Phần 4 Kết quả và thảo luận
4.3. Nghiên cứu sự biến động trong khoang catot
4.3.2. Đặc trưng về hình thái, cấu trúc và tính chất hạt cds hình thành trong khoang
khoang Catot
4.3.2.1. Phân tích ảnh SEM, TEM
Kết quả phân tích hiển vi điện tử quét SEM và hiển vi điện tử truyền qua TEM/SEAD của hạt CdS thu được từ hệ BES có catot hiếu khí được thể hiện ở Hình 4.11A và 3.11B. Quan sát hình thái học cho thấy: hạt CdS có dạng hình cầu rỗng, khá đồng đều về mặt kích thước và phân tán khá tốt trong dung dịch (Hình 4.11A). Kết quả tính kích thước hạt bằng phần mềm Jimage cho thấy kích thước trung bình khoảng 10.82 nm. Khi so sánh với nghiên cứu của Maleki et al. (2007), nhóm tác
giả đã tổng hợp vật liệu CdS bằng cách sử dụng phản ứng hóa học giữa ethylenediamine (C2H8N2) với dung dịch cadmium acetate dehydrate (C4H6O4Cd.2H2O) và Na2S, kết quả cho sản phẩm hạt CdS có kích thước dao động trong khoảng 30 - 40 nm. Hay như Kar và Chaudhuri (2006) đã tổng hợp thành cơng hạt CdS với kích thước khoảng 50 nm bằng phương pháp hóa hơi bằng nhiệt. Như vậy có thể thấy, các phương pháp hóa học cho hạt CdS có kích thước lớn hơn so với phản ứng tạo hạt trong BES, có thể cường độ dịng điện nhỏ sinh ra trong hệ thống BES đã ảnh hưởng tới kích thước hạt CdS tạo thành trong khoang catot.
Đối với mẫu trên 21 ngày, ảnh chụp SEM cho thấy cho thấy các hạt CdS dễ kết tụ với nhau hình thành hạt to hơn có kích thước lớn hơn 100 nm (Hình 4.11B). Như vậy, thời gian phản ứng càng lâu sự kết tụ của hạt càng nhiều.
Hình 4.11. Các đặc trưng về hình thái hạt CdS. (A) Ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua và ảnh nhiễu xạ điện tử (TEM/SEAD)của hạt nano Cd với
mẫu thu ngày 21. (B) Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của hạt CdS trong mẫu ngày 28
B A
4.3.2.2. Phân tích phổ tán xạ năng lượng EDX
Phổ tán xạ năng lượng EDX là rất cần thiết giúp cho việc minh chứng về sự có mặt của hạt CdS được hình thành trong khoang cực dương. Kết quả phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X trên kính hiển vi điện tử quét cho thấy sự có mặt của các nguyên tố Cd và S (Hình 4.12), chúng phân bố khá đồng đều trong mạng tinh thể (Hình 4.13).
Hình 4.12. Phổ tán sắc năng lượng tia X
Hình 4.13. Bản đồ phân bố các nguyên tố trên mẫu vật đã loại bỏ các nguyên tố C và O
4.3.2.3. Phân tích tín hiệu nhiễu xạ điện tử và giản đồ nhiễu xạ tia X
Để xác định cấu trúc tinh thể của sản phẩm thu được, chúng tôi sử dụng phương pháp phân tích tín hiệu nhiễu xạ điện tử (SAED) được chụp thơng qua kính hiển vi điện tử truyền qua. Kết quả phân tích nhiễu xạ điện tử TEM/SEAD được trình bày tại phần hình đính kèm của Hình 4.11A cho thấy phổ gồm tập hợp các điểm sáng sắc nét và có sự sắp xếp của các lớp nguyên tử, do vậy mẫu thu được là vật liệu kết tinh có cấu trúc đơn tinh thể.
Để khẳng định kết quả về cấu trúc vật liệu đã thu được từ ảnh TEM/SEAD, trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X đánh giá một cách chi tiết dạng tinh thể. Giản đồ phổ nhiễu xạ tia X (XRD) được trình bày ở Hình 4.14A, có thể nhận thấy có sự xuất hiện của các cực đại nhiễu xạ trong phạm vi góc 2θ = 20 – 60 độ. Kết quả được so sánh với giản đồ nhiễu xạ tia X của các tinh thể CdS ở kích thước~30 Å, ~20 Å và ~15 Å trong nghiên cứu của Wang et al. (1990) (Hình 4.14B) nhưng khơng có sự trùng khớp, do đó chưa thể xác định được dạng tinh thể của vật liệu nano CdS. Chúng tôi cho rằng vật liệu chưa được tinh khiết điều này thể hiện rõ ở kết quả chụp phổ EDX với sự có mặt của ngun tố oxi (Hình 4.12).
Hình 4.14. Giản đồ nhiễu xạ tia X. (A) Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu CdS thu được. (B) Giản đồ nhiễu xạ tia X của tinh thể CdS ở kích thước~30
Å, ~20 Å và ~15 Å lần lượt từ trên xuống dưới
4.3.2.4. Phân tích phổ hấp thụ UV-Vis
Kết quả quét phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) của dung dịch nano CdS thu được ở catot có đỉnh hấp thụ exiton cực đại ở bước sóng 275 nm
(Hình 4.15), trong khi đó, vật liệu khối CdS có đỉnh hấp thụ ở bước sóng khoảng 515 nm (Di Zhang, 2014). Kết quả so sánh phổ hấp thụ của vật liệu nano CdS với vật liệu khối chứng tỏ rằng sự dịch chuyển sang vùng có ánh sáng xanh trong đỉnh hấp thụ được gây ra bởi hiệu ứng lượng tử (Maleki et al., 2007; Duchaniya, 2014). Hay vật liệu đã có tính chất quang học - hiệu ứng lượng tử đặc trưng của nhóm vật liệu bán dẫn. Theo thuyết lượng tử (Xia và Cheah, 1997), các electron và lỗ trống trong dải hóa trị bị giới hạn về mặt không gian bởi hàng rào bề mặt. Do sự giam cầm của các electron và lỗ trống, năng lượng chuyển đổi quang học từ đỉnh hóa trị đến đáy dẫn tăng lên và cực đại hấp thụ chuyển sang vùng bước sóng ngắn hơn.
Hình 4.15. Phổ UV-Vis của vật liệu Nano CdS trong dải bước sóng 200-700 nm
Như vậy, hệ thống BES2 khoang với khoang catot hiếu khí đã sản xuất thành cơng vật liệu CdS có kích thước nano, xấp xỉ khoảng 10.82 nm. Vật liệu có đặc tính vật lý đặc trưng quan trọng của nhóm vật liệu bán dẫn – hiệu ứng giam giữ lượng tử. Tuy vậy, dạng cấu trúc tinh thể của hạt CdS vẫn chưa xác định được, phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X có sự xuất hiện của nguyên tố oxi, cần nghiên cứu thêm để làm rõ dạng cấu trúc của tinh thể này.