PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON KHÔNG CÂN BẰNG
4.5. ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG SUẤT PHÚN XẠ (P).
Theo [48], việc tăng công suất phún xạ sẽ làm tăng độ kết tinh của tinh thể, dẫn đến làm giảm độ xốp và diện tích hiệu dụng bề mặt, nghĩa là giảm tính năng quang xúc tác của màng.
Tuy nhiên, màng được chế tạo bằng hệ phún xạ magnetron không cân bằng có tuân theo quy luật này không? Trong luận án này, chúng tôi thực hiện việc khảo sát tính chất của màng theo công suất phún xạ. Màng được chế tạo trên đế thủy tinh kính ảnh sao cho các màng có độ dày xấp xỉ nhau khi thay đổi P.
4.5.1. Kết quả thực nghiệm.
Bảng 4.5.1. Thông số chế tạo của màng với P khác nhau.
Mẫu df (nm) Ipx (A) VDC (V) P (W) p (mTorr) Ts (0C) h (cm) O2 : Ar
G48 1385 0.40 380 152.0 13 185 4 0.06
G49 1494 0.45 390 175.5 13 204 4 0.06
G50 1464 0.50 400 200.0 13 208 4 0.06
G51 1487 0.55 410 225.5 13 223 4 0.06
G52 1490 0.60 420 252.0 13 235 4 0.06
Bảng 4.5.2. Kết quả phân tích tính chất và cấu trúc của màng với P khác nhau. Mẫu (hkl) σf (GPa) tại A(101) D(nm) tại A(101) ∆ABS sau 30 phút
Tỉ lệ phân hủy MB sau 30 phút (%) G48 A(101) -4.26 21.9 0.158 99.5 A(004) G49 A(101) -5.50 31.5 0.171 99.6 A(004) G50 A(101)A(004) -3.00 28.9 0.176 99.4 A(112) G51 A(101)A(004) -5.79 30.7 0.196 98.7 A(112) G52 A(101) -4.42 37.1 0.294 99.4 A(004)
Hình 4.13. Phổ truyền qua của màng TiO2 trên đế thủy tinh được chế tạo theo các công suất phún xạ khác nhau.
Hình 4.14. Giản đồ XRD của màng TiO2 được chế tạo theo các công suất phún xạ khác nhau.
P =252W, df = 1490nm
rms = 25.2nm
Hình 4.16. Sự phân hủy hữu cơ MB của màng TiO2 được chế tạo theo các công suất phún xạ khác nhau.
Hình 4.15. Ảnh AFM của màng TiO
2
được chế tạo theo công suất phún xạ P = 252W.
4.5.2. Bàn luận.
- Ở cùng điều kiện chế tạo, khi công suất phún xạ tăng thì năng lượng của các hạt lắng đọng lên đế cũng tăng. Qua đó, làm tăng độ kết tinh của tinh thể và giảm độ xốp của màng (hình 4.14). Kết quả là làm tăng mật độ khối, tăng độ phản xạ và giảm độ truyền qua của màng (hình 4.13). Kết quả này phù hợp với công trình [48], ở đó màng được chế tạo với công suất phún xạ P = 160W cho độ xốp nhỏ hơn và độ kết tinh cao hơn khi chế tạo với P = 60W.
- Tất cả các màng đều đạt được cấu trúc tinh thể ngay trong quá trình chế tạo (hình 4.14). Khi tăng công suất phún xạ từ 152W - 252W, nhiệt độ của màng tăng từ 185oC - 235oC.
- Các màng có độ dày lớn hơn 1 µm, cho độ ghồ ghề bề mặt khá lớn (rms = 25.2nm với độ dày df =1490nm) (hình 4.15). Vì vậy, khi tăng công suất phún xạ, mặc dù độ xốp của màng giảm, tính năng quang xúc tác của màng vẫn tăng. Trong khi đó, theo [48], khi tăng công suất phún xạ từ 60W – 180W thì tính năng quang xúc tác của màng giảm. Điều này cũng cho thấy rõ có sự khác biệt giữa màng chế tạo bằng hệ phún xạ magnetron không cân bằng với màng được chế tạo bởi các hệ phún xạ magnetron khác. Đối với hệ phún xạ magnetron không cân bằng, khi tăng công suất phún xạ thì năng lượng hạt đến đế cao hơn nhờ xảy ra hiện tượng phún xạ phía trước. Chính nhờ hiệu ứng này mà màng có độ ghồ ghề bề mặt lớn hơn và dẫn đến làm tăng diện tích hiệu dụng bề mặt. Ngoài ra, thời gian sống của cặp điện tử - lỗ trống cũng dài hơn do độ kết tinh của màng lớn hơn và nhờ vậy, nâng cao được tính năng quang xúc tác của màng. Lượng phân hủy hữu cơ MB cao nhất đạt được là ∆ABS = 0.294, ứng với màng được chế tạo ở điều kiện P = 252W, df =1490nm và đạt tỉ lệ phân hủy hữu cơ 99.4% sau 30 phút chiếu sáng UV.
Tóm lại, màng được chế tạo với công suất phún xạ lớn hơn cho tính năng quang xúc tác tốt hơn.
* Kết luận về điều kiện tối ưu trong quá trình chế tạo màng.
Màng sau khi chế tạo ở điều kiện thích hợp về: tỉ lệ thành phần hỗn hợp khí O2/Ar, áp suất phún xạ p, khoảng cách bia – đế h, độ dày màng df, công suất phún xạ P, đã đạt được tính năng quang xúc tác tốt (∆ABS > 0.2) mà không cần thiết phải ủ nhiệt. Kết quả cụ thể được trình bày trong bảng 4. Từ bảng này cho thấy, màng có
tính năng quang xúc tác tốt khi nhiệt độ đế thay đổi từ 195 oC – 235oC là phù hợp với các đế chịu nhiệt kém. Nhiệt độ này thấp hơn so với các công trình khác như 300oC [78], 350oC [46], 500oC [47,75].
Bảng 4. Các thông số phún xạ cho tính năng quang xúc tác tốt của màng TiO2.
Thông số phún xạ tối ưu
∆ABS
sau 30 phút
Tỉ lệ phân hủy MB
sau 30 phút chiếu sáng UV (%)
Ts (oC) Kết luận
fO2 = 0.06 0.256 100 195 fO2 = 0.06 là tối ưu cho tính năng quang xúc tác
p = 13mtorr 0.215 98 215 p = 13mtorr là tối ưu cho
tính năng quang xúc tác
h = 4cm 0.213 99 212 h = 4cm là tối ưu cho
tính năng quang xúc tác
df = 640nm 0.286 99 218 Khi df tăng thì tính năng
quang xúc tác tăng.
P = 225W 0.294 99.4 235 Khi P tăng thì tính năng
quang xúc tác tăng.