Tính chất và ứng dụng của vật liệu ZnO

4. Phƣơng pháp nghiên cứu

1.4.1. Tính chất và ứng dụng của vật liệu ZnO

ZnO là chất bán dẫn có vùng cấm thẳng và khá lớn (khoảng ~ 3,3 eV ở nhiệt độ phòng). ZnO không màu và trong suốt. Ở điều kiện thƣờng kẽm oxit có dạng bột trắng mịn. Khi nung trên 300oC, nó chuyển sang mùa vàng (sau khi làm lạnh nó trở lại màu trắng). Hấp thụ tia cực tím và ánh sáng có bƣớc sóng nhỏ hơn 366 nm. Các thông số về cấu trúc và tính chất của ZnO đƣợc trình bày trên bảng 1.2 [16].

Bảng 1.2: Một vài thông số của ZnO

Hằng số mạng (300K): a0, c0, c0/a0 0,32495 nm; 0,52069 nm

Năng lƣợng vùng cấm 3,3 eV (ở 300K) tới 3,437eV (ở 4,2 K)

Khối lƣợng riêng 5,606g/ cm3

Nhiệt độ nóng chảy 1975 oC

Cấu trúc tinh thể Phối trí (số phối trí 4)

Mạng tinh thể Mạng ion Độ cứng 4 - 5,5 tt H  (KJ/mol) -348,28 S  (J/mol.K) 43,64

Tạp chất có thể đƣợc cho vào N, H, Al, In, Ga, Na, Mn, Co, Fe Các khuyết tật Lỗ trống ion, Zn xen kẽ

- ZnO hầu nhƣ không tan trong nƣớc, nhƣng tan trong axit tạo thành các muối [19]: 2 2 2 ZnO H ZnH O

- ZnO là một chất lƣỡng tính, nên tan trong kiềm tạo muối zincat tan:

ZnO + 2NaOH + H2O Na2[Zn(OH)4]

- Ở nhiệt độ cao khoảng 1975 oC, ZnO bị khử bởi C:

ZnO C Zn CO

- ZnO phản ứng chậm với axit béo trong dầu để sản xuất các cacboxylate tƣơng ứng, chẳng hạn nhƣ oleate hoặc stearate. Kẽm oxit phản ứng mãnh liệt với bột nhôm và magie khi nung nóng [18].

ZnO + Mg  MgO + Zn

- Phản ứng với hydro sulfide: phản ứng này đƣợc sử dụng thƣơng mại trong việc loại bỏ H2S (ví dụ, nhƣ là chất khử mùi)

2 2

ZnOH SZnSH O

- ZnO là chất bán dẫn thuộc loại A(II)B(VI), chuyển dời điện tử thẳng, có năng lƣợng exiton tự do lớn (cỡ 60 meV). So với các chất bán dẫn khác, ZnO có đƣợc tổ hợp của nhiều tính chất quý báu, bao gồm tính dẫn điện, tính chất quang, bền vững với môi trƣờng hidro, tƣơng thích với các ứng dụng trong môi trƣờng chân không. Ngoài ra ZnO còn là chất dẫn điện tốt, tính chất dẫn nhiệt ổn định. ZnO vật liệu nano là triển vọng cho điện tử nano và lƣợng tử ánh sáng. Do có nhiều tính chất ƣu việt nhƣ vậy nên vật liệu ZnO có nhiều ứng dụng trong khoa học công nghệ và đời sống [19].

Mặt khác bán dẫn ZnO còn là chất nền dễ dàng để pha tạp các ion kim loại khác nhau. Vì thế pha tạp thêm các ion kim loại chuyển tiếp vào bán dẫn kẽm oxit tạo thành bán dẫn từ pha loãng có khả năng mang đầy đủ các tính chất: điện, quang ứng dụng sản xuất các thiết bị điện tử nền spin, xúc tác quang.

ZnO đƣợc biết đến là vật liệu có đặc tính quang xúc tác tốt trong việc phân hủy các chất màu hữu cơ với ánh sáng kích thích UV, trong khi phƣơng pháp chế tạo thƣờng đơn giản và thân thiện với môi trƣờng. Trên cơ sở vật liệu này, việc nghiên cứu chuyển ánh sáng kích thích từ vùng UV sang vùng nhìn thấy cho quá trình quang xúc tác đang là vấn đề đƣợc cộng đồng khoa học quan tâm sâu rộng [4].