Với mục đích làm tăng khả năng phân tán của vật liệu CNT vào trong dung dịch. Quá trình biến tính CNT cần được thực hiện. Sau quá trình biến tính, vật liệu CNT thể hiện một khả năng phân tán tốt trong nước, ngược lại CNT không biến tính bị kết đám và lắng xuống đáy, như được chỉ ra trong ảnh chụp Hình 3.4.
Hình 3.4 Ảnh chụp mẫu CNT và mẫu CNT biến tính được phân tán trong nước.
Ảnh SEM (Hình 3.5) chỉ ra hình thái học của vật liệu CNT sau quá trình biến tính. Chúng ta có thể quan sát thấy bề mặt các sợi CNT trở nên tương đối sạch. Điều này là do quá trình biến tính, thành phần cácbon vô định hình trên bề mặt của ống được làm sạch.
Hình 3.5. Ảnh SEM mẫu CNT sau quá trình biến tính.
Để khẳng định quá trình biến tính đã diễn ra, phổ FTIR của mẫu MWCNTs đã được thực hiện và chỉ ra như trong hình 3.6. Phổ FTIR thu được cho thấy bốn đỉnh chính, nằm ở 3740, 3440, 2361 và 1563 cm−1. Đỉnh ở ~ 3740 cm−1 được quy cho các nhóm hydroxyl tự do. Đỉnh ở ~ 3440 cm−1 có thể được gán cho sự kéo dài O–H từ các nhóm carboxyl (O=C−OH và C−OH), trong khi đỉnh ở ~ 2361 cm−1 có thể liên quan đến sự kéo dài O–H từ −COOH liên kết hydro mạnh. Đỉnh ở ~ 1563 cm−1 liên quan đến chế độ kéo dài anion carboxylate. Cần lưu ý rằng MWCNTs đã nhận được đã được tinh chế bởi nhà sản xuất và một phần các hạt nano kim loại xúc tác có thể đã bị loại bỏ trong quá trình tinh chế tạo ống nano. Do đó, sự hiện diện của các nhóm carboxyl trong các MWCNT này có thể được mong đợi.
Hình 3.6. Phổ FTIR của vật liệu CNT biến tính.
3.3. Khảo sát hình thái, cấu trúc của vật liệu rGO-CNT/SiNPs
Kích thước của các hạt, hình thái của vật liệu rGO-CNT/SiNPs được đặc trưng bởi các kỹ thuật phân tích SEM. Hình 3.7 cho thấy hình ảnh FESEM của màng vật liệu tổ hợp được chế tạo. Vật liệu CNT được phân bố đồng đều, đan xen với rGO trong vật liệu tổ hợp, trong khi các hạt SiNPs với kích thước 20- 100 nm phân bố trong nền vật liệu rGO-CNT.
Hình 3.7. Ảnh SEM của vật liệu tổ hợp rGO-CNT/SiNPs.
Hình 3.8 thể hiện phổ truyền qua UV-vis của mẫu GO-CNT, rGO-CNT, GO-CNT/SiNPs, rGO-CNT/SiNPs. Mẫu màng GO-CNT thể hiện sự truyền qua ánh sáng ở 800 nm là ~57 %. Tuy nhiên khi ủ nhiệt để khử GO-CNT thành rGO-CNT độ truyền qua của mẫu rGO-CNT giảm xuống 33%. Điều này được giải thích là do quá trình ủ nhiệt hơi nước tồn tại giữa các tấm GO-GO, GO- CNT bị mất đi, dẫn đến khoảng cách giữa chúng này càng gần và xếp chặt. Khi thêm vật liệu SiNPs và nền GO-CNT, sự truyền qua của ánh sáng tiếp tục giảm xuống nhưng với biên độ nhỏ. Tuy nhiên, khi tiến hành khử GO-CNT/SiNPs thành rGO-CNT/SiNPs, sự truyền qua của ánh sáng tiếp tục giảm.
Hình 3.8. Phổ truyền qua UV-vis của mẫu GO-CNT, rGO-CNT, GO-CNT/SiNPs, rGO-CNT/SiNPs.
Hình 3.9 chỉ ra phổ tán xạ Raman của tổ hợp vật liệu rGO-CNT/SiNPs.
Một đỉnh xuất hiện ở ~520 cm-1 đặc trưng cho tinh thể Si. Bên cạnh đó, chúng ta cũng quan sát thấy ba đỉnh khác ở các vị trí ~1340, 1596 và 2695 cm-1 tương ứng với các đỉnh đặc đặc trưng D, đỉnh G và đỉnh 2D của màng mỏng cácbon [55, 56].
Hình 3.9. Phổ Raman của vật liệu tổ hợp rGO-CNT/SiNPs.
Hình 3.10 cho thấy giản đồ XRD của vật liệu tổ hợp rGO-CNT/SiNPs.
Sự xuất hiện của bốn đỉnh nhiễu xạ mạnh ở các vị trí ~28.50, ~ 47.40, ~56.20,
~68.30, liên quan đến các mặt phẳng mạng tinh thể (111), (220), (311) và (400) của tinh thể Si (JCPDS 00-027-1402). Bên cạnh đó, một đỉnh nhiễu xạ cường độ thấp, độ bán rộng phổ rộng ở vị trí ~240 đặc trưng cho đỉnh nhiễu xạ của vật liệu rGO được quan sát thấy. Ngoài ra, có một số đỉnh nhiễu xạ ở các vị trí
~260, ~410, ~570 cũng được tìm thấy, những đỉnh này đặc trưng cho vật liệu SiO2 (JCPDS 00-046-1045); SiO2 được cho là một lớp oxit được hình thành tự nhiên bao phủ quanh các hạt SiNPs. Như vậy, kết quả XRD xác định rằng SiNPs đã được hình thành và được gắn thành công trên bề mặt các tấm rGO, CNT để tạo thành vật liệu tổ hợp rGO-CNT/SiNPs.
Hình 3.10. Giản đồ nhiễu xạ tia X của tổ hợp vật liệu rGO-CNT/SiNPs.
3.4. Đặc tính điện, quang điện của vật liệu tổ hợp
Để khảo sát các đặc tính điện và quang điện của vật liệu tổ hợp, một lớp màng mỏng vật liệu tổ hợp đã đươc phủ lên bề mặt đế SiO2/Si. Hình 3.11 chỉ ra ảnh chụp của lớp màng vật liệu tổ hợp trên đế SiO2/Si. Để tăng độ dẫn của vật liệu tổ hợp, quá trình ủ nhiệt mẫu trong điều kiện nhiệt độ 2500C, môi trường khí Argon với lưu lượng 100 sccm trong thời gian 4h đã được thực hiện.
Hình 3.11. Ảnh chụp lớp màng vật liệu tổ hợp trên đế SiO2/Si.
Như được trình bày trong phần thực nghiệm, các linh kiện transistor trường (FET) với điện cực cổng ở mặt sau được chế tạo với kênh dẫn là vật liệu tổ hợp như trong Hình 3.12.
Hình 3.12. Ma trận các bóng bán dẫn hiệu ứng trường với cực cổng mặt sau được chế tạo bằng vật liệu tổ hợp rGO-CNT/SiNPs.
Một đặc tính chuyển hạt tải điển hình của linh kiện được đo trong điều kiện nhiệt độ phòng và môi trường không khí cho thấy linh kiện thể hiện bán dẫn loại p (hình 3.13), thường được quan sát thấy trong các linh kiện với kênh dẫn rGO, Gr trong điều kiện môi trường xung quanh, xác nhận rằng việc vận
chuyển hạt tải của linh kiện bị chi phối bởi kênh dẫn graphene. Điều này có thể được giải thích là do quá trình tạo màng mỏng vật liệu tổ hợp bằng phương pháp lọc chân không, các tấm rGO kích thước lớn bị hút xuống phía dưới và liên kết với nay nhau tạo thành một lớp màng rGO rất mỏng. Sau đó là sự lắng đọng đan xen của vật liệu rGO, CNT, SiNPs trên bề mặt của lớp màng mỏng rGO trước đó.
Hình 3.13. Đặc tính điện của vật liệu tổ hợp rGO-CNT/SiNPs được đo ở nhiệt độ phòng, môi trường không khí với điện cực cổng Vg từ -50 V đến 70 V, thế phân cực
Vds = 0.5V.
Để đánh giá đặc tính quang điện của vật liệu tổ hợp, chúng tôi tiến hành đo đặc tính truyền dẫn của linh kiện trong điều kiện được chiếu sáng và trong bóng tối. Chúng tôi thấy rằng linh kiện sử dụng vật liệu tổ hợp thể hiện tín hiệu phản hồi quang âm lớn (hình 3.14a). Phản hồi quang âm quan sát trong linh kiện vật liệu tổ hợp được cho là do cơ chế truyền hạt tải điện. Khi chúng ta chiếu ánh sáng tới, các điện tử được sinh ra bởi photon kích thích trong các hạt nano SiNPs có thể được truyền đến lớp vật liệu rGO, CNT. Sau đó, chúng kết hợp với lỗ trong trong rGO, dẫn đến hiệu ứng n-dopping của rGO. Đó là lý do
tại sao dòng điện giảm và điện thế ngưỡng dịch chuyển về điện thế âm. Một phản hồi quang âm của linh kiện cũng được quan sát với phản hồi theo thời gian là bất đối xứng như trong hình 3.14b. Bằng việc làm khớp bằng hàm mũ, chúng tôi đã ước tính được giá trị thời gian giảm dòng khi có kích thích ánh sáng khoảng 3.2 giây trong khi thời gian tăng dòng khi tắt ánh sáng kích kích vào khoảng vài trăm giây. Kết quả này có thể giải thích như sau: Các electron quang sinh được chuyển sang rGO, CNT nơi chúng tái kết hợp với các lỗ trống, dẫn đến dòng điện giảm nhanh. Đồng thời, một số lỗ trống kích thích bị giữ lại tại bề mặt tiếp xúc hoặc trên bề mặt. Các lỗ trống bị bẫy gần bề mặt gây ra một hiệu ứng photo gating, có thể tạo ra nhiều pha tạp loại n trong màng rGO-CNT.
Khi ánh sáng tắt, electron quá trình truyền dẫn sẽ bị ngắt ngay lập tức trong khi quá trình các lỗ trống thoát ra khỏi trạng thái bẫy tại bề mặt tiếp xúc hoặc trên bề mặt diễn ra rất chậm, dẫn đến thời gian phục hồi chậm.
Hình 3.14 a) Đặc tính quang điện của vật liệu tổ hợp rGO-CNT/SiNPs được đo ở nhiệt độ phòng trong bóng tối và dưới ánh sáng ở thế phân cực Vds = 0.5V, b) Phản hồi dòng quang điện phụ thuộc thời gian của linh kiện (I−t) được đo ở thế Vg = 0V,
thế phân cực Vds =0.5 V.
Hình 3.15 Đặc tính điện và quang điện của vật liệu rGO-CNT được đo ở nhiệt độ phòng trong bóng tối và dưới ánh sáng ở thế phân cực Vds = 0.5V.
Để có sự so sánh, chúng tôi cũng thực hiện đo đạc các đặc tính điện và quang điện trên linh kiện được chế tạo sử dụng vật liệu rGO-CNT. Một đặc tính điện tương tự như trong trường hợp sử dụng vật liệu tổ hợp rGO-CNT/SiNPs (đường màu đen hình 3.15). Tuy nhiên, linh kiện lại thể hiện một đáp ứng quang điện là không đáng kể. Từ các kết quả thu được trên, chúng ta có thấy rằng vật liệu tổ hợp rGO-CNT/SiNPs có tiềm năng ứng dụng trong các linh kiện quang điện. Tuy nhiên, để cải thiện các đặc tính trên, một nghiên cứu có tính hệ thống cần được thực hiện trong thời gian tới.
-40 -20 0 20 40 60
10 20 30 40 50 60 70
Ids (nA)
Vg (V)
Dark Light