Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.2. Phương pháp thủy nhiệt để chế tạo vật liệu có cấu trúc nano
Thủy nhiệt là một quá trình đặc biệt dùng để thực hiện phản ứng hóa học có sự tham gia của nước, xảy ra ở nhiệt độ cao (khoảng từ 1000C đến 15000C), áp suất cao (hơn 1 atmotphe) và trong hệ kín. Các thí nghiệm dùng phương
pháp thủy nhiệt được giữ ổn định, tránh sự thay đổi nhiệt độ đột ngột và cần áp suất không đổi (các giá trị nhiệt độ (T0C), áp suất (P) được chọn trước phù hợp cho quá trình thủy nhiệt). Đầu tiên, chất lỏng thủy nhiệt chỉ bao gồm nước và các tiền chất rắn, các tiền chất này liên tục bị hòa tan, khiến cho nồng độ của chúng trong hỗn hợp lỏng ngày càng tăng lên.
Nhiệt độ, áp suất và thời gian phản ứng là ba thông số vật lý chính trong phương pháp thủy nhiệt. Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng cho sự hình thành sản phẩm cũng như ổn định nhiệt động học của các pha sản phẩm. Áp suất cần thiết cho sự hòa tan, vùng bão hòa tạo ra sự tinh thể hóa. Thời gian cũng là một thông số quan trọng bởi vì các pha ổn định diễn ra trong thời gian ngắn, còn các pha cân bằng nhiệt động học lại có xu hướng hình thành sau một khoảng thời gian dài.
Hình 2.1. Giản đồ Kennedy về mối quan hệ của các điều kiện P, V, T0 Hình 2.1 đưa ra giản đồ Kennedy về sự phụ thuộc vào nhiệt độ trong điều kiện đẳng tích (đường chấm chấm chỉ áp suất (P) phụ thuộc vào nhiệt độ (T0C) khi bình thủy nhiệt (autoclave) đụng một lượng nước (V) ứng với phần trăm thể tích. Việc thúc đẩy nhanh phản ứng giữa các pha rắn được thực hiện bằng phương pháp thủy nhiệt tức là phương pháp dùng nước dưới áp suất cao và nhiệt độ cao hơn điểm sôi bình thường. Lúc đó nước thực hiện hai chức
năng: thứ nhất vì nó ở trạng thái lỏng hoặc hơi nên giữ chức năng môi trường truyền áp suất, thứ hai nó đóng vai trò như một dung môi có thể hòa tan một phần chất phản ứng dưới áp suất cao. Do đó phản ứng được thực hiện trong pha lỏng hoặc có sự tham gia một phần của pha lỏng hoặc pha hơi. Phương pháp thủy nhiệt cũng được sử dụng để nuôi đơn tinh thể.
Thiết bị được sử dụng trong phương pháp này là một dụng cụ đặc biệt được gọi là bình thủy nhiệt (autoclave): toàn bộ hỗn hợp dung dịch được đặt trong bình kín ở nhiệt độ và áp suất cao được hình thành từ chính bản thân áp suất hơi có trong bình[1].
Cấu tạo của bình thủy nhiệt gồm:
Thành bình thủy nhiệt được làm bằng thép không gỉ, chịu được nhiệt độ và áp suất cao. Bình thủy nhiệt thương mại hiện nay có thể được lắp đặt sẵn các chi tiết phụ trợ: đồng hồ đo áp suất (Manometer), van an toàn (Betscheibe), đầu đo nhiệt độ (Temperaturfuhler)…
Hình 2.2. Bình thủy nhiệt
Vỏ teflon bao bọc phồn trong của bình thủy nhiệt để đựng các dung dịch chưa tiền chất. Teflon là vật liệu trơ về mặt hóa học, không phản ứng với các chất trong hệ phản ứng.
Ưu điểm của phương pháp thủy nhiệt: Phương pháp thủy nhiệt cho hiệu suất phản ứng cao, thích hợp để chế tạo các hạt nano, có kích thước đồng đều,
độ tinh khiết cao. Bằng phương pháp thủy nhiệt, người ta có thể điều chỉnh được kích thước, hình dạng các hạt bằng cách lựa chọn nguyên liệu ban đầu, tỷ lệ các chất tham gia phản ứng, cũng như các điều kiện nhiệt độ, áp suất… Điều này quan trọng trong tổng hợp các vật liệu cao cấp, đòi hỏi tỉ lệ chính xác của các cấu tử trong vật liệu. Phương pháp thủy nhiệt đặc biệt hữu dụng để tổng hợp các pha không bền ở nhiệt độ cao. Phương pháp thủy nhiệt tiến hành trong hệ kín có thể thực hiện phản ứng trong điều kiện không có không khí. Điều này đặc biệt tốt khi điều chế các sản phẩm có tính khử tránh được tác động oxi hóa của oxi trong không khí. Ngoài ra, hệ thủy nhiệt có thể thao tác sử dụng và bảo quản đơn giản.
Chính vì các ưu điểm trên, phương pháp thủy nhiệt đặc biệt thích hợp để điều chế vật liệu ZnSe. Thêm vào đó vật liệu ZnSe tạo thành sau khi kết thúc quá trình thủy nhiệt ở dạng kết tủa nên sẽ dễ dàng xử lý để thu được vật liệu sạch, có độ tinh khiết cao.