Trong quy trỡnh chế tạo dõy nano thỡ việc vệ sinh thuyền và ống thạch anh sạch sẽ đúng vai trũ quan trọng nhằm thu được vật liệu cú chất lượng và độ lặp lại cao. Do đú, trước khi tiến hành chế tạo dõy nano cần vệ sinh thuyền và ống thạch anh. Sau khi làm sạch thuyền, ống thạch anh, cho vật liệu nguồn (bột Sn) vào thuyền và đưa vào ống thạch anh đặt tại tõm lũ. Hai phiến Si đặt 2 phớa của thuyền và cỏch thuyền khoảng 1-1,5 cm. Lắp vũng dõy cao su bịt hai đầu ống để khụng cho khụng khớ lọt vào.
39
Hỡnh 2.3. Sơ đồ bố trớ vật liệu nguồn và đế cho quỏ trỡnh mọc dõy nano từ bột Sn (SnO).
Quy trỡnh chế tạo vật liệu cú thể được chia ra thành 4 giai đoạn như sau:
Giai đoạn I: Làm sạch và hỳt chõn khụng trong ống thạch anh
Bật bơm chõn khụng để hỳt sạch khớ trong ống thạch anh trong thời gian 10 phỳt. Mở van khớ Ar và điều chỉnh lưu lượng khoảng 300 sccm thổi vào ống để làm sạch hơi nước và cỏc tạp bẩn của thuyền và đế. Khi tiến hành nõng nhiệt, nếu vẫn cũn oxy dư trong ống thỡ lớp vật liệu nguồn trờn bề mặt bị oxi húa tạo thành oxit SnO2, lớp oxit này cú nhiệt độ núng chảy cao nờn khụng bay hơi được dẫn đến ngăn cản quỏ trỡnh bay hơi của cỏc phõn tử lớp dưới. Kết quả là khụng thể hỡnh thành đỏm hơi kim loại để hỡnh thành dõy nano. Do đú, để loại bỏ oxy triệt để hơn chỳng tụi tiến hành bơm đầy khớ Ar vào ống, sau đú mở van để bơm chõn khụng hỳt nhanh khớ trong ống ra ngoài. Lặp lại quỏ trỡnh này khoảng 3 lần, mỗi lần từ 5-10 phỳt sẽ rỳt gần như hết oxy trong ống. Kết thỳc giai đoạn này đúng van khớ Ar và tiếp tục bơm chõn khụng để ỏp suất trong ống đạt khoảng 0,7-0,9 Torr.
Giai đoạn II: Nõng nhiệt từ nhiệt độ phũng lờn nhiệt độ phản ứng mọc dõy nano Tựy theo quy trỡnh chế tạo dõy nano ở nhiệt độ nào mà thời gian nõng nhiệt được cài đặt thớch hợp. Thụng số này được tối ưu sao cho dõy nano mọc với chất lượng cao nhất. Lỳc bắt đầu nõng nhiệt tiếp tục xảy ra quỏ trỡnh giải hấp phụ cỏc phõn tử nước hoặc tạp chất bỏm trờn bề mặt trong của ống. Khi nhiệt độ tăng cao hơn nhiệt độ núng chảy của vật liệu nguồn sẽ hỡnh thành đỏm hơi vật liệu. Cả hai quỏ trỡnh này đều quan sỏt thấy ỏp suất trong ống tăng lờn.
Giai đoạn III: Phản ứng hỡnh thành dõy nano
Ar, O2 Ống TA2 Ống TA1 Sn Đế Au/Si 2 .5 c m 63 cm Sn ( O)
40
Khi nhiệt độ lũ tăng đến nhiệt độ phản ứng, sau khoảng 3-4 phỳt để nhiệt độ và ỏp suất trong ống ổn định thỡ tiến hành bật oxy với lưu lượng thớch hợp tựy thuộc vào quy trỡnh chế tạo. Nhiệt độ lũ được giữ cố định trong thời gian phản ứng mọc dõy nano.
Giai đoạn IV: Kết thỳc phản ứng
Khi lũ chạy hết chương trỡnh nhiệt độ, lũ được để nguội tự nhiờn về nhiệt độ phũng. Sau đú tắt bơm chõn khụng, tắt hệ điều khiển lưu lượng khớ và mở cỏc đầu bịt chõn khụng để lấy mẫu dõy nano tổng hợp trờn đế Si.
Dõy nano tạo thành được đem đi phõn tớch hỡnh thỏi và cấu trỳc bằng kớnh hiển vi điện tử quột phỏt xạ trường (FE-SEM S4800, Hitachi, Nhật), hiển vi điện tử truyền qua (TEM, JEM-100CX) và nhiễu xạ tia X (XRD, Philips Xpert Pro) với nguồn phỏt xạ là CuKα, cụng suất nguồn là 40 kV. Với mục đớch nghiờn cứu, khảo sỏt để tỡm ra thụng số tối ưu cho quỏ trỡnh chế tạo dõy nano SnO2 nhằm ứng dụng cho cảm biến khớ đồng thời phự hợp với trang thiết bị thớ nghiệm hiện cú của nhúm nghiờn cứu nờn chỳng tụi chọn hai quy trỡnh chế tạo vật liệu ở nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao.
a) Quy trỡnh chế tạo dõy nano sử dụng bột Sn
Quy trỡnh chế tạo dõy nano SnO2 sử dụng bột Sn làm vật liệu nguồn được tiến hành ở cỏc nhiệt độ là 700 oC, 750 oC và 800 oC. Để thực hiện quỏ trỡnh gia nhiệt, lũ được cài đặt chu trỡnh nhiệt như Hỡnh 2.4.
Hỡnh 2.4. Giản đồ chu trỡnh nhiệt của quỏ trỡnh mọc dõy nano ở nhiệt độ 700-800 oC.
0 Nhiệt độ (oC) Thời gian (phỳt) 0 1 2 I II III IV 750 700 t mt 800
41 b) Quy trỡnh chế tạo dõy nano sử dụng bột SnO
Như đó trỡnh bày ở trờn, trong cụng nghệ chế tạo dõy nano bằng phương phỏp bốc bay nhiệt thỡ vấn đề chọn nguồn vật liệu bốc bay sẽ quyết định điều kiện chế tạo dõy nano. Ở đõy với mong muốn chế tạo dõy nano SnO2 cú độ tinh khiết cao, chỳng tụi tiến hành nghiờn cứu chế tạo dõy nano ở nhiệt độ cao. Với quy trỡnh này chỳng tụi chọn SnO làm nguồn bốc bay do vật liệu này cú nhiệt độ núng chảy cao hơn so với bột Sn. Quỏ trỡnh tiến hành theo cỏc bước tương tự như quy trỡnh ở nhiệt độ thấp đó được trỡnh bày ở trờn.
Hỡnh 2.5. Giản đồ chu trỡnh nhiệt của quỏ trỡnh chế tạo dõy nano ở nhiệt độ 920-980 oC.
Theo cỏc tỏc giả [41-43] thỡ chế tạo dõy nano bằng phương phỏp bốc bay nhiệt sử dụng bột SnO cho kết quả tốt khi nhiệt độ mọc là trờn 900 oC, nờn trong quy trỡnh này chỳng tụi tiến hành thớ nghiệm tại 3 nhiệt độ là 920 oC, 950 oC và 980 oC. Trong quy trỡnh này chỳng tụi sử dụng hệ bốc bay nhiệt như trờn Hỡnh 2.2 và nõng nhiệt theo chu trỡnh như ở Hỡnh 2.5.