Các mẫu 1D ZnS ban đầu được chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt với các trang thiết bị chế tạo khá đơn giản, phù hợp với điều kiện công nghệ của các đơn vị nghiên cứu và đào tạo trong nước. Vật liệu nguồn cho bốc bay là bột ZnS có độ tinh khiết 99.9 % do hãng Merck chế tạo. Đây là bột ZnS thương mại có thể mua được trên thị trường với giá thành tương đối rẻ. Thiết bị chính sử dụng cho quá trình bốc bay là hệ lò nhiệt độ cao nằm ngang, có nhiệt độ vận hành cao nhất có thể đạt 1200 oC. Ống lò dài 1.2 m bằng thạch anh có tích hợp các đầu bịt chân không, một đầu kết nối với hệ thống bơm hút chân không, đầu kia kết nối với các bộ điều khiển lưu lượng khí và hệ thống cấp khí. Các loại khí sử dụng
43
trong nghiên cứu vao gồm các loại khí Ar và O2 có độ sạch từ 99.9 - 99.99 %. Vật liệu nguồn bốc bay được trữ trong các thuyền ôxít nhôm (Al2O3) trong quá trình bốc bay. Đế sử dụng để nuôi các cấu trúc 1D ZnS là đế Si (111). Tuỳ thuộc vào mục đích nuôi để có thể được phủ một lớp kim loại xúc tác (Au) với độ dày từ 5 - 10 nm hoặc chỉ ôxy hoá để tạo một lớp SiO2 nhiệt mỏng.
Trên Hình 2.1 là sơ đồ nuôi các cấu trúc 1D ZnS và ZnS/ZnS bằng phương pháp bốc bay nhiệt và ôxy hóa nhiệt. Theo sơ đồ này việc nuôi các cấu trúc 1D ZnS và ZnS/ZnO được thực hiện theo hai bước.
- Bước 1: Bốc bay nhiệt ZnS để tạo các cấu trúc 1D ZnS trên đế Si
- Bước 2: Ôxy hóa các cấu trúc 1D ZnS nhận được trong môi trường không khí tại các nhiệt độ ôxy hóa khác nhau để nghiên cứu quá trình chuyển pha ZnS ZnO và sự hình thành cấu trúc lai 1D ZnS/ZnO.
Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo các cấu trúc 1D ZnS và ZnS/ZnO bằng phương pháp bốc bay nhiệt và ôxy hóa nhiệt trong môi trường không khí
Hình 2.2 là sơ đồ nguyên lý của hệ lò ống nằm ngang (a), quy trình chế tạo dây nano ZnS bằng phương pháp bốc bay nhiệt (b) và hệ lò bốc bay thực tế mà chúng tôi sử dụng trong chế tạo các cấu trúc 1D ZnS.
Quy trình chế tạo dây nano có thể được mô tả như sau: trước tiên 3 gam bột ZnS được nạp vào một thuyền ôxít nhôm và được đưa vào giữa hệ bốc bay nhiệt sử dụng lò ống thạch anh. Các phiến đế Si được phủ lớp màng mỏng vàng có độ dày ~ 5 - 10 nm, kích thước dài khoảng ~2 - 3 cm và rộng ~1 cm nhận được bằng cách phún xạ dòng một chiều (DC sputtering). Các phiến Si/Au được đặt xuôi theo chiều khí thổi và cách vật liệu nguồn với các khoảng cách 5, 7, 9 cm. Sau đó, khí Ar được thổi qua lò với lưu lượng ~100 - 150
44
sccm trong thời gian từ 30 phút đến 2 giờ với mục đích loại bỏ không khí và hơi nước trong lò. Tiếp theo, nhiệt độ của lò được nâng lên 200 oC với tốc độ nâng nhiệt 10 o
C/phút và giữ ở nhiệt độ này khoảng 30 phút nhằm đảm bảo sự ổn định của hệ thống. Sáu đó, nhiệt độ của lò tiếp tục được nâng lên tớ nhiệt độ bốc bay là 1150 oC với cùng tốc độ nâng nhiệt. Khi nhiệt độ của lò đạt nhiệt độ bốc bay 1150 oC, lưu lượng khí thổi qua lò được giảm xuống ~ 50 sccm và giữ nhiệt ở nhiệt độ này trong thời gian 45 phút (đây được tính là thời gian bốc bay). Sau quá trình bốc bay, lò được làm nguội tự nhiên xuống nhiệt độ phòng trong khi giữ nguyên lưu lượng khí Ar thổi qua lò trong suốt quá trình làm nguội để tránh cho các cấu trúc 1D ZnS bị ôxy hóa.
Hình 2.2. Sơ đồ hệ lò ống nằm ngang (a); quy trình thực nghiệm chế tạo các cấu trúc nano tinh thể ZnS một chiều bằng phương pháp bốc bay nhiệt theo cơ chế VLS (b); Hệ bốc bay nhiệt thực
tế (c)
Các cấu trúc 1D ZnS nhận được, sau khi khảo sát các tính chất cấu trúc, hình thái và tính chất quang, tiếp tục được xử lý nhiệt trong môi trường không khí ở các nhiệt độ từ 300 đến 800 oC và khảo sát sự thay đổi cấu trúc, hình thái và tính chất quang ở mỗi nhiệt độ ôxy hoá để nghiên cứu quá trình chuyển pha ZnS ZnO, cũng như sự hình thành của pha lai ZnS/ZnO.
45