TỔNG HỢP NANÔ TINH THỂ ZnO, NGHIÊN CỨU HÌNH THÁI CÁC NANÔ TINH THỂ ZnO BẰNG ẢNH 3D SEM
3.2 Tổng hợp các nanô tinh thể ZnO 1 Phƣơng pháp bốc bay nhiệt
3.2.1 Phƣơng pháp bốc bay nhiệt
Phương pháp bốc bay nhiệt dựa trên nguyên tắc làm nóng chảy hoặc thăng hoa các nguyên tử chất rắn và lắng đọng các nguyên tử hoá hơi trên bề mặt đế rắn. Trong hệ lò bốc bay, nguồn nhiệt thường là các lá kim loại có điện trở suất lớn và chịu được nhiệt độ cao trên 1000oC như volfram (W), môlipđen (Mo), Tantan (Ta) được chế tạo ở dạng dây hoặc dạng lá mỏng, hoặc các hợp chất như nitơrit, cácbít,... Nguồn vật liệu bay hơi thường được đựng trong dụng cụ dạng thuyền, nồi, lọ, hay giỏ. Để tránh vật liệu nguồn phản ứng với các kim loại dùng làm nguồn nhiệt, người ta thường phủ các vật liệu như Al2O3, B2O3 lên các dụng cụ chứa vật liệu bốc bay.
Phương pháp bốc bay nhiệt tỏ ra có hiệu quả hơn trong việc chế tạo các cấu trúc dạng dây. Trong phương pháp bốc bay nhiệt, có hai cơ chế chủ yếu hình thành cấu trúc nanô. Đó là cơ chế hơi - lỏng - rắn (vapor-liquid-solid) [40] và cơ chế hơi - rắn (vapor-solid) [44].
Trong hầu hết các phương pháp bốc bay nhiệt tổng hợp các cấu trúc nanô tinh thể ZnO đều sử dụng quá trình vận chuyển pha hơi. Trong quá trình này, Zn và O2 hoặc hỗn hợp của chúng ở pha hơi được vận chuyển bởi khí mang và phản ứng với nhau tạo thành các cấu trúc nanô ZnO.
Ta biết rằng sự lắng đọng của ZnO trong chân không xảy ra khi nhiệt độ đủ cao. Quá trình rắn - hơi và quá trình phân rã được biểu diễn như sau:
ZnO(s) ZnO(v) (3.1) ZnO(v) Zn(v) + 1/2O2(v) (3.2) Có nhiều cách khác nhau để tạo ra hơi vật liệu nguồn, có thể phân rã trực tiếp ZnO thành hơi Zn và O2, đây là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện. Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế là cần nhiệt độ tổng hợp rất cao (~1400°C) [38]. Một phương pháp khác là nung trực tiếp bột Zn dưới dòng khí O2 [24]. Phương pháp này dễ thực hiện và nhiệt độ mọc tương đối thấp (500~700°C), nhưng để thu được các cấu trúc nanô ZnO như mong muốn, tỉ lệ áp suất hơi giữa Zn và O2 cần được kiểm soát hết sức nghiêm ngặt. Một số nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy rằng sự thay đổi tỷ số này góp phần làm thay đổi rất lớn đến hình thái của các cấu trúc nanô [14, 20, 27]. Các phương pháp gián tiếp để cung cấp hơi ZnO gồm có phương pháp epitaxy pha hơi cơ – kim, trong đó hợp chất cơ – kim có chứa Zn như diethyl-zinc. Một phương pháp nữa cũng được dùng rộng rãi là phương pháp nhiệt carbon [40] trong phương pháp này, bột ZnO được trộn lẫn với bột graphite dùng làm vật liệu nguồn. Ở nhiệt độ khoảng 800-1100°C, graphite khử ZnO thành dạng hơi Zn và CO/CO2. Sau đó Zn và CO/CO2 phản ứng với nhau và thu được các cấu trúc nanô tinh thể ZnO. Thuận lợi của phương pháp này là sự có mặt của graphite làm hạ thấp đáng kể nhiệt độ phân rã của ZnO.