3.1. Các vật liệu dẫn điện tử cấu trúc nano
3.1.5. Màng dạng thanh nano ZnO
Hình 3.6. Ảnh FE-SEM bề mặt (a) và mặt cắt (b) của màng thanh ZnO mọc trực
tiếp trên đế FTO/thủy tinh bằng phương pháp Galvanic kết hợp thủy nhiệt trong
dung dịch 25 mM Zn(NO3)2 và 25 mM HMTA ở 70 oC, thời gian phản ứng 1 giờ.
Các kết quả khảo sát bằng ảnh FE-SEM cho thấy chúng tơi đã tổng hợp thành cơng màng ơxít bán dẫn ZnO cấu trúc nano một chiều (dạng thanh nanô) mọc thẳng đứng, trực tiếp trên đế dẫn điện FTO/thủy tinh bằng phương pháp điện hóa Galvanic kết hợp thủy nhiệt trong dung dịch 25 mM Zn(NO3)2 và 25 mM C6H12N4 ở 70 oC, thời gian phản ứng 1giờ cho thấy độ dài thanh đạt cỡ xấp xỉ 1 µm. Các kết quả nghiên cứu này đã được chúng tôi công bố trong bài báo trên tạp chí Applied Mechanics and Materials [114].
Cơ chế hình thành màng ơxít bán dẫn ZnO cấu trúc nano một chiều bằng phương pháp điện hóa Galvanic kết hợp thủy nhiệt:
Q trình hình thành màng ơxít bán dẫn ZnO cấu trúc nano một chiều bằng phương pháp điện hóa Galvanic kết hợp thủy nhiệt là 1 quá trình diễn ra liên tục tự mọc mầm và phát triển thành thanh ZnO. Cơ chế hình thành của quá trình này được mơ tả trên hình 3.7.
Hình 3.7. Cơ chế hình thành màng ơxít bán dẫn ZnO cấu trúc nano một chiều
bằng phương pháp điện hóa Galvanic kết hợp thủy nhiệt và các ảnh FE-SEM khảo sát quá trình mọc và phát triển màng thanh nano ZnO.
Đầu tiên ZnO tự mọc mầm tinh thể theo cơ chế Galvanic, là một phản ứng điện hóa tự sinh do sự khác biệt giữa thế oxi hóa khử của cặp Al/ Zn2+. Phản ứng khử của oxy hòa tan sẽ xảy ra trên bề mặt cực catốt (O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-) dẫn đến sự hình thành của Zn(OH)2 và sau đó Zn(OH)2 mất nước để tạo thành ZnO trên bề mặt điện cực dẫn điện FTO:
O2 + 2H2O + 4e à 4OH-
Zn2+ + 2OH- à Zn(OH)2 à ZnO + H2O
Sau đó tiếp tục phản ứng thủy nhiệt trong dung dịch tiếp tục phát triển thành thanh nano ZnO. Khác với các quá trình khác, phản ứng Galvanic sẽ dẫn đến sự hình thành của các dây nano có độ dài thống nhất do sự hình thành đồng thời của mầm.
(CH2)6N4 + 6H2O ↔ 4NH3 + 6HCHO NH3 + H2O ↔ NH3.H2O ↔ NH4+ + OH- Zn2+ + 2OH- ↔ ZnO + H2O
Như ta thấy, phản ứng galvanic đã dẫn đến sự hình thành của các thanh nano ZnO có độ dài thống nhất do sự hình thành đồng thời của mầm. Về cơ bản, phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện trong mơi trường khơng khí và ở nhiệt độ thấp (khoảng 70oC), đặc biệt là không cần tạo lớp mầm tinh thể.