệt, mẫu Sn-F20 do có phần vật liệu bám ở lớp kính phía sau của đế FTO nên có màu đậm hơn so với các mẫu khác. Ở mẫu Sn-F40, Sn-F80, Sn-F160 và Sn-F320 có màng vật liệu màu nâu đỏ. Với mẫu Sn-F80, lớp màng nâu đỏ trên đế FTO được thể hiện rõ hơn và đồng đều.
Hình 3.7. Ảnh chụp (a) khi tổng hợp và (b) sau khi ủ nhiệt tại 750 oC của các mẫu vật liệu thanh nano Fe2O3 pha tạp Sn với các nồng độ pha tạp khác nhau: 20 mM (mẫu Sn-F20); 40 mM (mẫu Sn-F20); 80 mM (mẫu Sn-F80); 160 mM (mẫu Sn-F160) và 320
mM (mẫu Sn-F320).
Hình 3.8 là ảnh SEM của mẫu Sn-F80 sau khi ủ nhiệt. Kết quả cho thấy, khi so sánh với ảnh SEM của vật liệu chưa pha tạp (mẫu F04) thì khi pha tạp Sn mật độ và kích thước các thanh nano hầu như thay đổi không đáng kể. Tuy nhiên dưới điều kiện ủ nhiệt tại 750 oC, hình dạng và bề mặt ngoài của các thanh nano bắt đầu có sự biến đổi, lớp vật liệu bề mặt của các thanh nano có dấu hiệu tan chảy dưới điều kiện nhiệt độ cao. Hình 3.8(b) là ảnh SEM chụp theo phương cắt ngang (cross sectional view) của mẫu Sn-F80 sau khi ủ nhiệt, cho thấy các thanh nano mọc thẳng đứng trên đế FTO với chiều dày của lớp vật liệu 1,8 m.
Hình 3.8. Ảnh SEM của mẫu Sn-F80 sau khi ủ nhiệt tại 750 oC (a) chụp theo phƣơng thẳng đứng và (b) chụp theo phƣơng cắt ngang.
Để biết sự có mặt của Sn trong cấu trúc nano Fe2O3 cần sử dụng các kĩ thuật phân tích khác để xác định như XPS, TEM hay TEM mapping, tuy nhiên do chưa có điều kiện khảo sát nên chúng tôi chỉ nghiên cứu sơ bộ bằng phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX). Thành phần hoá học của vật liệu được xác định bằng phổ EDX. Kết quả phổ EDX ở hình 3.9 cho thấy, ngoài các đỉnh của Fe và O đặc trưng cho thành phần của vật liệu Fe2O3 thì còn xuất hiện đỉnh đặc trưng cho nguyên tố Sn chính là nguyên tố được pha tạp vào cấu trúc Fe2O3 (bảng đính kèm trong hình 3.9). Khi quét trên toàn bộ diện tích ảnh cho thấy nguyên tử Sn chiếm 7%. Điều này chứng tỏ nguyên tố Sn có mặt trong vật liệu Fe2O3.
Hình 3.9. Phổ EDX của mẫu vật liệu thanh nano Fe2O3 pha tạp Sn với nồng độ pha tạp 80 mM (mẫu Sn-F80)
Kết quả phổ hấp thụ UV-Vis ở hình 3.10(a) cho thấy, mẫu Sn-F80 có bờ hấp thụ trong vùng bước sóng khoảng 650 nm, tương tự như mẫu vật liệu không pha tạp. Tuy nhiên, bờ hấp thụ dịch về phía bước sóng ngắn (blue shift) và độ hấp thụ lớn hơn so với mẫu không pha tạp. Hình 3.10(b) thể hiện sự phụ thuộc của giá trị (h)2 vào năng lượng (h), độ rộng vùng cấm của
vật liệu được ước tính bằng cách ngoại suy phần tuyến tính của đồ thị với trục năng lượng. Giá trị độ rộng vùng cấm của mẫu Sn-F80 được xác định tương đương với mẫu không pha tạp.
Hình 3.1 0. (a) Phổ hấp thụ UV-Vis và (b) đồ thị Tauc biểu diễn sự phụ thuộc (h)2 vào năng lƣợng photon của mẫu F04 (vật liệu Fe2O3, đƣờng cong (1)) và mẫu Sn-F80
(vật liệu Fe2O3 pha tạp 80 mM Sn, đƣờng cong (2)).
Các kết quả trên cho thấy rằng, khi pha tạp Sn vào vật liệu Fe2O3 thì không làm thay đổi đáng kể hình thái bề mặt của Fe2O3. Tuy nhiên, khi pha tạp Sn thì bờ hấp thụ của vật liệu Fe2O3 pha tạp bị dịch một ít về phía bước sóng ngắn.