7. Cấu trúc luận văn
3.1.1.2 Đặc trưng vật liệu CS3
Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu CS3 (Hình 3.2) cho thấy các pic đặc trưng xuất hiện ở 2 = 14o; 27,9o; 47,65o và 48,95o tương ứng pha siloxen được tạo thành từ quá trình loại canxi của CaSi2. Các pic cĩ giá trị 2 = 28,4o, 47,2o, 56,1o và 76,3o ứng với Si tinh thể [119].
Các nhĩm liên kết dao động của siloxen được đặc trưng bởi phổ IR. Trên hình 3.3 xuất hiện các vùng dao động đặc trưng tại 517 cm-1, 670 cm-1, 873 cm- 1, 1633 cm-1, 2113 cm-1, 2250 cm-1 và các vùng cĩ cường độ mạnh tại 1053 cm- 1 và 3427 cm-1. Trong đĩ, vùng dao động tại 517 cm-1 được quy cho dao động Si – Si trong mặt phẳng silic do cĩ sự chênh lệch mơmen lưỡng cực từ Si gắn với phối tử -H và -OH [120]. Dao động Si-H cĩ thể được tìm thấy tại 2113 cm- 1, Si-OH tại 873 cm-1 và H-SiO3 tại 2250 cm-1 [120], [121], [122]. Dao động biến dạng -OH được tìm thấy tại 1633 cm-1 và nhĩm -OH tham gia vào liên kết hidro cĩ vân tù tại 3427 cm-1 [123]. Vân dao động tại 1053 cm-1 ứng với dao động biến dạng bất đối xứng Si-O-Si [120], sự xuất hiện của dao động Si-O-Si trong mẫu siloxen của CS3 chỉ ra sự cĩ mặt của SiOx vơ định hình hoặc cầu nối oxy giữa các mặt phẳng hoặc cĩ sự chèn nguyên tố oxy vào trong vịng silic sáu cạnh.
Phổ Raman của CS3 trên hình 3.4 chỉ ra một pic mạnh, đặc trưng cho dao động Si – Si tại vị trí 515 cm-1 phù hợp với cấu trúc Kautsky [120]. Từ kết quả phân tích XRD, IR, cĩ thế thấy cĩ sự chèn nguyên tố oxy và các vịng silic. Dao động nhỏ tại 485 cm-1 được gán cho sự cĩ mặt của tinh thể silic. Dao động tại 643 cm-1 và 733 cm-1 tương ứng với sự cĩ mặt của dao động Si-H.
Hình 3.4 Phổ Raman của CS3
Thành phần và trạng thái hĩa học của các nguyên tố trên bề mặt CS3 được nghiên cứu kĩ hơn qua phân tích XPS. Phổ quét khảo sát trong hình 3.5 cho thấy cĩ sự xuất hiện của nguyên tố silic và oxy. Đặc biệt, khơng cĩ dấu hiệu của nguyên tố canxi trong khoảng năng lượng 300 đến 400 eV [124], chứng tỏ nguyên tố canxi đã được tách ra khỏi CaSi2.
Hình 3.5 Giản đồ XPS của CS3
Hình 3.6a hiển thị trạng thái Si 2p của CS3, với sự xuất hiện của các pic tại các vị trí 99,176 eV; 100,09 eV; 102,92 eV. Pic tại 99,176 eV ứng với trạng thái Si 2p trong liên kết Si-H, pic tại 100,09 eV ứng với trạng thái Si 2p trong liên kết Si-Si trong các tấm siloxen, pic cuối cùng ứng với trạng thái Si 2p trong liên kết Si-O2. Sự cĩ mặt của liên kết Si-O2 chứng tỏ bề mặt siloxen đã bị oxi hĩa một phần [125]. Sự cĩ mặt nguyên tố oxy cũng như vai trị nhĩm hidroxyl (-OH) của siloxen được xác nhận qua phổ của O 1s hình 3.6b. Phân tích phổ xác định được các năng lượng liên kết tại 530,5 eV; 532,3 eV; 533,1 eV tương ứng với các liên kết Si-(OH)x, Si-O-Si và Si-O2 trong mạng silic hai chiều [122]. Từ dữ liệu XPS, tỉ lệ nguyên tố O/Si trong CS3 được xác định bằng 1,2, chứng tỏ trong quá trình bị oxi hĩa chưa hình thành được SiO2, kết quả này phù hợp với các cơng trình đã nghiên cứu [126].
Hình 3.6. Phổ XPS của Si 2p (a) và O 1s (b) của CS3
Hình thái cấu trúc của CS3 được nghiên cứu bằng phổ điện tử quét (SEM) và phổ điện tử truyền qua (TEM). Ảnh SEM (hình 3.7a) của CS3 cho thấy nhiều lớp xếp chồng lên nhau với khoảng trống xen giữa các lớp. Điều này cĩ thể mang lại lợi ích cho việc khuếch tán ion chất điện phân nhanh hơn trong phản ứng điện hĩa. Ảnh TEM của CS3 được thể hiện trong hình 3.7b cho thấy cấu trúc dạng các tấm với kích thước vài nanomet xếp chồng lên nhau với độ đồng nhất cao.
Hình 3.7 Ảnh SEM (a) và ảnh TEM (b) của mẫu CS3
Các kết quả trên đã minh chứng chúng tơi tổng hợp thành cơng các tấm Si vịng sáu cạnh được liên kết với nhau qua cầu nối oxy.