SO SÁNH MÀNG TiO2 VÀ MÀNG TiO2:N KHI TĂNG FN.- 123docz.net

BƯỚC 1: CƠ CHẾ PHA TẠP N VÀO TINH THỂ ANATASE TiO2.

5.4. SO SÁNH MÀNG TiO2 VÀ MÀNG TiO2:N KHI TĂNG FN.

Khi thay đối FN từ 0 đến 0.9, trong cùng một điều kiện phún xạ, kết quả so sánh tính chất, cấu trúc và tính năng quang xúc tác của màng TiO2 (FN = 0) với màng TiO2:N (FN tăng dần) trong vùng ánh sáng khả kiến được dẫn ra như sau:

5.4.1. Kết quả thực nghiệm.

Bảng 5.4.1. Các điều kiện chế tạo màng khi thay đổi tỉ lệ khí FN.

Mẫu FO FN p(mtorr) V(V) I(A) P(W) h(cm) Ts(oC) df(nm)

NG36 12.5 0.00 1 430 0.4 172 4 140 1044

N36 12.5 0.33 1 440 0.4 176 4 140 596

N55 12.5 0.60 1 440 0.4 176 4 152 700

N63 12.5 0.85 1 460 0.4 184 4 165 681

N72 12.5 0.90 1 470 0.4 188 4 157 679

Bảng 5.4.2. Kết quả tính chất và tính năng quang xúc tác của màng khi thay đổi FN. Mẫu Eg (eV) σf (Gpa) %atN trong màng ∆ABS sau 5 giờ chiếu sáng khả kiến

NG36 ~ 3.40 7.68 - 0.007

N36 ~ 3.10 -7.80 0.00 0.025

N55 ~ 3.00 -9.05 9.41 0.033

N63 ~ 2.25 -11.88 23.66 0.037

Hình 5.19. Giản đồ XRD của màng TiO

2:N khi thay đổi F

N. Hình 5.20. TiO Sự phân hủy MB của màng

2:N khi thay đổi F

Hình 5.18. Đường biểu diễn (αdhν)1/2

theo f(hν) khi thay đổi FN.

Hình 5.17. Phổ truyền qua của màng TiO2:N trên đế thủy tinh khi thay đổi FN.

Hình 5.21. Phổ EDS của màng TiO

2:N khi thay đổi F

N72N63 N63

5.4.2. Bàn luận.

Việc tăng FN làm tăng lượng tạp N vào màng, kết quả là bờ hấp thụ của màng dịch về vùng ánh sáng khả kiến (hình 5.17) và Eg giảm (hình 5.18). Khi FN = 0, màng TiO2 được chế tạo có bờ hấp thụ nằm hoàn toàn trong vùng tử ngoại mặc dù độ dày của màng lớn hơn cỡ gấp đôi so với màng TiO2:N, và Eg ~ 3.4eV (hình 5.17 và hình 5.18)

Các màng có độ kết tinh tốt, thể hiện pha anatase và một ít pha rutile của TiO2, nhận được khi FN = 0.33. Theo [61], độ kết tinh của màng TiO2:N giảm khi FN tăng và khi FN = 0.75, màng chuyển sang cấu trúc TiN. Mặt khác, theo [74]: độ kết tinh của màng TiO2:N cao hơn so với màng TiO2, nhưng khi tỉ lệ dòng N2 thay đổi từ 5ml/s – 20ml/s thì độ kết tinh của màng giảm. Trong khi đó, kết quả luận án cho thấy, khi FN thay đổi từ 0 đến 0.9 thì độ kết tinh của màng có xu hướng tăng (hình 5.19) và chưa thấy có biểu hiện giảm. Điều này đạt được là do nhiệt độ chế tạo màng luôn nhỏ hơn 170oC, màng sau khi chế tạo không ủ nhiệt và quá trình kết tinh của màng chủ yếu là do động năng của hạt trong hệ phún xạ. So sánh với các công trình của các tác giả khác đã công bố cho thấy màng sau khi chế tạo phải ủ nhiệt ở 250oC [61], 200oC - 300oC [74]. Ở đây, có thể chính năng lượng nhiệt trong quá trình ủ nhiệt màng đã làm cấu trúc màng chuyển dần sang pha TiN mà biểu hiện ban đầu là sự giảm độ kết tinh của tinh thể anatase TiO2.

Khi tăng tỉ lệ FN thì nhận thấy lượng pha tạp N trong màng tăng (23.66%atN đối với màng N63 và 25.10%atN đối với màng N72, ứng với FN lần lượt là 0.85 và 0.9 (hình 5.21)). Với lượng pha tạp cỡ 25.10%atN, độ rộng vùng cấm quang giảm nhiều nhất (Eg ~ 2.15eV) và màng vẫn thể hiện pha anatase TiO2. Kết quả này tốt hơn so với kết quả của công trình [61], ở đó, khi tỉ lệ khí FN = 0.75 thì lượng pha tạp đạt được 20.8%atN và màng chuyển sang cấu trúc tinh thể TiN.

Ngoài ra, khả năng quang xúc tác trong vùng khả kiến của màng TiO2:N cao hơn màng TiO2. Lượng phân hủy MB lớn nhất khi màng được chế tạo ở điều kiện FN = 0.9, P = 188W (hình 5.20). Ở đó, lượng tạp N trong màng là nhiều nhất, bờ hấp thụ của màng dịch nhiều về vùng khả kiến (nghĩa là Eg giảm mạnh).

Nhận thấy rằng, ở cùng một điều kiện chế tạo, màng TiO2 luôn có ∆ABS luôn nhỏ hơn so với màng TiO2:N, nghĩa là khả năng quang xúc tác yếu hơn. Như vậy, sự có mặt của N trong màng (FN ≠ 0) sẽ làm tăng tính năng quang xúc tác của màng trong vùng ánh sáng khả kiến.

٭ KẾT LUẬN CHUNG VỀ CƠ CHẾ PHA TẠP N VÀO TINH THỂ TiO2.

1. Trên cơ sở nghiên cứu tính chất và tính năng quang xúc tác của màng TiO2:N phụ thuộc vào các thông số chế tạo màng như: khoảng cách bia – đế (h), áp suất phún xạ (p), công suất phún xạ (P), tỉ lệ khí N2 (FN), chúng tôi đưa ra một số kết luận về cơ chế tạo màng để đạt được lượng pha tạp N lớn, nghĩa là màng hấp thụ tốt ánh sáng vùng khả kiến, nhằm góp phần nâng cao tính năng quang xúc tác của màng trong vùng ánh sáng này. Kết quả nhận được cho phép khẳng định rằng, cơ chế để có được lượng pha tạp N lớn vào tinh thể anatase TiO2, trong phương pháp phún xạ magnetron, phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng của các hạt trung hòa khi đến đế. Để thực hiện được cơ chế này cần phải:

- Nâng cao tính không cân bằng của hệ để nâng cao công suất phún xạ.

- Thay đổi khoảng cách bia – đế sao cho nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của khí hoặc ion để giảm mất mát năng lượng do va chạm.

- Nâng cao lượng khí N2 trong môi trường phún xạ.

Kết quả là, chúng tôi đã xác định được điều kiện thực nghiệm để đạt được yêu cầu có lượng pha tạp N lớn trong màng (22%atN – 25.10%atN) là h = 4m, p = 1mtorr, FN = 0.8 – 0.9, P = 182W – 188W và nhiệt độ chế tạo màng thấp hơn 170oC.

2. Kết quả nhận được cũng được so sánh với các công trình khác cho thấy, khi màng được chế tạo ở điều kiện nhiệt độ đế thấp và năng lượng hạt đến đế chủ yếu là động năng thì lượng pha tạp N vào màng cao (22%atN – 25.10%atN) nhưng cấu trúc tinh thể TiO2 vẫn chưa bị biến dạng (nghĩa là màng chưa chuyển sang cấu trúc TiN). Qua đó, một lần nữa cho phép khẳng định, việc sử dụng phương pháp phún xạ magnetron vẫn có thể cho lượng pha tạp N cao. Trong khi đó, theo [61,68], chỉ khi

sử dụng phương pháp IBAD mới có được kết quả này và với phương pháp phún xạ magnetron, lượng pha tạp N chỉ đạt được rất ít (nhỏ hơn 2%atN) hoặc theo [32,74], Eg giảm không đáng kể. Ngoài ra, theo [61], trong phương pháp phún xạ magnetron, khi tăng FN > 0.75 thì lượng pha tạp N trong màng đạt được 20.8%atN nhưng màng chuyển sang cấu trúc TiN và vì vậy, làm giảm đáng kể tính năng quang xúc tác.

3. Kết quả so sánh tính năng quang xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến giữa màng TiO2 và màng TiO2:N cho thấy, sự có mặt của tạp N trong thành phần màng chính là yếu tố quyết định làm cho tính năng quang xúc tác tốt hơn trong vùng ánh sáng này.

SO SÁNH MÀNG TiO2 VÀ MÀNG TiO2:N KHI TĂNG FN.

VÙNG ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN