Nguyên nhân sinh ra quang phổ hấp thụ là do sự kích thích của tia sáng với các điện tử trong liên kết hóa học. Trong phân tử CoxOy, Co tồn tại ở hai trạng thái hóa trị +2 và +3. Đỉnh hấp thụ đầu tiên có bước sóng thường nhỏ hơn 500 nm là do sự liên kết trong phối tử giữa O2- và Co2+. Đỉnh hấp thụ thứ 2 là do sự liên kết trong phối tử giữa O2- và Co3+ có bước sóng thường lớn hơn 700 nm [10, 28, 34].
Hình 3.9: Phổ hấp thụ UV- Vis của mẫu khi nung tại các nhiệt độ khác nhau: (a)T= 250oC, (b)T= 450oC, (c) T= 650oC, (d) T= 750oC, e) T= 850oC
Cấu trúc tinh thể nano CoO và Co3O4 và kích thước ảnh hưởng tới năng lượng vùng cấm, phép đo quang phổ hấp thụ của các mẫu nung ở nhiệt độ khác nhau được trình bày trên hình 3.9. Nhận thấy rằng tại nhiệt độ nung ≤ 650 oC phổ hấp thụ có hai đỉnh rõ nét tại bước sóng khoảng 450 - 550 nm và 750 - 800 nm. Với nhiệt độ nung càng cao thì đỉnh hấp thụ càng dịch về phía bước sóng dài. Khi nhiệt độ nung lên tới 750 oC thì chỉ xuất hiện đỉnh hấp thụ thứ hai thuộc hoàn toàn về pha tinh thể Co3O4, đỉnh hấp thụ yếu tại bước sóng lớn hơn 800 nm. Khi nhiệt độ nung lên tới 850 oC thì hoàn toàn không quan sát thấy đỉnh hấp thụ nào, tính chất hấp thụ quang của mẫu nung ở nhiệt độ này không còn hiện hữu.
Dựa vào hình 3.9 ta thấy cường độ đỉnh phổ hấp thụ thứ nhất giảm dần còn cường độ hấp thụ của đỉnh phổ thứ hai tăng dần. Tuy nhiên cường độ lớn nhất của đỉnh hấp thụ thứ hai không bằng cường độ lớn nhất của đỉnh phổ hấp thụ thứ nhất. Điều đó chứng tỏ cặp liên kết phối tử giữa O2- và Co2+ dần dịch chuyển thành liên kết phối tử giữa O2- và Co3+. Mặt khác ta lại thấy độ rộng vùng cấm thay đổi khi kích thước hạt thay đổi, bảng 3.1 xác định tương đối giá trị năng lượng vùng cấm và sự chênh lệch độ rộng vùng cấm.
Bảng 3.1: Bảng tổng hợp giá trị năng lượng vùng cấm và độ chênh lệch độ rộng vùng cấm ứng với các mẫu có nhiệt độ nung khác nhau
Nhiệt độ nung (oC) Eg1 (ev) Eg2 (ev) E= Eg1- Eg2 (ev) 250 2,69 1,62 1,07 450 2,58 1,60 0,98 650 2,48 1,59 0,89 750 - 1,53 - 850 - - -
Từ bảng số liệu trên ta thấy khi kích thước hạt giảm thì hai dải năng lượng giảm dần, dải năng lượng thứ nhất giảm từ 2,69 eV đến 2,48eV, dải năng lượng thứ 2 giảm từ 1,62 eV đến 1,53eV ứng với nhiệt độ nung tăng dần (tương ứng với kích
thước hạt tăng dần như trình bày ở trên giản đồ XRD và ảnh SEM). Điều này chứng tỏ khi kích thước hạt giảm thì trạng thái liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử ngày càng chặt chẽ.