Phổ truyền qua và phản xạ của màng V2O5 được trình bày trên Hình 3.6. Đường phổ có hình dạng sóng là do hiệu ứng giao thoa của ánh sáng trên bản mỏng. Ở đây màng mỏng V2O5 phủ trên đế thủy tinh. Một phần ánh sáng phản xạ từ mặt đế, một phần phản xạ từ bề mặt màng. Hai tia này giao thoa nhau. Qua phổ truyền qua này có thể xác định bề dày của màng khi biết chiết suất của màng. Tuy nhiên, trong trường hợp của chúng tôi chiều dày của màng được xác định chính xác bằng phương pháp chụp mặt cắt trên thiết bị FE-SEM (xem Hình 3.1). Trong dải bước sóng từ 200 đến 1000 nm, độ truyền qua của màng rất thấp
(dưới 5%) so với độ truyền qua. Vì thế có thể sử dụng phổ truyền qua đế xác định độ rộng vùng cấm (Eg) của màng mỏng V2O5 .Việc xác định Eg được tính toán từ hệ số hấp thụ (α) phụ thuộc vào năng lượng photon từ phổ T% trên Hình 3.6.
Hình 3.6. Phổ truyền qua tại nhiệt độ phòng của màng penta ôxit vanađi V2O5
Phổ truyền qua của màng thể hiện đặc tính của phổ truyền qua của màng kết tinh. Sau khi ủ, màng được tái kết tinh, như giản đồ XRD cho thấy màng có cấu trúc tinh thể của pha V2O5 - một loại vật liệu bán dẫn ôxit. Độ truyền qua trong vùng nhìn thấy cao hơn hẳn (đạt ~ 70%).
Mối liên hệ giữa hệ số hấp thụ với cường độ ánh sáng tới Io(λ) và cường độ ánh sáng suy giảm IT(λ) khi đi qua mẫu tuân theo định luật Buger-Lamber [7]:
IT = I0e-αx
(3.1)
Để thiết lập mối liên hệ giữa hệ số hấp thụ α với phổ phản xạ R và truyền qua T, chúng tôi tính cường độ ánh sáng đi qua mẫu IT(λ) khi để ý đến cả hiện tượng phản xạ bên trong mẫu ở trên hai bề mặt và góc khúc xạ thoả mãn điều kiện sinθ << 1.
IT(λ) = (1-R)2 Ioe-αd + R2(1-R)2 Ioe-3αd + R4(1-R)2 Ioe-5αd + ... ≈ (1- R)2 Ioe-αd + R2(1-R)2 Ioe-3αd ≈ (1-R)2 Ioe-αd/ (1- R2e-2αd ) Do đó hệ số truyền qua: T = IT(λ)/Io = [(1-R)2.eαd]/(e2αd - R2)
Suy ra ] } ) 2 R) - (1 {[ ] 2 ) 1 ( ln([ 1 2 2 1/2 2 2 R T T R d − + + = α (3.2)
Trong trường hợp độ phản xạ không đáng kể thì hệ số hấp thụ và độ truyền qua được biểu thị bởi công thức.
( ) = T d 1 ln 1 ν α (3.3)
trong đó d là chiều dày màng, T – độ truyền qua. Trong trường hợp này màng có chiều dày d = 450 nm
Hệ số hấp thụ quang α được xác định từ độ truyền qua và phản xạ trong mối liên hệ như một hàm phụ thuộc vào năng lượng photon mô tả bởi phương trình [7]: ( ) ( )n g E h A hν = ν − ν α (3.4)
trong đó hν là năng lượng photon, Eg- vùng cấm quang ứng với chuyển dời do tương tác theo định luật hàm số mũ n, phụ thuộc vào cơ chế chuyển dời dải năng lượng là trực tiếp (n = 1/2) hay gián tiếp (n =2). Trong trường hợp V2O5 chuyển dời là gián tiếp, vì thế chúng tôi lấy n = 2. A là hệ số phụ thuộc vào xác xuất chuyển dời, mà trong dải năng lượng kể trên được coi là hằng số. Đồ thị của hàm (αhv)1/2 (ứng với n = 2) với biến số là hv được trình bày trên Hình 3.7.
Hình 3.7. Đồ thị hàm (αhν)1/2
phụ thuộc năng lượng photon, để xác định độ rộng vùng cấm Eg của màng V2O5. Chiều dày của màng d = 450 nm.
Độ rộng vùng cấm quang được xác định từ độ nghiêng của đồ thị và giao điểm của đồ thị với trục hoành chính là Eg. Kết quả nhận được giá trị độ rộng vùng cấm quang Eg =2,03 eV (Hình 3.7).
KẾT LUẬN
Bằng phương pháp phun áp suất từ dung dịch muối VOCl2, chúng tôi đã tiến hành chế tạo thành công màng mỏng V2O5. Màng phun kết hợp ủ nhiệt trong môi trường không khí có chiều dày ~ 450 nm. Từ các kết quả phân tích cấu trúc (XRD), Phổ tán xạ Raman, hình thái học (FE-SEM), đo điện- chuyển mạch và phổ quang học (T%), nhận thấy màng ủ nhiệt sau được tái kết tinh, hình thành cấu trúc tinh thể V2O5.
Kết quả nghiên cứu và phép đo chuyển mạch cho thấy, màng mỏng V2O5 có nhiệt độ chuyển pha bán dẫn kim loại trong khoảng nhiệt độ trên và dưới nhiệt độ 2400C. Cơ chế chuyển mạch của màng được nghiên cứu và giải thích thông qua mô hình dòng điện dạng sợi, triển khai trong lĩnh vực chuyển mạch thông minh
Từ phổ truyền qua, với mối liên hệ giữa hệ số hấp thụ với cường độ ánh sáng tới Io(λ) và cường độ ánh sáng suy giảm IT(λ), chúng tôi đã xác định được độ rộng vùng cấm quang của màng V2O5 từ phổ hấp thụ có giá trị ~ 2,03 eV. Màng mỏng V2O5 được chế tạo với tính chất quang làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo cho việc ứng dụng trong sản xuất với diện tích lớn để chế tạo các cửa sổ điện sắc thông minh là hoàn toàn khả thi.
Các vật liệu màng mỏng ôxit vanađi nói riêng hiện dành được sự quan tâm nghiên cứu trên cả hai phương diện: nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng. Vì vậy việc thực hiện đề tài: ”Nghiên cứu tính chất quang và khả năng
ứng dụng của màng mỏng penta ôxit vanađi” là cần thiết và mang tính thời
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Năng Định, Đỗ Hồng Thanh, Vũ Thị Bích, Phạm Gia Ngữ và Phan Văn Ánh (1998),“Tổng hợp ôxit Vanađi và chế tạo màng mỏng Penta-và điôxit vanađi”, Hóa học vì sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Hóa học Toàn quốc, Hà nội 10/1998, tr.597-600.
2. Nguyễn Thị Hải,“Chế tạo màng mỏng ZnO, ZnO: Al bằng phươngpháp phun áp suất và nghiên cứu tính nhạy khí của chúng”, Luận văn Thạc sĩ khoa học vật lý, Trường Đại học Sư phạm Hà nội.
3. Lê Văn Hiếu, Trần Tuấn, Nguyễn Hiếu Hải, Trần Quang Hiền, " Cấu trúc và tính chất điện sắc của màng mỏng vanadium pentoxide được chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron dc ở nhiệt độ phòng" tạp chí phát triển khoa học và công nghệ, T 14, S4 (2011).
4. Đỗ Hồng Thanh, Nguyễn Văn Hùng, Đinh Mạnh Hùng, Phan Văn Ánh và Nguyễn Năng Định (2001), “Chế tạo màng mỏng V2O5 và khảo sát tính chất chuyển mạch của chúng”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Vật lý chất rắn toàn quốc lần thứ III, Nha trang 8/2011.
5. Đỗ Hồng Thanh, Phan Văn Ánh, Phạm Gia Ngữ và Nguyễn Năng Định (1997), “Nghiên cứu chuyển tiếp Bán dẫn – Kim loại trong màng mỏng ôxit vanađi chế tạo bằng phương pháp phun điện”, Những vấn đề hiện đại của Vật lý Chất rắn,Tuyển tập các công trình Hội nghị Khoa học Đồ Sơn-Hải Phòng 8/1997, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, tập I, tr.594-600.
6. Đỗ Hồng Thanh, Phan Văn Ánh, Nguyễn Văn Hùng, Phạm Gia Ngữ và Nguyễn Năng Định (1998),” Một số tính chất của màng mỏng penta ôxit vanađi chế tạo bằng phương pháp phun điện”, Tuyển tập các công trình Hội nghị khoa học ngành Vật lý , Trường Đại học Sư phạm Hà nội
7. Đỗ Hồng Thanh, Công nghệ chế tạo và nghiên cứu tính chất của màng mỏng ôxit vanađi, Luận án tiến sĩ vật lý, Hà nội 2003.
8. Do Hong Thanh, Pham Duy Long, Phan Van Anh and Nguyen Nang Dinh (1999) "Characterization of VO2 and V2O5 thin film made by electron beam deposition and high dc- voltage spraying" pro. of the third Intenational Workshop on Materials Sciene (I WOMS' 99), Ha noi, November 2-4 1999, pp.427-430.
9. MJ Powell, R Quesada-Cabrera, A Taylo (2016), " Intelligent Multifunctional VO2/SiO2/TiO2 Coatings for Self- Cleaning, Energy- saving Window panels", Chemistry of Materials, 2016, 28 (5) pp.1369-1376.
10. Geenrt Rampelberg, Bob De Schtter, Woulder, Koen Martens, Luliana Radu and Christophe Detavernier (2015), "In situ X-ray diffraction study of the controlled oxidation and redution in the V-O system for the synthesis of VO2 and V2O3 thin films", J. Matter. Chem. C, 2015, 3, pp 11357-11365. 11. MC Rao, KR Rao (2014), "Themal Evaporated V2O5 thin films: Thermodynamic
Properties", Int. J. Chem Tech Res, 2014-S, 6 (7), pp 3931-3934.
12. Beke, S. A review of the growth of V2O5 films from 1885 to 2010. Thin Solid Films, v. 159. p. 1761-1771, 2011
13. Talledo A.; Granqvis C. G.; Electrochromic vanadium-pentoxide-based films: Structural, electrochemical, and optical properties. J. Appl. Phys, v. 77, n. 9, p. 4655-4666, 1995.
14. Liu, P.; Lee, S. H.; Tracy, C. E.; Turrner, J. A.; Pitts, J. R.; Deb, S. K. Electrochromic and chemochromic performance of mesoporous thin-film vanadium oxide. Solid State Ionic, v. 165, p. 223- 228, 2003.
15. Panagopoulou, M., Vernardou, D., Koudoumas, E., Tsoukalas, D., Raptis, Y. S.; Oxygen and temperature effects on the electrochemical and
electrochromic properties of rf-sputtered V2O5 thin films. Electrochimica Acta, v. 232, p. 54-63, 2017.
16. Bhatt, M. D.; O’Dwyer, C. Recent progress in theoretical and computational investigations of Li-ion battery materials and electrolytes. Physical Chemistry Chemical Physics, v. 17, n. 7, p. 4799-4844, 2015.
17. Liang, X., Gao, G., Liu, Y., Ge, Z., Leng, P., Wu, G.; Carbon nanotubes/vanadium oxide composites as cathode materials for lithium-ion batteries. Journal of Sol-Gel Science and Technology, v.82 n 1, p. 224-232, 2016.
18. Saravanakumar, B.; Purushothaman, K. K.; Muralidharan, G. Interconnected V2O5 nanoporous network for highperformance supercapacitors. ACS Applied Materials & Interfaces, v. 4, n. 9, p. 4484-4490, 2012.
19. Mane, A. A.; Suryawanshi, M. P.; Kim, J. H.; Moholkar, A. V. Fast response of sprayed vanadium pentoxide (V2O5) nanorods towards nitrogen dioxide (NO2) gas detection. Applied Surface Science, v. 403, p. 540-550, 2017. 20. Huotari, J.; Lappalainen, J. Nanostructured vanadium pentoxide gas sensors
for SCR process control. Journal of Materials Science, v. 52, n. 4, p. 2241- 2253, 2017.
21. L. H. C. Amorin, L. da Silva Martins, F. Lopes, A. Urbano, Thickness Effect on the Optical Band Gap of V2O5 Thin Films Deposited by Thermal Evaporation, see:
https://www.researchgate.net/publication/323516236.
22. B. D. Cullity, Elements of X-Ray diffraction, 2nd ed., p.102. Addison, Wesley Publishing Company, Inc., Reading, MA, 1978.
23. N. M. Abd-Alghafour, Naser. M. Ahmedb, Z. Hassanc, Fabrication and characterization of V2O5 nanorods based metal–semiconductor–metal photodetector, Sensors and Actuators A: Physical, v. 250 (2016) 250–257