Hình thái bề mặt của các cấu trúc chế tạo đƣợc quan sát bởi ảnh SEM trên máy đo (Hitachi S4800) tại viện khoa học vật liệu Việt Nam. Cấu trúc ZnO hạt nano đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp phủ trải trên đế FTO đƣợc trình bày nhƣ trên hình 3.1.
Hình 3. 1. Ảnh SEM bề mặt của cấu trúc ZnO hạt nano; a) ảnh phóng đại thấp, b) ảnh phóng đại cao và lồng vào trong b) là ảnh cắt ngang của a).
Hình 3.1 (a) là ảnh SEM bề mặt của cấu trúc ZnO hạt nano phủ trải trên đế FTO và xử lý nhiệt tại 450o
C với thời gian 2 giờ trong không khí. Ảnh cho thấy cấu trúc màng là các hạt nano phân bố khá đồng đều trên bề mặt điện cực tạo thành một lớp màng dày và rất nhiều các lỗ xốp. Hình 3.1 (b) là ảnh SEM phóng đại cao của hình 3.1 (a) cho ta thấy rõ hơn cấu trúc dạng hạt nano với đƣờng kính phân bố rộng từ 50 nm đến 200 nm. Các lỗ xốp của màng đƣợc tạo ra là do các hạt nano sắp xếp ngẫu nhiên chồng chéo lên nhau tạo ra các khe hở. Ảnh SEM mặt cắt ngang đƣợc lồng vào trong hình 3.1 (b) cho phép ta xác định đƣợc bề dày tƣơng đối của lớp vật liệu ZnO phủ trải trên điện cực là
16 m. Hơn nữa, ảnh SEM cũng cho thấy màng điện cực chế tạo bằng phƣơng pháp phủ trải có chất lƣợng khá tốt với các hạt nano kết chặt và bám dích tốt với đế điện cực FTO, điều này cho thấy a xít Acetic là một chất kết dính khá tốt cho hệ vật liệu ZnO, chính khả năng kết dính tốt này cũng là rất thuận lợi cho quá trình vận chuyển điện tử sinh quang đến điện cực, giúp giảm khả năng tái hợp cặp điện tử và lỗ trống sinh quang dẫn đến tăng cƣờng hiệu suất PEC.
Hình 3. 2. Ảnh SEM bề mặt của cấu trúc CuInS
2/ZnO hạt nano; a) ảnh phóng đại thấp, b) ảnh phóng đại cao
Hình 3.2 là ảnh SEM bề mặt của cấu trúc CuInS2/ZnO hạt nano đạt đƣợc sau khi mọc thủy nhiệt CuInS2 trên bề mặt cấu trúc ZnO ở 90°C trong thời gian 30 phút. Ảnh SEM cho thấy cấu trúc bề mặt của mẫu điện cực không có nhiều thay đổi so với trƣớc khi mọc thủy nhiệt. Tuy nhiên, quan sát ở ảnh SEM phóng đại hình 3.2 (b) ta thấy màu sắc của mẫu trở nên xám hơn và trên bề mặt các hạt nano ZnO xuất hiện các hạt nano nhỏ li ti và các khe hở giữa các hạt nano ZnO cũng trở nên chật hẹp. Điều này có thể là CuInS2 đã mọc trên bề mặt của ZnO.
Hình 3.3 là ảnh SEM bề mặt của cấu trúc CdS/CuInS2/ZnO với thời gian mọc CdS là 30 phút. So sánh với các ảnh SEM ở hình 3.1 và 3.2 ta thấy trên bề mặt các hạt nano ZnO mọc ra nhiều hơn các hạt nano với kích thƣớc
lớn và bề mặt mẫu cũng trở nên khá nhám. Điều này cũng khẳng định rằng CdS đã mọc thành công tạo thành cấu trúc CdS/CuInS
2/ZnO nhƣ mong muốn.
Hình 3. 3. Ảnh SEM bề mặt của cấu trúc CdS/CuInS
2/ZnO hạt nano; a) ảnh phóng đại thấp, b) ảnh phóng đại cao
3.2. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CẤU TRÚC BẰNG ĐO PHỔ XRD
Để chứng minh thêm sự mọc tinh thể của CdS và CuInS2 trên ZnO, các mẫu ZnO, CuInS2/ZnO, CdS/CuInS2/ZnO đƣợc đặc trƣng bởi phổ nhiễu xạ tia X trên máy SEIMENS D5005 tại Đại Học Quốc Gia Hà Nội nhƣ cho thấy trên hình 3.4.
Hình 3. 4. Phổ XRD của các mẫu ZnO, CuInS
Trên giản đồ XRD của cả ba mẫu ta nhận đƣợc 7 đỉnh nhiễu xạ có cƣờng độ mạnh nhất ở các vị trí 2θ = 32,2°; 34,4°, 36,3°, 47,6°, 57,5°, 63° và 67,5° tƣơng ứng với các mặt mạng (100), (002), (101), (102), (110), (103) và (112) của cấu trúc wurtzite. Kết quả này hoàn toàn trùng khớp với thẻ chuẩn (JCPDS 36-1451) của ZnO. Đồng thời, trên giản đồ nhiễu xạ tia X ta còn nhận đƣợc các đỉnh ở vị trí 26° và 44° tƣơng ứng với các mặt mạng (111) và (220) của CdS (JCPDS 10-0454). Trên giản đồ ta không nhận thấy sự có mặt của CuInS2, việc này có thể giải thích là vì hàm lƣợng CuInS2 còn thấp nên phổ XRD không đo đƣợc. Ngoài ra, trên giản đồ XRD ta còn nhận đƣợc một vài đỉnh ở các vị trí khác, đây có thể đƣợc quy cho là các tạp chất còn lại trong quá trình chế tạo.
3.3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN NGUYÊN TỐ BẰNG ĐO PHỔ EDS
Để xác định thành phần cũng nhƣ tỉ lệ phần trăm các nguyên tố trong các mẫu chế tạo, chúng tôi sử dụng phép đo EDS cho hai mẫu CuInS2/ZnO với thời gian mọc CuInS2 là 30 phút và CdS/CuInS2/ZnO với thời gian mọc CdS cũng 30 phút.
Hình 3.5 là vùng đo phổ EDS và kết quả phổ EDS của mẫu vật liệu CuInS2/ZnO, kết quả phân tích cho thấy có sự xuất hiện của các đỉnh đặc trƣng cho các nguyên tố Zn, O, S, Cu, In với tỉ lệ phần trăm (nguyên tử và khối lƣợng) đƣợc tính toán từ phổ EDS đƣợc trình bày trong bảng 3.1. Dựa vào phổ EDS ta nhận thấy CuInS2 đã mọc thành công nhƣng số lƣợng quá thấp. Cụ thể đối với Cu khối lƣợng chiếm 1,49 %, số nguyên tử chiếm 0,92 % còn In thì khối lƣợng chiếm 4,72 % và số nguyên tử 1,62%, nên trên phổ XRD không xuất hiện, kết quả này là khá trùng khớp với phổ XRD.
Hình 3. 5. Vùng quét phổ và phổ EDS của mẫu CuInS2/ZnO
Bảng 3. 1. Thành phần các nguyên tố tính toán từ phổ EDS
Nguyên tố Khối lƣợng (%) Nguyên tử (%)
O K 21,23 52,26 S K 2,38 2,93 Cu K 1,49 0,92 Zn K 70,18 42,27 In L 4,72 1,62 Tổng 100,00 100,00
Tƣơng tự hình 3.6 là vùng quét phổ và phổ EDS của mẫu vật liệu CdS/CuInS2/ZnO, kết quả phân tích cũng cho thấy có sự xuất hiện của các đỉnh đặc trƣng cho các nguyên tố Zn, O, S, Cu, In, Cd và tỉ lệ phần trăm (nguyên tử và khối lƣợng) đƣợc tính toán từ phổ EDS đƣợc trình bày trong bảng 3.2. Dựa vào phổ EDS ta nhận thấy kết quả này là khá trùng khớp với
phổ XRD. Kết quả đo phổ EDS một lần nữa chứng minh vật liệu CdS/CuInS2/ZnO đã đƣợc chế tạo thành công.
Hình 3. 6. Vùng quét phổ và phổ EDS của mẫu CdS/CuInS2/ZnO
Bảng 3. 2. Thành phần các nguyên tố tính toán từ phổ EDS
Nguyên tố Khối lƣợng (%) Nguyên tử (%)
O K 19,98 51,17 S K 2,31 2,96 Cu K 0,35 0,23 Zn K 66,63 41,75 Cd L 8,64 3,15 In L 2,09 0,74 Tổng 100,00 100,00