2.2.3 ấ
Phổ UV - VIS là loại phổ l ctron, ứn với mỗi lectron chuyển mức năn lƣợn ta thu đƣợc một v n phổ rộn Phƣơn pháp đo phổ UV - VIS phƣơn pháp trắc quan ) là một phƣơn pháp định lƣợn xác định nồn độ của các chất th n qua độ hấp thu của màn mỏn hay un ịch áy quan phổ UV - VIS vận hành trên cơ sở đo độ hấp thụ ánh sán đặc trƣn cũn nhƣ độ truyền quan ở các ƣớc són khác nhau, nhờ đó kết quả thu đƣợc nhanh và ch nh xác
Để xác định phổ hấp thụ của mẫu ( un ịch, khối, hay màn mỏn ) ta tiến hành th o sơ đồ sau:
Hình 2.12: Giản đồ mô tả ương á đ ổ UV_VIS
Tia sán từ n uồn sán đơn sắc đƣợc tách làm hai tia 1 và 2 có cƣờn độ 0
nhƣ nhau nhờ ƣơn án mạ 1, tia 1 truyền thẳn tới vật nền tron trƣờn hợp mẫu un ịch th là l n để đựn un ịch, với mẫu màn mỏn đƣợc phủ trên đế thủy tinh th là miến thủy tinh n để phủ màn ), tia thứ 2 sau khi phản
xạ trên ƣơn 2 sẽ đƣa tới mẫu cần xác định độ hấp thụ Sau đó so sánh cƣờn độ
sán sau khi truyền qua mẫu S và cƣờn độ ánh sán nền G, ta sẽ xác định đƣợc độ
hấp thụ của mẫu ƣờn độ sán ị hấp thụ ởi mẫu đƣợc xác định: IS = I0 – IG
Để thu đƣợc phổ hấp thụ của mẫu, ƣớc són ánh sán tới sẽ đƣợc quét từ
v n hồn n oại ần tới v n tử n oại ần UV-VIS- R) ƣớc són mà tại đó IS
thu đƣợc là lớn nhất ch nh là ƣớc són hấp thụ của mẫu là cực đại, ƣớc són này là đặc trƣn đối với từn mẫu Tron luận văn này chún t i sử ụn hệ đo UV- VIS-NIR (CARY-5000) của Viện Khoa h c vật liệu (hình 2.13).
Hình 2.13: Hệ đ UV-VIS-NIR (CARY-5000)
2.2.4 đặ ƣ I-V
Phép đo -V) cho th n tin về thế hở mạch, th n tin về n phụ thuộc vào thế áp đặt ên n oài -V), cƣờn độ n phụ thuộc vào thời ian (I-t), thế phụ thuộc vào thời ian V-t) iệu suất chuyển đổi năn lƣợn của một pin mặt trời đƣợc xác định từ ặc tuyến -V V là thế áp đặt ên n oài) khi pin mặt trời đƣợc chiếu sán ác phép đo đƣợc tiến hành trên hệ uto-Lab Potentionstat PGS-30 của ph n Vật liệu và inh kiện ăn lƣợn , Viện Khoa h c vật liệu (hình 2.14).
Hình 2.14: Hệ Auto-Lab Potentionstat PGS-30
2.3 T ự
2.3.1 T ế bị
a. ệ thiết ị phún xạ cao tần mini – sputt r của U V b. ủ nhiệt
c. áy quay phủ li tâm spincoater G3-8 d. ác dụn cụ cần thiết khác
2.3.2 T ự ế ỏ T 2
Hình 2.15: Quá trình chế tạo màng mỏng TiO2
2.3.2.1 C ế ỏ T bằ ƣơ á (sputtering)
Đế n để phún xạ màn mỏn Ti kim loại là T k ch thƣớc 6cm x 6cm có điện trở ~50Ω/vu n , độ truyền qua >85% uồn vật liệu là Ti n uyên chất, độ tinh khiết 99,99% Việc làm sạch các đế T trƣớc khi ốc màn mỏn Ti là rất quan tr n ếu ề mặt của T có nhiều tạp chất th có thể chún sẽ là các t m ắt
điện tử của màn mỏn TiO2 chế tạo đƣợc sau này, từ đó làm iảm hiệu suất của
linh kiện ác ƣớc làm sạch đế đƣợc thực hiện nhƣ sau:
- ƣớc 1: Run siêu m đế T tron sopropanol 3)2CHOH trong 30
phút.
- ƣớc 2: phƣơn pháp phón điện lạnh rowth ischa ) tron ch n kh n
thấp ằn thiết ị V -30 ộn h a liên an Đức) ƣới áp suất 10-2
torr trong thời ian 15 phút với điện áp khoản 50V iữa ano là các đế và catho , xảy ra hiện tƣợn ion hóa tron kh kém hay plasma lạnh hi đó các điện tử và ion kh đƣợc ia tốc ởi điện trƣờn nên thu đƣợc độn năn lớn ác hạt này va chạm vào ề mặt đế làm ật ra nhữn tạp chất kh n mon muốn c n lại sau khi đã qua iai đoạn xử l ằn phƣơn pháp hóa h c
• Cá bƣớ ế ế ỏ T bằ RF
- ƣớc 1: chuẩn ị mẫu
ở van kh 2 đƣa vào tron chu n và chờ cho tới khi áp suất tron chu n
ằn với áp suất n oài kh n kh , đón van kh lại, sau đó mở cửa chu n để đƣa mẫu vào.
ắn ia Ti vào tron máy, đế ITO sau làm sạch, chún đƣợc ắn vào đ a á đế, đặt đối iện và cách n uồn vật liệu Ti (bia Ti) khoản 25 cm.
Hình 2.16: a) bia i, b) đế được g n v đ a gá đế
- ƣớc 2: iểm tra các đƣờn ẫn kh , nh kh , van kh nh kh , và chu n ),
van nƣớc phải đƣợc đón k n n tác điện của máy, ơm hút ch n kh n và của ộ điều khiển kh àn chắn iữa ia và đế mẫu để ở vị tr mở n ăn iữa ia và đế).
- ƣớc 3: út ch n kh n
Đón chặc cửa chu n , đón cầu iao của lioa, ật n uồn ơm hút ch n kh n Tron ƣớc này ơm sơ cấp đƣợc hoạt độn trƣớc hút ớt kh tron chu n
và uồn n oài, khi áp suất đạt tới 10-1 th ơm thứ cấp tự độn ật và hút tiếp ch n
kh n tạo ch n kh n cao 10-5 torr.
- ƣớc 4: Tạo plasma
hi áp suất tron chu n đã đạt tới mức yêu cầu ~10-5 torr ở van kh r tại
nh kh , điều chỉnh các th n số tại các ộ điều khiển kh ở van nƣớc, ật n uồn RF, tại ộ điều khiển cài đặt các th n số nhƣ c n suất phún xạ, áp suất th o yêu cầu ác điều kiện sau:
+ Áp suất uy tr ở ~10-5
torr
+ hiệt độ đế: 120o
C
+ Cao áp cấp cho sún điện tử: 7,5kV + Dòng Cathode: 8-10A
+ Dòng Anode: 90-100mA
ật R (on), đồn thời mở van kh tại chu n đƣa kh r vào tron chu n n áp suất kh lên cho tới kh xuất hiện plasma thƣờn là 10Pa) th n ừn lại và iám áp suất kh tron chu n xuốn c n 0,5Pa để chuẩn ị ƣớc phún xạ.
Sau khi tạo đƣợc plasma, để làm sạch ia ta mở màn n ăn để phún xạ kh n đế tron thời ian 5 phút. Đƣa mẫu vào vị tr đối iện với ia, đón màn chắn iữa ia và đế, chờ thời ian phún xạ thời ian này th y thuộc vào yêu cầu mong muốn màn ày hay mỏn ) ết thúc quá tr nh tạo màn th màn n ăn đƣợc mở ra n ăn iữa đế và ia.
- ƣớc 6: àm n uội ia
Đón tất cả các van kh , tắt R của máy phún xạ Vẫn ật n uồn, tiếp tục hút ch n kh n và làm n uội ia tron tron ch n kh n , với thời ian nhất định
thƣờn là (3060 phút).
- ƣớc 7: ết thúc thực n hiệm
Sau phún xạ và làm n uội ia, tắt n uồn ộ R , tắt ơm hút ch n kh n chờ cho ơm n ừn hẳn khoản 5 phút) Đón van nƣớc, và mở cầu ao của lioa, sau đó làm lại quy tr nh ƣớc 1 để lấy mẫu và tiếp tục lần phún xạ khác.
2.3.2.2 C ế ỏ T 2 bằ ƣơ á y
ác màn Ti đƣợc ốc ay trên đến T đƣợc đƣa vào ủ nhiệt tron kh n kh Thiết ị ủ nhiệt là l in r lu ST 55666C, Viện Khoa h c vật liệu,
với tốc độ n n nhiệt là 5o /phút và để n uội tự nhiên ác ƣớc thực hiện nhƣ sau:
- ƣớc 1: huẩn ị mẫu
àn mỏn Ti sau phún xạ đƣợc đặt vào thuyền thạch anh và đƣợc đƣa vào tron ốn l .
Hình 2.17: a) ẫu được đặt v t u ền t ạc an , b) ẫu được đặt tr ng l
- ƣớc 2: iểm tra các c n tác điện, ộ điều khiển của l Đón cầu ao điện
của l , ật n uồn (on/off) của l .
- ƣớc 3: ài đặt trƣơn tr nh xử l nhiệt của hệ l hế độ của l ủ nhiệt
Hình 2.18: Sơ đồ quá trình thực nghiệm oxy hóa màng mỏng Ti
Tron đó:
+ S1: là nhiệt độ an đầu của l thƣờn ở nhiệt độ ph n ) + S2: là nhiệt độ l cần đạt tới để thực hiện quá tr nh oxy hóa + S3=S2: là nhiệt độ cần iữ oxy hóa nhiệt
+ Tm1: là thời ian tăn nhiệt thể hiện tốc độ tăn nhiệt của l thƣờn là
5oC/phút)
+ Tm2: là thời ian iữ n uyên nhiệt độ của l để xy hóa
+ Tm3: là thời ian iảm nhiệt của l sau thực n hiệm xuốn nhiệt độ ph n thời ian này thƣờn th để máy n uội tự nhiên).
- ƣớc 5: Vận hành l
Sau khi đã đặt xon chế độ l th o sơ đồ đã định h nh 2 18) Ta ấn iữ nút Run trên ộ điều khiển l để chạy l
- ƣớc 6: ết thúc quá tr nh thực n hiệm
2.3.3 C ế nanô Au:TiO2
Hình 2.19: Quá trình chế tạo tổ hợp nanô Au:TiO2
Sau khi chế tạo đƣợc màn mỏn Ti 2 trên đế T , ằn phƣơn pháp phún
xạ m đã chế tạo màn mỏn u lên trên đế có màn mỏn Ti 2 ằn phƣơn pháp
quay phủ li tâm (spincoating).
Từ sol- l của hạt nanô u có nồn độ 10-4 h nh 2.20a) đƣợc nhỏ lên trên
ề mặt đế Ti 2 và thực hiện quay phủ Quy tr nh quay phủ đƣợc thiết lập với các
th n số nhƣ tron ản 2.1.
Hình 2.20: a) S l-gel ạt nanô u, b) n ỏ s l-gel u lên trên đế Bảng 2.1: Các t ng số c quá tr n qua ủ
ƣớc Tốc độ quay phủ
v n /phút) Số lần ia tốc Thời ian (s)
0 800 2 10
Tron đó: ƣớc 0 là ƣớc quay với đế kh n , mục đ ch làm sạch đế ƣớc 1: sau khi nhỏ sol- l lên mặt đế để tạo màn mỏn .
Sau quá tr nh tạo màn mỏn u trên đế Ti 2, th iốn nhƣ chế tạo màn
mỏn Ti 2 tổ hợp nanô Au:TiO2 cũn đƣợc chế tạo ằn cách xử l nhiệt tron
kh n kh với nhiệt độ từ 400oC 500oC tron thời ian 2 iời, tốc độ ia nhiệt là
5o/phút.
2.3.4 C ế nanô Ag:TiO2
Tƣơn tự nhƣ chế tạo tổ hợp nanô Au:TiO2, th tổ hợp nanô Ag:TiO2 cũn đƣợc chế tạo ằn cách quay phủ kết hợp với ủ nhiệt, quy tr nh chế tạo đƣợc thể hiện h nh 2.21.
Hình 2.21: u tr n c ế tạ tổ ợ nanô Ag:TiO2
Với tiền chất là sol- l của các hạt nanô có k ch thƣớc 10nm, nồn độ 10-
2 h nh 2.22) đƣợc nhỏ lên trên đế Ti 2 chế tạo đƣợc ở trên và xử l nhiệt tạo
thành tổ hợp nanô Ag:TiO2. ác th n số chế tạo đƣợc thực hiện iốn nhƣ chế tạo
tổ hợp nanô Au:TiO2.
C ƣơ : GHIÊ CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍ H CHẤT QU G IỆ CỦ À G Ỏ G ÔXÍT TITAN
3.1 P â ả ể đ ử q é FE-SEM
Màng TiO2 đƣợc chế tạo bằn phƣơn pháp phún xạ màn Ti trên đế T kết
hợp xử lý nhiệt ở nhiệt độ khoảng 450oC500o với thời gian 2 giờ (trong không khí)
nhƣ đã m tả ở phần trên ƣới đ y là h nh ảnh màn mỏn Ti 2 thu đƣợc sau khi
chế tạo.
Hình 3.1: a) ng ỏng i v b) ng ỏng i 2
àn mỏn Ti h nh 3 1a) có màu n u mịn, ón nhƣ ƣơn , có độ phản xạ ần nhƣ hoàn toàn ánh sán v n khả kiến n màn mỏn Ti 2 h nh 3 1 ) chế
tạo từ việc xử l nhiệt màn mỏn Ti ở nhiệt độ 450oC500o thời ian 2 iời tron
kh n kh có độ tron suốt cho ần nhƣ hoàn toàn ánh sán v n nh n thấy truyền qua ác kết quả n hiên cứu về h nh thái h c và cấu trúc đƣợc àn luận ở ƣới đ y. ết quả của phép ph n t ch k nh hiển vi điện tử quét S ) cho chún ta iết đƣợc h nh thái h c ề mặt của vật liệu Thiết ị đƣợc sử ụn để ph n t ch là ụn k nh hiển vi điện tử quét -S S4800 itachi, hật ản) Viện hoa h c vật liệu ƣới đ y là một số kết quả ảnh S của các màn mỏn Ti phún xạ với c n suất 80W, áp suất phún xạ 0,5Pa tron thời ian 10 phút đƣợc xử l nhiệt độ khác nhau mà chún t i khảo sát đƣợc
Hình 3.2: n F -S của ng ỏng i sau ử lý n iệt tại: a) 400oC, b) 450oC tr ng t ời gian 2 giờ.
nh 3 2 là kết quả ph n t ch ảnh hiển vi điện tử quét -S ề mặt của màn mỏn Ti phún xạ với c n suất 80W, áp suất phún xạ 0,5Pa, thời ian 10
phút) đƣợc xử l nhiệt ở 400o h nh 3.2a) và 450o h nh 3.2 ) tron thời ian 2
iờ ết quả cho thấy khi xử l ở nhiệt độ thấp 400o mẫu có ề mặt khá mịn,
chứn tỏ các hạt Ti 2 kết tinh ở k ch thƣớc rất nhỏ n đối với mẫu xử l tại nhiệt
độ 450o có sự ph n hạt r ràn , hay nói cách khác màn mỏn có các hạt Ti 2 đã
kết tinh ở k ch thƣớc lớn hơn 25nm Điều này đƣợc l iải là o màn mỏn Ti
sau phún xạ có các n uyên tử Ti xếp chặt hi xử l ở nhiệt độ thấp ẫn tới các hạt
TiO2 h nh thành trên ề mặt trƣớc y nên sự cản trở sự hoạt độn và kết hợp của
các n uyên tử Ti ên tron màn với 2 có tron kh n kh n đối với mẫu đƣợc
xử l ở nhiệt độ cao hơn là 450o các n uyên tử có năn lƣợn ao độn nhiệt lớn
hơn o vậy có thể kết hợp với ph n tử 2 tron kh n kh tốt hơn, o vậy mà các
n uyên tử Ti ên tron màn có thể kết hợp với 2 và tạo thành Ti 2 kết tinh hạt
lớn hơn.
Hình 3.4: n F -S ặt c t của ng ỏng i n ạ với c ng suất: a)70W, b) W sau ử lý n iệt ở 450oC tr ng giờ.
nh 3 3 là ảnh -S ề mặt của màn mỏn Ti phún xạ với các c n suất
70W h nh 3 3a), 80W h nh 3 3 ) sau xử l nhiệt ở 450o , thời ian 2 iờ tron
kh n kh ết hợp với ảnh -S mặt cắt của màn mỏn Ti sau xử l nhiệt h nh 3.4, mẫu màn mỏn Ti phún xạ c n suất 70W có năn lƣợn thấp hơn, các
n uyên tử Ti lắn đ n nhỏ, xếp chặt hơn và màn tƣơn đối mỏn 80nm h nh
3 4a) o vậy tron quá tr nh xử l nhiệt các n uyên tử Ti có thể kết hợp đƣợc với
O2 tron kh n kh tạo thành Ti 2 hoàn toàn và kết tinh ở ạnh hạt nhỏ với k ch
thƣớc 10nm n đối với mẫu đƣợc phún xạ với c n suất cao hơn là 80W th kết
tinh ở ạn hạt có k ch thƣớc lớn hơn, đồn đều hơn với k ch thƣớc 25nm h nh
3 3 ) và có độ ày 220nm h nh 3 4 ) oài ra trên ề mặt của màn mỏn c n
có sự tác iệt iữa các iên hạt y ra các lỗ trốn điều này có n h a rất lớn khi
n màn mỏn Ti 2 để làm điện cực cho pin mặt trời quan điện V các kh hở
này có thể làm cho các ph n tử của chất màu nhạy quan hay n uyên tố kim loại pha tạp có thể thấm s u vào ên tron màn mỏn Ti 2 iúp tăn cƣờn khả năn
hấp thụ ánh sán của màn mỏn Ti 2 Để đánh iá về vật liệu chế tạo đƣợc chún
t i tiếp tục n hiên cứu cấu trúc và t nh chất quan , điện.
3.2 ế q ả â ả đ
Màng TiO2 đƣợc chế tạo ằn phƣơn pháp phún xạ màn Ti trên đế T
Tiếp th o là quá tr nh xử l nhiệt ở nhiệt độ khoản 400oC500o thời ian 2 iờ,