5. Phƣơng pháp nghiên cứu
3.1. HÌNH THÁI CẤU TRÚC VI MÔ
Hình thái bề mặt của các cấu trúc ZnO xốp đƣợc chụp ảnh SEM trên máy (S-4800) tại Viện khoa học vật liệu Việt Nam và đƣợc cho thấy nhƣ trong hình 3.1 và 3.2.
Hình 3.1 từ (a) đến (d) là các ảnh SEM của cấu trúc ZnO xốp chế tạo bằng phƣơng pháp lắng đọng điện hóa với thời gian 9 phút, sử dụng khuôn là các hạt cầu PS với các kích thƣớc khác nhau 150, 250, 500 và 1000 nm theo thứ tự và lồng vào chúng là các ảnh SEM phóng đại. Kết quả quan sát ảnh SEM cho thấy, cấu trúc chế tạo đƣợc là các lỗ xốp nano hình thành do các hạt cầu PS bị đốt cháy tại nhiệt độ nung 500oC. Tuy nhiên, kích thƣớc lỗ xốp bị co lại còn khoảng 100, 200, 350, và 600 nm tƣơng ứng với sử dụng các hạt PS 150, 250, 500 và 1000 nm theo thứ tự. Điều này xảy ra là do sự mọc tinh thể của ZnO khi ủ nhiệt. Mặt khác, cấu trúc lỗ xốp là không trật tự và xếp chặt cho trƣờng hợp hạt cầu có kích thƣớc nhỏ 150 nm và kích thƣớc lớn 1000 nm. Trƣờng hợp ở kích thƣớc cầu PS 250 và 500 nm thì cấu trúc trật tự và xếp chặt hình thành, minh chứng là tại đáy các lỗ xốp xuất hiện các lỗ nhỏ hơn, do sự tiếp xúc trật tự của các hạt cầu ở lớp dƣới. Tuy nhiên, cấu trúc trật tự cũng chƣa đƣợc hoàn hảo, có thể là do phƣơng pháp nhỏ phủ cầu trên đế nhiệt với thời gian 5 phút nên không đủ thời gian để các hạt cầu PS tự sắp xếp theo cấu trúc xếp chặt hoàn hảo. So sánh giữa các cấu trúc lỗ xốp với các kích thƣớc khác nhau, thì cấu trúc lỗ xốp với cầu 250 nm đƣợc hy vọng sẽ cho hiệu suất
PEC cao nhất nhờ vào cấu trúc trật tự và có các lỗ xốp nhỏ giống nhƣ các lỗ mao quản giúp cho dung dịch điện hóa có thể thấm đến tất cả các lớp vật liệu trong màng. Do đó, cấu trúc này đƣợc chọn cho các bƣớc khảo sát tiếp theo và đƣợc gọi là cấu trúc ZnO xốp.
Hình 3. 1. Ảnh SEM cấu trúc ZnO xốp với các kích thƣớc cầu PS khác nhau: (a) 150 nm, (b) 250 nm, (c) 500 nm và (d) 1000 nm
Hình 3.2. (a) đến (d) là ảnh SEM bề mặt của các cấu trúc ZnO xốp với thời gian lắng đọng điện hóa khác nhau: 5 phút, 7 phút, 9 phút và 11 phút theo thứ tự, lồng vào chúng là các ảnh SEM phóng đại. Kết quả ảnh SEM cho thấy, bề dày vách tăng lên khi thời gian lắng đọng điện hóa tăng lên và cấu trúc lỗ xốp ổn định với một bề mặt khá bằng phẳng ở thời gian điện hóa là 9 phút. Ở thời gian điện hóa lớn hơn 9 phút, cụ thể là 11 phút thì các lỗ mao quản gần
nhƣ không còn. Điều này, là không thuận lợi cho PEC. Nhƣ vậy, cấu trúc ZnO xốp hình thành tốt ở điều kiện thời gian điện hóa là 9 phút.
Hình 3. 2. Ảnh SEM cấu trúc ZnO xốp với thời gian lắng đọng điện hóa khác nhau (a) 5 phút, (b) 7 phút, (c) 9 phút và (d) 11 phút
Cấu trúc ZnO xốp với thời gian lắng đọng điện hóa 9 phút đƣợc mọc thêm một lớp vật liệu AgI với thời gian mọc khác nhau 2, 5, 10 và 15 phút để hình thành các cấu trúc xốp tƣơng ứng ZnO/AgI2, ZnO/AgI5, ZnO/AgI10 và ZnO/AgI15. Mô hình bề mặt và mặt cắt ngang của hai cấu trúc ZnO xốp và ZnO/AgI10 đƣợc cho thấy trong hình 3.3.
Hình 3.3 (a) và (b) là ảnh SEM bề mặt của cấu trúc xốp ZnO và ZnO/AgI10 theo thứ tự cho sự so sánh. Quan sát ảnh SEM cho thấy rằng, sau khi mọc AgI thì màu sắc sáng hơn, trên bề mặt có sự hình thành các hạt nano nhỏ và cấu trúc lỗ xốp vẫn không bị phá hủy. Hình 3.3 (c) và (d) là ảnh SEM
4
mặt cắt của hai cấu trúc tƣơng ứng cho thấy bề dày màng là khoảng 2 m, sau khi mọc thêm AgI thì bề dày có tăng lên một ít và cấu trúc lỗ xốp có sự biến dạng nhƣng không nhiều. Điều này chứng tỏ, AgI đã đƣợc mọc trên cấu trúc ZnO xốp trong điều kiện chế tạo.
Hình 3.3. (a, c) Ảnh SEM bề mặt và mặt cắt ngang của cấu trúc xốp ZnO và (b, d) là của cấu trúc ZnO/AgI10
CdS đƣợc mọc tinh thể trực tiếp trên bề mặt cấu trúc ZnO/AgI10 bởi ngâm điện cực này trong dung dịch bao gồm C2H5NS 0,01 M và Cd(NO3)2.4H2O 0,01M. Quá trình lắng đọng CdS đƣợc thực hiện tại nhiệt độ phòng với thời gian 30 phút. Mẫu sau khi mọc đƣợc rửa sạch với nƣớc cất và sấy khô ở 50o
C. Kết quả của bƣớc này là hình thành cấu trúc ZnO/AgI10/CdS.
Hình 3. 4 (a, b) Ảnh SEM bề mặt và cắt ngang của cấu trúc ZnO/AgI10/CdS
Hình 3.4 (a, b) là ảnh SEM bề mặt và mặt cắt ngang của cấu trúc ZnO/AgI10/CdS, cho thấy sau khi mọc CdS thì cấu trúc lỗ xốp thay đổi rất nhiều, với bề dày vách dày hơn và kích thƣớc lỗ xốp nhỏ hơn, bề mặt khá bằng phẳng. Quan sát ảnh SEM mặt cắt ngang cho thấy bề dày màng không thay đổi nhiều nhƣng có hiện tƣợng hình thành hai lớp khác nhau, một lớp vật liệu xốp ở dƣới và một lớp vật liệu màng kết chặt ở bên trên. Hiện tƣợng này chứng minh CdS đã đƣợc mọc với một lớp khá dày, thời gian đầu dung dịch mọc CdS có thể thấm đến toàn bộ màng thông qua các lỗ xốp để mọc CdS, tuy nhiên sau một khoảng thời gian nhất định CdS mọc nhiều và bịt kín các lỗ xốp, khi đó CdS chỉ mọc ở lớp bên trên và hình thành cấu trúc hai lớp nhƣ quan sát thấy.