II.1. Thiết bị thực nghiệm
Kết hợp cùng các thiết bị hiện cĩ trong phịng thí nghiệm của bộ mơn Vật Lý Chất Rắn, chúng tơi đã gĩp phần tham gia xây dựng một số chi tiết cho thiết bị phù hợp với yêu cầu và mục đích của đề tài để quá trình thực nghiệm được tiến hành thuận lợi.
II.1.1. Hệ thống ủ nhiệt chân khơng
Hình B.II.1- Hệ nhiệt CVD tại PTN BM Vật Lý Chất Rắn, trường ĐH KHTN TpHCM
Hệ nhiệt CVD (Chemical Vapor Deposition) được xây dựng với mục đích nâng nhiệt cao (lên đến 9000C) trong mơi trường chân khơng cao (10-5
torr) hay mơi trường khí riêng phần, và được sử dụng trong nhiều đề tài khác nhau [2]. Trong luận văn này, chúng tơi chỉ dùng hệ thống CVD để ủ nhiệt từ 4000C đến 9000C (hình B.II.1) trong mơi trường chân khơng cao với mục đích khử bỏ các nhĩm chức cĩ chứa oxy trên màng graphite oxide nhằm tái tạo lại cấu trúc của màng graphene.
Hệ nhiệt CVD cĩ cấu tạo và nguyên tắc hoạt động tổng quát như hình B.II.1 và B.II.2, với 6 bộ phận chính: Hệ tạo chân khơng cao, hệ duy trì áp suất làm việc, hệ đo chân khơng, hệ tạo nhiệt, buồng làm việc và hệ vi chỉnh khí.
II.1.1.1. Hệ tạo chân khơng cao
Để tạo chân khơng cao đáp ứng nhu cầu sử dụng, hệ tạo chân khơng cao gồm cĩ hai bơm: bơm sơ cấp và bơm khuếch tán.
Hình B.II.2- Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của hệ CVD
Bơm sơ cấp là thiết bị tạo chân khơng thấp (10-3torr) dựa trên nguyên tắc hút đẩy khí nhờ bộ phận bơm quay cơ học, cĩ vận tốc hút là 2 lít/s. Nhiệm vụ của bơm sơ cấp là cung cấp chân khơng ban đầu cho bơm khuếch tán làm việc.
Bơm khuếch tán với vận tốc hút 100 lít/s cĩ cấu tạo và nguyên tắc hoạt động được mơ tả như hình B.II.3. Bếp đốt đun sơi dầu cĩ nhiệt độ hĩa hơi thấp (dầu khuếch tán). Các dịng hơi dầu khi bay hơi lên phun qua khe hẹp với vận tốc lớn, sẽ hấp phụ các phân tử khí và cuốn theo các tầng khuếch tán đến ngõ ra của bơm. Sau đĩ dầu được làm lạnh và hồn
nguyên, nhả các phân tử khí được hút ra theo một đường khác (nhờ hệ bơm sơ cấp đi kèm), dầu quay trở lại buồng đốt sẽ tiếp tục chu trình kín trên.
Hình B.II.3- Cấu tạo bơm khuếch tán II.1.1.2. Hệ duy trì áp suất làm việc
Nhiệm vụ chính của của hệ nhằm duy trì áp suất làm việc theo yêu cầu của hệ nhiệt CVD. Hệ gồm bơm roots và bơm sơ cấp. Bơm sơ cấp trong hệ cĩ mức chân khơng giới hạn 10-2 torr, tạo chân khơng ban đầu để bơm root cĩ thể hoạt động ở tốc độ hút cao (25 lít/s).
II.1.1.3. Hệ đo chân khơng
Áp kế cặp nhiệt điện được sử dụng để đo chân khơng cho buồng làm việc của hệ. Áp kế cần được cấp dịng (khoảng 100 mA) để hoạt động và đại lượng đo được của áp kế được biểu thị bằng thế ra (mV).
II.1.1.4. Hệ tạo nhiệt
Hệ tạo nhiệt gồm lị nhiệt và hệ thống điều khiển nhiệt. Lị nhiệt là một ống sứ chịu nhiệt được nâng nhiệt bằng dây điện trở Constantan quấn xung quanh, lớp hỗn hợp silicat lỏng và ximăng chịu nhiệt để cố định các sợi Constantan. Lị được cách nhiệt bằng một lớp
Amiăng được quấn bên ngồi và vỏ sắt ở bên ngồi để tránh thất thốt nhiệt ra mơi trường. Việc kiểm sốt nhiệt độ rất quan trọng trong quá trình ủ nhiệt, bộ điều khiển và hiển thị nhiệt giúp chúng tơi cĩ thể thực hiện dễ dàng quá trình nâng và ổn định nhiệt.
II.1.1.5. Buồng làm việc
Buồng làm việc là nơi các quá trình phản ứng diễn ra và lắng đọng trên mẫu, được nâng nhiệt bằng hệ tạo nhiệt và được tạo chân khơng từ hệ chân khơng cao. Cấu tạo của buồng là một ống inox rỗng (Ф = 45mm, dài 1000mm) được lồng vào bên trong ống sứ của buồng nhiệt. Trong luận văn này, để tránh những tạp chất từ ống inox làm ảnh hưởng đến màng trong quá trình ủ nhiệt chúng tơi đã thay thế ống inox bằng ống thạch anh cĩ kích thước tương tự, và bộ gá mẫu khi đặt mẫu trong buồng làm việc là 1 ống thạch anh cĩ kích thước nhỏ hơn nối kết bộ gá mẫu cĩ thể dịch chuyển để đặt và lấy mẫu một cách dễ dàng.
II.1.1.6. Hệ vi chỉnh khí
Nhiệm vụ chính của hệ vi chỉnh khí nhằm điều chỉnh lưu lượng và vận tốc thổi khí vào buồng làm việc một cách chính xác, hệ thống gồm van của các bình khí, flowmeter và các van tiết lưu. Tuy nhiên trong luận văn này, mơi trường mà chúng tơi là chân khơng nên bộ phận vi chỉnh khí chưa được ứng dụng trong quá trình ủ nhiệt.
II.1.2. Hệ thống phun nhiệt phân (spray pyrolysis)
Do đặc điểm là dung dịch tạo màng bám đế khơng tốt, nên trong đề tài này chúng tơi xây dựng hệ thống phun nhiệt phân để phục vụ cho việc tạo màng đạt kết quả tốt hơn. Hệ thống gồm 2 bộ phận chính: Bộ phận cấp nhiệt cho đế và súng phun (hình B.II.4).
II.1.2.1. Bộ phận cấp nhiệt cho đế
Bộ phận này gồm một bếp nhiệt cĩ dạng phẳng và một hệ điều nhiệt được kết nối trực tiếp với nhau. Dịng điện từ nguồn, sau khi qua hệ điều nhiệt sẽ được chuyển đến bếp. Nhiệt độ trên bếp được giữ ổn định với nhiệt độ đã được cài đặt vào hệ điều nhiệt, tùy theo
nhu cầu sử dụng. Các đế dùng để phủ màng sẽ được gá tiếp xúc và cố định trên bề mặt bếp, do đĩ nĩ cũng sẽ được ổn định nhiệt trong quá trình tạo màng.
Hình B.II.4- Hệ thống phun nhiệt phân II.1.2.2. Súng phun
Trong hệ thống này chúng tơi sử dụng súng phun Air Brush của Trung Quốc với cấu tạo như sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khí sử dụng chứa trong bình nén sẽ được dẫn truyền đến súng phun thơng qua hệ thống dây dẫn, và được phun ra thành dịng khí khi nhấn cơng tắc trên súng. Mức độ mạnh yếu của dịng khí được điều chỉnh bởi bộ phận chiết áp, và cũng nhằm giữ cho áp suất của dịng khí luơn được ổn định trong quá trình thực hiện.
Dung dịch tạo màng được cho vào phễu chứa, dung dịch này và dịng khí được trộn lẫn vào nhau trước khi phun ra ngồi. Lượng dung dịch được điều chỉnh bằng việc mở rộng hoặc thu hẹp đầu kim phun thơng qua một núm vặn nối liền phễu chứa dung dịch và kim phun.
Các bộ phận này được gá cố định trên giá đỡ, khoảng cách từ vịi phun đến bề mặt bếp nhiệt được giữ khơng đổi, nhằm ổn định chùm tia phun đến màng trong suốt quá trình thực hiện. Từ thực nghiệm, chúng tơi nhận thấy rằng trục của vịi phun nếu được đặt vuơng gĩc với bề mặt đế thì màng tạo được sẽ đạt độ đồng đều cao trong diện tích 1,5 x1,5 cm2.
Cơ chế hoạt động:
Hình B.II.5- Sơ đồ minh họa hoạt động của hệ thống phun nhiệt phân
Đây là phương pháp lắng đọng màng từ pha lỏng được phân tán bởi dịng khí. Khi nhấn cơng tắc của súng phun, dịng khí từ bộ phận cung cấp khí được phun thành dịng, sự chênh lệch áp suất xảy ra bên trong vịi sẽ kéo theo dịng chất lỏng tạo màng chứa trong phễu được phun ra. Lúc này dịng khí và chất tạo màng được hịa trộn vào nhau, và dịng khí đĩng vai trị khí mang sẽ vận chuyển dung dịch đến đế để tạo màng (hình B.II.5). Tại bề mặt đế, dưới tác dụng của nhiệt, dung mơi sẽ bay hơi và chất tạo màng cịn lại sẽ hình thành nên màng mỏng. Dung dịch tạo màng được phun thành nhiều xung, hai xung liên tiếp cách nhau vài giây để nhiệt độ đế ổn định lại (thời gian cách nhau tùy thuộc vào sự chênh lệch giữa nhiệt độ đế được đặt và nhiệt độ của mơi trường).
II.2. Các phương pháp đo đạc
Nhằm theo dõi và kiểm sốt tiến trình thực nghiệm, trong quá trình tiến hành chúng tơi sử dụng nhiều phép đo khác nhau và so sánh kết quả đạt được trong từng giai đoạn với các kết quả của các tác giả khác đã được đăng trên các tạp chí cĩ uy tín. Trên cơ sở đĩ sẽ cĩ những điều chỉnh cho phù hợp trong những bước tiếp theo, nhằm thu được kết quả tốt.
II.2.1. Hệ UV-vis
Hệ UV-Vis (hình B.II.6), thiết bị mới, hiện đại của hãng Jasco (Nhật), thuộc phịng thí nghiệm Quang học - Vật rắn - Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM. Hệ được sử dụng để xác định độ truyền qua, độ hấp thụ trong khoảng bước sĩng từ 190 nm đến 1100 nm.
II.2.2. Hệ đo FTIR
Để xác định thành phần các nhĩm chức hữu cơ, chúng tơi tiến hành chụp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier bằng máy EQUINOX 55 của hãng Bruker (hình B.II.7) trong vùng 500-4000 cm-1, thuộc phịng thí nghiệm Phân Tích Trung Tâm và phịng thí nghiệm Quang học - Vật Rắn - Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM.
Hình B.II.7- Hệ đo FTIR (Fourier Transformed Infrared)
II.2.3. Hệ nhiễu xạ tia X (Xray Diffraction)
Chúng tơi cũng tiến hành chụp giản đồ nhiễu xạ tia X để đánh giá cấu trúc tinh thể của sản phẩm, phép đo được thực hiện trên thiết bị X-ray Diffractometer XD-5A (hình B.II.8) với bước sĩng 1,5406 A0 (Cu-Kα) tại phịng thí nghiệm bộ mơn Vật Lý Chất Rắn trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Tp Hồ Chí Minh.
Hình B.II.8- Máy đo nhiễu xạ tia X
II.2.4. Phổ tán xạ Raman
Phổ Raman là cơng cụ khảo sát khơng phá hủy cấu trúc của mẫu, được thực hiện trên máy Horibajobin Yvon (hình B.II.9) tại phịng thí nghiệm Cơng Nghệ Nano Tp Hồ Chí
Minh với vùng phổ nằm trong khoảng 500-3000 cm-1, để xác định cấu trúc mạng và các liên kết trong mẫu.
Hình B.II.9- Hệ đo phổ Raman
II.2.5. Hệ đo đặc trưng I-V
Để khảo sát đặc trưng I-V của màng chúng tơi sử dụng hệ đo I-V ở bộ mơn Vật Lý Chất Rắn - trường KHTN Tp.HCM. Hệ đo I-V được bố trí như mơ hình B.II.10.
Hình B.II.10- a) Hệ đo đặc trưng I-V, b) mơ hình mắc mạch đo đặc trưng I-V
Nguồn cấp thế cho PMT Milivolt kế Nguồn cấp thế cho PMT Milivolt kế a) b)
II.2.6. Hệ đo điện trở mặt
Trong đề tài này, chúng tơi tiền hành đo điện trở bề mặt của các mẫu bằng hệ đo 4 mũi dị (hình B.II.11) thuộc phịng Vật Liệu Kỹ Thuật Cao trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Tp Hồ Chí Minh, nhằm để xác định khả năng dẫn điện của các mẫu thu được.
Hình B.II.11- Hệ đo điện trở mặt
II.2.7. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)
Cấu trúc và hình thái bề mặt của mẫu sẽ được khảo sát thơng qua ảnh FESEM (Scanning Electron Microscope) (hình B.II.12), được chụp tại Khu Cơng Nghệ Cao Tp Hồ Chí Minh.
II.2.8. Ảnh hiển vi lực nguyên tử (AFM) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Để xác định cấu trúc vi mơ và độ gồ ghề của màng chúng tơi tiến hành chụp ảnh AFM bằng thiết bị AFM Veeco Instrument (hình B.II.13) tại trường Đại Học Ulsan, Hàn Quốc.