Tính chất quang

Hình 3.8 (a) mô tả các đồ thị của phổ phản xạ khuếch tán của các mẫu lớp đệm ZnO, ZnO/FCNT, ZnO/FCNT/ZnO-0,5M (350 C), ZnO/FCNT/ZnO-1M (350 C), ZnO/FCNT/ZnO-0,5M (400 C) và ZnO/FCNT/ZnO-1M (400 C). Tất cả các mẫu đƣợc chế tạo trên đế thủy tinh cho quá trình đo phổ phản xạ khuếch tán. Hầu hết tất cả các mẫu (ngoại trừ mẫu ZnO/FCNT) có bờ hấp thụ tại bƣớc sóng khoảng 380 nm. Bờ hấp thụ này có nguồn gốc từ tính chất bán dẫn của vật liệu ZnO có trong các mẫu. Mẫu ZnO/FCNT không xuất hiện rõ nét bờ hấp thụ cũng nhƣ có độ phản xạ thấp trong vùng bƣớc sóng khảo sát. Điều này chúng tôi cho rằng là do sự hình thành một màng mỏng với các ống CNT xếp dày đặt trên bề mặt lớp đệm ZnO (nhƣ đƣợc quan sát thấy trên ảnh SEM ở Hình 3.3 e và f), do đó toàn bộ photon chiếu đến bị hấp thụ mạnh bởi lớp CNT.

Lớp đệm ZnO thể hiện độ phản xạ cao trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Điều này là do độ hấp thụ thấp của vật liệu bán dẫn ZnO trong vùng bƣớc sóng khả kiến. Trong khi đó các mẫu ZnO/FCNT/ZnO thể hiện độ phản xạ thấp hơn trong vùng khả kiến và có độ phản xạ gần nhƣ nhau khi oxy hóa tại cùng một nhiệt độ. Các mẫu oxy hóa tại nhiệt độ 400 C có độ phản xạ cao hơn so với các mẫu oxy hóa tại 350 C. Điều này chúng tôi cho rằng phần lớn là do hàm lƣợng CNT ít hơn của các mẫu oxy hóa tại 400 C (do bị đốt cháy nhiều hơn), dẫn đến giảm độ hấp thụ của vật liệu.

Hình 3.9. (a) Phổ phản xạ khuếch tán của các mẫu ZnO (lớp đệm), ZnO/FCNT/ZnO-0,5M

(350C), ZnO/FCNT/ZnO-1M (350C), ZnO/FCNT/ZnO-0,5M (400C) và

ZnO/FCNT/ZnO-1M (400C) và (b-f) Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của [F(R)*h]2 theo năng

Bờ hấp thụ của vật liệu đƣợc xác định dựa vào lý thuyết Kubelka-Munk cho quá trình phân tích phổ phản xạ khuếch tán của các mẫu. Kubelka và Munk đã đề xuất cơ sở lý thuyết để áp dụng phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến UV- Vis DRS cho việc xác định bề rộng dải cấm của bán dẫn.

Trong trƣờng hợp giới hạn mẫu dày vô hạn, độ dày của mẫu và giá giữ mẫu không ảnh hƣởng đến giá trị độ phản xạ R. Hàm Kubelka-Munk có thể đƣợc xác định bởi phƣơng trình sau:

2 (1 ) ( ) 2 R F R R   (3.1) Ở đây, R là độ phản xạ và F(R) là hàm Kubelka-Munk.

Bề rộng vùng cấm (Eg) của vật liệu bán dẫn có thể đƣợc tính toán từ phép đo phổ phản xạ bằng cách áp dụng hàm Kubelka-Munk nhƣ sau:

( ) ( g)n

F R h  A h E (3.2) Ở đây, A là hằng số, n là hằng số mũ, xác định kiểu chuyển dời quang học. Trong trƣờng hợp chuyển dời cho phép trực tiếp (chẳng hạn ZnO) thì n có giá trị ½. Bề rộng vùng cấm của vật liệu đƣợc xác định từ đồ thị của [F(R)h]2 theo h. Theo phƣơng trình (3.2), sự phụ thuộc của [F(R)h]2 theo h có dạng tuyến tính và khi [F(R)h]2 = 0 thì Eg = h. Do đó, giá trị của Eg sẽ là điểm gặp trục h

(thƣờng là trục hoành) của đƣờng tiếp tuyến tại điểm dốc nhất của đồ thị hàm

[F(R)h]2 theo h.

Hình 3.8 (b-f) lần lƣợt mô tả quá trình xác định Eg của các mẫu ZnO (lớp đệm), ZnO/FCNT/ZnO-0,5M (350 C), ZnO/FCNT/ZnO-1M (350 C), ZnO/FCNT/ZnO-0,5M (400 C) và ZnO/FCNT/ZnO-1M (400 C) từ phổ phản xạ ở Hình 3.8 (a) theo lý thuyết Kubelka-Munk. Eg có giá trị lần lƣợt là 3,29; 3,08; 3,06; 3,17 và 3,11 eV tƣơng ứng với các mẫu ZnO (lớp đệm),

ZnO/FCNT/ZnO-0,5M (350 C), ZnO/FCNT/ZnO-1M (350 C), ZnO/FCNT/ZnO-0,5M (400 C) và ZnO/FCNT/ZnO-1M (400 C). Năng lƣợng Eg của ZnO phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ cấu trúc vật liệu, phƣơng pháp chế tạo, kích thƣớc tinh thể, trạng thái bề mặt,... Năng lƣợng bờ hấp thụ của các mẫu xử lý tại nhiệt độ 350 C có giá trị thấp hơn so với các mẫu oxy hóa nhiệt tại 400 C. Sự giảm năng lƣợng vùng cấm của các mẫu xử lý nhiệt tại 350C có thể đƣợc giải thích nguyên nhân là do sự tồn tại các mức năng lƣợng (mức donor) sinh ra bởi các nút khuyết oxy từ quá trình oxy hóa chƣa hoàn toàn.